南寧電廠白堊系碎屑巖的強度和變形特征研究

劉發祥 安源遠 唐升貴

(貴州有色地質工程勘察公司，貴州貴陽 550005)

巖石強度是各種巖石分類及其地下工程穩定性計算的主要指標，巖石應力應變關系及其破壞特征是研究巖石本構方程的基礎，是巖石變形計算的依據，是數值計算不可缺少的基本數據[1]。由于巖石成因及其本身組構的復雜性，造成了巖石力學性質與其他人工材料相比有著更為顯著的不均質性和各向異性[2]，因此，巖石力學性質試驗仍是當前工程應用上需要研究的重要內容。巖石的強度和變形特性除受試驗條件、試驗方法影響外，還與其本身組構，如礦物成分、晶體特征、膠結性質、顆粒大小及聯結方式、層理及裂隙的性質和方向等因素密切相關[3，4]，碎屑巖由于物質來源復雜、沉積環境多樣[5]，造成其組構更為復雜多樣、力學性質差異顯著，因此對碎屑巖強度和變形特性的研究仍有實際工程意義以及一定理論價值。本文對廣西南寧電廠新建工程場地的白堊系下統泥質粉砂巖、含礫中至粗砂巖和礫巖樣品進行單軸抗壓強度以及變形破壞特征進行研究，旨在為類似工程應用提供一定的參考。

1 試驗樣品及其巖性特征

試驗樣品巖性特征如下:Ⅰ組:共5段巖樣，編號為C114-1～C114-5，泥質粉砂巖，黃～紫紅色，傾角20°左右的層理發育，間距在1 cm以內，節理裂隙不發育，弱風化狀態，以泥質膠結為主，質地均勻，嵌晶結構，層理構造。Ⅱ組:共7段巖樣，編號為C116-1～C116-7，含礫中至粗砂巖，淺灰色，發育傾角20°左右的層理，層理間距在2 cm左右，節理裂隙不發育，弱風化狀態，以泥質或鈣質膠結為主，嵌晶結構，層理構造。Ⅲ組:共8段巖樣，編號為C120-1～C120-8，含礫中至粗砂巖，黃～淺灰色，發育傾角20°左右的層理，層理間距1 cm～1.5 cm，節理裂隙不發育，弱風化狀態，以泥質或鈣質膠結為主，嵌晶結構，層理構造。Ⅳ組:共6段巖樣，編號為C207-1～C207-6，礫巖，淺灰色，層理、節理裂隙不發育，弱風化狀態，以泥質或鈣質膠結為主，母巖主要為灰巖或白云巖，礫石棱角較明顯，粒狀結構，塊狀構造。Ⅴ組:共7段巖樣，編號為C212-1～C212-7，礫巖，淺～深灰色，層理、節理裂隙不發育，弱風化狀態，以泥質或鈣質膠結為主，母巖主要為灰巖或白云巖，礫石棱角較明顯，粒狀結構，塊狀構造。

2 試驗方法及過程

試件制作與試驗依據GB/T 50266-99工程巖體試驗方法標準規定的方法完成[6]。

2.1 試件制作方法

試驗試件經過鉆取、切割、磨平三個環節制備而成。試件鉆取、切割成型后，置于磨石機上進行打磨加工，在鉆取、切割與打磨過程中全程淋水冷卻鉆石機鉆頭、金剛石圓鋸片及磨石機砂輪。成型后試件直徑一般為49.52 mm～71.80 mm，高徑比為1.39～2.06，未達標準試件的巖樣測試結果采用修正公式的修正結果提出。

2.2 試件的烘干與飽和

將需烘干試件在105℃ ～110℃的恒溫下烘24 h，放入干燥容器內冷卻至室溫后稱量試件質量。重復以上操作直至相鄰兩次稱量之差不超過后一次稱量的0.1%。采用真空抽氣法飽和試件，飽和試件的容器內的水面高于試件，抽氣時間控制在4 h以上。經真空抽氣的試件在原容器內放置4 h。

2.3 單軸壓縮變形及抗壓強度試驗過程

測試程序為:將試件置于試驗機上下加壓板之間，使試件的縱軸與加壓板的中心一致;開動壓力試驗機，當上壓板與試件接近時，調整球座，使試驗機的加壓板與試件的端面緊密、均勻地接觸;以每秒0.5 MPa～1.0 MPa的加荷速率均勻、連續地加荷。在加載過程中，逐級讀取荷載和相應的縱向變形值，待儀器顯示荷載峰值出現后，表明試件已受壓破壞，即停止試驗，并記錄破壞荷載值。將試件的破壞荷載除以試件的承壓面積即為試件的抗壓強度，選取試件應力—縱向應變曲線上的直線段計算巖石彈性模量。

3 強度和變形破壞特征分析

3.1 試驗成果

本次研究共制作43個試件，其中，15個做天然抗壓強度試驗，14個試件做飽和單軸抗壓強度試驗，14個試件做烘干抗壓強度試驗，同時測量試件的單軸豎向變形。5組試件的試驗成果經統計分析后匯總于表1。

