干濕循環條件下砂巖強度劣化試驗研究*

張 鵬 柴肇云

(太原理工大學采礦工藝研究所)

水是影響巖石力學性質的重要因素之一［1］。近年來隨著礦業工程、巖土工程、水電工程的飛速發展，眾多工程領域面臨著更加復雜、嚴峻的地質環境。因地下水引發的工程失穩問題逐漸增多，水巖作用后工程的安全性、可靠性、穩定性日益成為關注的焦點。在干旱半干旱地區，由于季節性降雨、巖體周期性的飽水—風干造成巖性劣化對工程的長期穩定性有較大的影響［2-8］。因此，有必要研究周期性干濕循環對巖體強度的影響規律。目前，國內外學者對干濕循環下巖石的力學性質進行了一些研究，如顏定玉等［9］通過試驗探究了飽水時間對巖石動態參數的影響;劉新榮等［10-11］通過模擬庫岸邊坡巖體在庫水漲落情況下水巖作用的過程，指出“飽水—風干”水－巖循環作用下，砂巖黏聚力、內摩擦角和抗剪強度均隨循環次數下降;薛晶晶等［12］對干濕循環下強度與波速關系的探究實驗表明縱波波速與單軸抗壓強度有很好的對應關系;王永新［13］在水對巖石力學性質的劣化試驗中得出“飽水—風干”循環過程對巖體強度參數有顯著影響。但是上述文章較少涉及干濕循環下砂巖強度的劣化機理和破壞形式。本研究以砂巖為代表設計了“飽水—風干”水－巖循環試驗，通過進行干濕循環下單軸抗壓試驗，得出了干濕循環下砂巖強度變化規律以及破裂形式。

1 巖樣與過程描述

1.1 試驗巖樣

試驗所用巖樣采自山西省忻州市保德煤礦8號煤頂板，為古生代二疊系月門溝統山西組中粒長石石英砂巖，斷面似沙糖狀，微風化。在實驗室加工成?50 mm×100 mm的試樣，為保證試樣加工精度控制在允許誤差范圍(相鄰面互相垂直，偏差不超過0.25°;相對面平行，不平行度不大于0.05 mm)內，將巖樣在雙端面磨石機上磨平。共加工試件20個，見圖1。

圖1 砂巖巖樣

1.2 試驗過程

試驗時，采用自然吸水飽和法，首先將試件侵入蒸餾水中，使液面高出巖樣上表面，待24 h后取出，此時試件已經完全飽和，然后將試件置于DZF－6020真空干燥箱中，將溫度保持在105℃不變，開啟除濕干燥風機，10 h后取出，冷卻至室溫。至此完成一個干濕交替過程。試驗時隨機從20個試件中取15個加工較理想的試件進行循環試驗。以下為了敘述方便，把初始加工好的、沒有在室內經過干濕水巖作用的試件稱為干燥狀態試件，即經過0次干濕交替作用的試件。等此循環結束后，開啟下一循環，如此反復，共進行7次干濕循環。

在室內對經不同次“飽水—風干”分組試件用微機控制電液伺服萬能試驗機進行力學參數測定。試驗軸向加載方式均采用位移控制，控制其加載速率為0.005 mm/s，試件加載過程中，注意觀測試件破裂過程，并對破裂圖像做好記錄。

2 砂巖強度劣化規律

2.1 試驗結果分析

表1為經歷不同干濕循環砂巖單軸抗壓強度試驗結果。圖2為經歷不同干濕循環砂巖壓縮破壞全過程應力－應變曲線。鑒于篇幅限制，取每組1號試樣，從圖2中可以看出:不論是干燥狀態的試件還是經過不同次數干濕循環之后的試件，其應力－應變曲線變化趨勢與宏觀力學試驗［14］類似，大致可分為4個主要階段:①微裂隙壓密階段;②線彈性變形階段;③彈塑性變形階段;④應變軟化階段。到達峰值強度之前，各試件的應力－應變曲線形狀基本相似，經過干濕循環作用后試件峰值強度降低。峰值強度之后，初始狀態試件應力下降比較快，而經過干濕交替作用的試件，下降比較慢，形成一些下降臺階。由此可見，砂巖所能承受的最大應力隨著干濕循環次數的變化而變化，隨著循環次數的增加，強度發生大幅度的劣化，衰減程度顯著。干濕循環對砂巖的強度有很大的影響，在水巖相互相互作用下，砂巖的強度和變形發生了不可逆的漸進性損傷。

表1 單軸抗壓試驗結果

圖2 砂巖單軸抗壓應力－應變曲線

圖3為砂巖峰值強度擬合曲線。由表1和圖3可以看出，砂巖的強度隨干濕循環次數的增加強度逐漸降低，而且在第1次干濕作用之后，巖石的強度有大幅度的降低，但隨著循環次數的增加其強度降低的幅度逐漸減小，峰值強度的變化趨勢類似于指數形式變化，即

