干濕循環作用下巖石力學性質的實驗研究

2011-12-06 05:52:32姜永東閻宗嶺劉元雪陽興洋

中國礦業 2011年5期

姜永東,閻宗嶺,劉元雪,陽興洋,熊令

(1.后勤工程學院建筑工程系,重慶400041;2.招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶400067;3.重慶大學西南資源開發及環境災害控制工程教育部重點實驗室,重慶400044)

地殼中的巖土體長期遭受太陽輻射能量、風力、水等的作用,容易導致巖土體風化,使巖土體的結構和力學性質發生嚴重劣化。在巖土工程中,由于巖土體遭受風化作用使力學性質和結構發生劣化引起的災害事故較多,而且非常嚴重,造成了極大的危害。

對巖土體進行干濕循環實驗,可以模擬風化作用對巖土體力學特性的影響。干濕循環對土體力學性能的影響研究較多,取得了一些重要的研究成果[1-9]。其中 M.M.A llam 和 S.Sridharam[2]研究了干濕循環對黏土抗剪強度的影響;得出:干濕循環導致黏土抗剪強度降低。劉松玉等[3]研究了干濕循環對擊實膨脹土脹縮特性的影響,得出:隨著干濕循環次數增加擊實膨脹土的絕對膨脹率總是增大,而相對膨脹率降低;凌建明等[4]研究了不同含水量以及不同干濕循環次數對路基填料無側限抗壓強度的影響,得出:隨著干-濕循環次數增大,水泥-石灰土的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量均會減小。繆林昌等[5-8]實驗研究了干濕循環對非飽和膨脹土水分特征曲線、裂隙演化和抗剪強度的影響,得出:干濕循環引起非飽和膨脹土土體結構的改變,導致土樣中原有裂隙開展,新裂隙產生,裂隙數量增加并連通,最后形成網狀裂隙,從而導致其長期強度和變形模量明顯降低。楊和平等[9]研究了荷載條件下干濕循環對膨脹土的脹縮變形和強度變化規律的影響,得出:荷載對干濕循環過程中膨脹土的脹縮幅度及強度衰減具有明顯抑制作用。干濕循環對巖石力學性能的影響研究較少,劉新榮等[10,11]研究了干濕循環作用下砂巖的剪切試驗、單軸壓縮試驗、劈裂試驗,得出:巖石的抗剪強度、單軸抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、內聚力、內摩擦角隨干濕循環次數增加而減小。且呈對數函數關系。干濕循環條件下對崩解性巖石影響較大,因此論文將選用砂巖、頁巖這兩種巖石,開展干濕循環條件下的單軸壓縮實驗,試驗研究干濕循環條件下對巖性、巖石變形特性、力學參數的影響。

1 干濕循環條件下巖石單軸壓縮試驗

1.1 試驗設備與試件加工

試驗設備采用M TS公司生產的M TS815巖石力學測試系統。該儀器主要用于測試固體材料在復雜應力條件下的力學與滲流特性,可以進行巖石的劈裂試驗、單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗、循環加卸載試驗、滲透性試驗等。儀器的軸向最大載荷 2800kN,圍壓最大 80M Pa,孔壓最大80M Pa,溫度最高200℃,可采用力、位移、軸向應變、橫向應變控制方式,測試的精度高,性能穩定。

巖樣通過鉆、切、磨等工序,加工成<50mm×100mm圓柱體,要求:兩端面平行度≤0.002mm,垂直度≤0.01mm/(1000mm),表面平整度≤±0.1mm/(100mm)。

1.2 試驗方法

1)實驗巖樣有砂巖和頁巖,每一種巖性的試件加工5組,每組3～5個試件,并測定出試件的直徑和高度。

2)將試件放入烘箱烘干12h,溫度為60℃。然后取出冷卻后放入水中浸泡12h,稱為1次干濕循環。砂巖試件進行了1、3、6、9、12次干濕循環。因頁巖完全浸入水中會破壞,采用噴水的方法吸水,頁巖試件進行了1、2、3、4次干濕循環。

3)浸泡12h后測得砂巖的含水量為3.56%,頁巖的含水量為2.65%。

4)試件循環次數達到后,將試件取出用保鮮膜包好,以防治水分蒸發。

5)將準備好的試件拿到M TS815巖石力學測試系統進行單軸壓縮試驗,實驗時采用位移控制,加載速度為0.1 mm/min。實驗中采集軸向力、軸向應變、橫向應變、時間等參數。

1.3 干濕循環條件下巖石的變形特性

干濕循環條件下砂巖、頁巖的單軸壓縮試驗部分結果如圖1所示。從圖1中可以看出:巖石應力-應變全過程曲線可以分為4個階段,即初始壓密、彈性變形、應變硬化和應為軟化階段。初始壓密階段軸向應變大于橫向應變,體應變增加,試件體積縮小,巖石被壓密,部分裂隙閉合。彈性變形階段軸向應變大于橫向應變,體應變增加,試件體積不斷縮小,巖石表現出明顯的線彈性。應變硬化階段軸向力與軸向應變為非線性關系,這個階段體應變有一個最大值,這個點對應的應力就是屈服應力,屈服點以前試件的體應變都在增大,試件體積縮小,過了屈服點之后,試件的橫向變形迅速增加,體應變開始減小,試件體積開始增大,到峰值時,體應變趨于零,試件又恢復原體積。這個階段巖石內部開始產生微裂隙,且裂隙隨加載載荷增加加速擴展,最終裂隙匯合貫通使巖石破裂。應為軟化階段試件體積膨脹,體應變為負值,說明試件體積大于原體積。試件破裂后,巖石的承載能力沒有完全喪失,還具有一定的承載能力,強度減弱到殘余強度。

干濕循環次數增加,試件的橫向變形與軸向變形增大,峰值點對應的軸向應變增大,產生的原因是水的軟化作用和干濕循環對巖石的風化作用。巖石的單軸壓縮試驗破壞方式如圖2所示。由圖2可以看出:試件的破壞形式有剪切破壞和劈裂破壞。

1.4 干濕循環條件下巖石的力學特性

干濕循環條件下巖石的單軸壓縮試驗力學特性表1、圖3～圖6。實驗研究得出:

1)試件在干濕循環實驗過程中,砂巖未發現裂紋,頁巖產生一些宏觀的裂紋,且裂紋數隨干濕循環次數增加而增加。

2)從表1中可以看出:巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、E50模量隨干濕循環次數增加而減小,頁巖的泊松比隨干濕循環次數增加而增大,干濕循環次數對砂巖的泊松比影響不明顯。對于砂巖:1次循環單軸抗壓強度是12次循環的1.65倍,1次循環彈性模量是12次循環的2.03倍;1次循環E50模量是12次循環的2.92倍。對于頁巖:1次循環單軸抗壓強度是4次循環的1.57倍,1次循環彈性模量是4次循環的1.91倍;1次循環 E50模量是4次循環的2.17倍。

3)干濕循環次數對巖石力學特性的影響很明顯,其原因是在干燥過程中,溫度作用使試件產生軸向與徑向膨脹,巖石結構發生微小的變化。在水浸泡過程中,水從試件表面的裂隙、孔隙進入巖石內部,潤濕了巖石的礦物顆粒,水分子作用軟化了巖石的物理狀態,削弱了顆粒之間的聯系,使得力學參數降底。

4)從圖3～圖6中可以看出:巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、E50模量與干濕循環次數呈對數函數關系,相關性很好。