表1 單軸抗壓強度及彈性模量試驗成果統計表

3.2 巖石單軸抗壓強度特征

根據表1的統計結果，繪制泥質粉砂巖、含礫中至粗砂巖及礫巖的單軸抗壓強度條形圖如圖1所示。

從表1和圖1可看出:1)三種巖石盡管其粒度組成不同，但均具有烘干狀態的單軸抗壓強度大于天然狀態的單軸抗壓強度、天然狀態的單軸抗壓強度大于飽和狀態的抗壓強度這一共同特征，說明三種碎屑巖的單軸抗壓強度受巖石含水量的影響很大;2)天然狀態下，泥質粉砂巖的單軸抗壓強度比含礫砂巖和礫巖的小得多，而含礫砂巖與礫巖的單軸抗壓強度差別不大;3)烘干狀態下，泥質粉砂巖的單軸抗壓強度較天然狀態增幅最大，含礫砂巖次之，而礫巖的增幅最小;4)三類巖石的彈性模量大小依次為礫巖＞含礫中至粗砂巖＞泥質粉砂巖。

圖1 三類巖石的單軸抗壓強度條形圖

3.3 巖石單軸豎向變形及破壞特征

本次試驗的5組三類巖石的縱向應力應變關系曲線及破壞特征如圖2～圖11所示。

圖2 Ⅰ組泥質粉砂巖的應力應變關系曲線

圖3 Ⅰ組泥質粉砂巖試件破壞特征

圖4 Ⅱ組含礫中至粗砂巖的應力應變關系曲線

圖5 Ⅱ組含礫中至粗砂巖試件破壞特征

對比分析圖2～圖11可得出以下認識:

1)泥質粉砂巖存在節理面時，主要沿節理面發生剪切破壞(試件114t1)，無節理面時沿縱向發生脆性斷裂破壞，呈現拉破壞的特征(試件114t2，114t3)，且前者發生破壞時的應變和峰值抗壓強度均比后者小得多，應力應變曲線顯示塑—彈性的特征，說明巖石經歷層理面和空隙的閉合和壓密過程后表現為脆性彈性材料的性質。

2)含礫中至粗砂巖表現為脆性剪切破壞(試件120t1)和縱向脆性斷裂破壞兩種特征，呈現剪切破壞和拉破壞兩種性質，但以拉破壞為主。由于受含礫的影響，破裂面與質地較均勻的泥質粉砂巖相比有一定差異，破裂面往往呈現繞過礫石的起伏彎曲特點，且總應變相對要小。應力應變關系曲線顯示塑—彈性的特征，表明該類巖石也經歷了層理面和空隙的閉合和壓密過程。

3)礫巖的破壞兼有縱向拉裂和橫向鼓脹兩種破壞特征，拉裂面主要沿礫石間的充填物和膠結物延展，且破裂面不止一個，峰值強度后仍具有一定的承載能力，表現為延性巖石的特征。應力應變關系曲線顯示塑—彈—彈塑—塑性的特征，表明該類巖石的破壞經歷壓密→彈性能集聚→基質或膠結物拉裂→礫石重排列→礫石剪切滑動的復雜過程。

圖6 Ⅲ組含礫中至粗砂巖的應力應變關系曲線

圖7 Ⅲ組含礫中至粗砂巖試件破壞特征

圖8 Ⅳ組礫巖的應力應變關系曲線

圖9 Ⅳ組礫巖試件破壞特征

圖10 Ⅴ組礫巖的應力應變關系曲線

圖11 Ⅴ組礫巖試件破壞特征

4)總體而言，三類巖石相比，達到破壞前，泥質粉砂巖的變形最大，含礫中至粗砂巖次之，礫巖變形最小。

4 結語

通過本文研究得出幾點認識:1)碎屑巖的組構不同，其單軸抗壓強度受含水量的影響表現出明顯差異，因此，工程上應重視水對碎屑巖力學性質的影響研究;2)碎屑巖的組構不同，其力學性質差異較大，呈現不同的破壞特征，泥質粉砂巖和含礫砂巖一般以縱向拉裂破壞為主，當有弱面存在時，可能發生沿弱面的剪切破壞，而礫巖的破壞情況復雜，兼有縱向多面拉裂和橫向鼓脹兩種破壞特征;3)碎屑巖的組構不同，其變形特征差異顯著，總體而言，達到破壞前，泥質粉砂巖的變形量最大，含礫中至粗砂巖次之，礫巖最小;4)泥質粉砂巖和含礫中至粗砂巖的應力應變關系為塑—彈性類，而礫巖的為塑—彈—彈塑—塑性類，前者表現為脆性巖石的性質，而后者則表現出延性巖石的特征。

[1] 賀永年，韓立軍，王衍森.巖石力學簡明教程[M].徐州:中國礦業大學出版社，2010.

[2] 蔡美峰，何滿朝，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社，2002.

[3] 徐志英.巖石力學[M].第3版.北京:水利電力出版社，1993.

[4] 吳德倫，黃質宏，趙明階.巖石力學[M].重慶:重慶大學出版社，2002.

[5] 孫永傳，李蕙生.碎屑巖沉積相和沉積環境[M].北京:地質出版社，1986.

[6] GB/T 50266-99，工程巖體試驗方法標準[S].