式中，σc為峰值強度，MPa;A，B為擬合參數;n為干濕循環交替的次數。

圖3 砂巖峰值強度擬合曲線

擬合結果為

從擬合曲線中也能反映峰值強度這種變化規律。

通過實時觀測干燥及干濕交替作用下試件破裂的全過程，可以得到，經過干濕循環作用后試件破裂快，失穩破壞所需要的荷載小，試件的脆性降低，干濕交替作用下對巖石產生損傷。為了定量描述干濕循環對砂巖強度的影響規律，在此，引入劣化度的概念，劣化度

式中，σc(0)為巖樣干燥狀態下單軸抗壓強度，MPa;σc(n)為巖樣某次循環后的單軸抗壓強度，MPa;

表2為砂巖的劣化程度隨循環次數的變化的結果。由表2可知，總劣化度隨著循環次數的增加而增大，第1次干濕循環后單軸抗壓強度下降4.95%，循環7次以后單軸抗壓強度下降21.46%。從總的劣化度來看，干濕循環對砂巖強度影響很大，砂巖的抗壓性能在干濕循環以后對水表現敏感。隨著循環次數的增加，水對巖石的侵蝕程度增強，在水－巖作用下，砂巖的弱化性明顯，劣化程度高。

表2 砂巖的劣化程度隨循環次數的變化

2.2 劣化機理解釋

巖石內部往往存在著大量分布的微觀裂隙，如微裂紋、裂隙分布區等，為水－巖物理、化學作用、滲透作用創造條件。巖石試樣浸泡時，一方面，在水壓力的作用下，在裂紋端點處產生的應力集中，引起裂紋的擴張、擴展，有利于水分子沿著微裂紋、微裂隙和顆粒之間接觸面等向巖體內部滲透，降低了巖體的內摩擦系數和凝聚力。另一方面，水巖作用下巖體內部膠結物質的溶蝕導致顆粒間的黏結減弱。而被溶解的礦物將使更多的水填充裂隙，加速對微裂紋尖端的沖蝕，并增加尖端的應力，助長劣化的進一步發展，尤其在干濕循環作用下，水巖相互作用更加明顯。巖石內部孔隙率的逐漸增加使得每次循環后水的侵蝕程度加深，直到完全將巖石浸透，造成其力學參數大幅降低。同時，劣化后的巖石內部結構發生改變，從而促進水巖相互作用的進行。水－巖循環作用下，砂巖強度的變化反映了水對砂巖的作用是一個損傷累積并擴大發展直至破壞的漸變過程。

2.3 破裂形式

為探求干濕循環對砂巖破壞形式的影響，取初始干燥試件與干濕循環后試件破碎一部分照片進行對比，照片見圖4。整個加載過程中，初始的裂紋基本與軸向平行，隨著軸向荷載的增加，裂紋逐步擴展延伸到試件的兩端，延伸過程中，裂紋的走向發生了改變，一部分裂紋變成剪切裂紋，同時形成分叉，衍生出兩條新的剪切裂紋。通過對比干濕循環前后破碎情況可以得出，干濕交替作用對巖石內部結構產生了損傷，在“飽水—風干”過程中，膠結物會不斷經歷膨脹和收縮作用，導致巖石孔隙率增大，進而使得每次干濕循環作用下水對砂巖的侵蝕程度增加，直至將巖石完全浸透。造成砂巖的強度降低，劣化度高。因而在試樣破裂過程中，經過干濕交替作用后巖樣更容易在較低的應力狀態下發生破壞。

圖4 干濕循環前后巖樣破碎照片

3 結論

(1)從單軸抗壓試驗應力－應變關系曲線可知，達到峰值強度之前，各試件的應力－應變曲線形狀基本相似，經過干濕交替作用后試件峰值強度降低。峰值強度之后，初始狀態試件應力下降比較快，而經過干濕交替作用的試件，下降比較慢，形成一些下降臺階。水巖相互作用對砂巖的劣化效應明顯，干濕循環對砂巖造成了不可逆的漸進性損傷。

(2)砂巖的強度隨干濕循環次數的增加強度逐漸降低，而且在第1次干濕作用之后，巖石的強度有大幅度的降低，但隨著循環次數的增加其強度降低的幅度逐漸減小，峰值強度的變化趨勢類似于指數形式變化。而劣化度隨著循環次數的增加而增大，第1次干濕循環后單軸抗壓強度下降4.95%，循環7次以后單軸抗壓強度下降21.46%。

(3)干濕交替作用對巖石內部結構產生了損傷，在“飽水—風干”過程中，膠結物會不斷經歷膨脹和收縮作用，導致巖石孔隙率增大，進而使得每次干濕循環作用下水對砂巖的侵蝕程度增加，直至將巖石完全侵透。造成砂巖的強度降低，劣化度高。因而在試樣破裂過程中，經過干濕交替作用后巖樣更容易在較低的應力狀態下發生破壞。

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