干濕循環(huán)泥巖強(qiáng)度折減規(guī)律與損傷分析

何 葉

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

干濕循環(huán)泥巖強(qiáng)度折減規(guī)律與損傷分析

何 葉

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

以泥巖為例，設(shè)計了干濕循環(huán)試驗，采用三軸試驗與劈裂試驗，測試了不同循環(huán)次數(shù)下巖樣的抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度指標(biāo)．通過對天然狀態(tài)及不同循環(huán)次數(shù)下實測強(qiáng)度指標(biāo)的擬合分析，研究了干濕循環(huán)泥巖強(qiáng)度指標(biāo)的折減規(guī)律；基于等效應(yīng)變假定，結(jié)合三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，對損傷特性進(jìn)行了分析．研究結(jié)果表明：泥巖遇水強(qiáng)度變化明顯，循環(huán)一次后單軸抗壓強(qiáng)度折減率達(dá)到了36.6%，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各項強(qiáng)度指標(biāo)都呈較平穩(wěn)的下降趨勢，折減規(guī)律基本符合指數(shù)分布；干濕循環(huán)過程也是損傷累積的過程，損傷變量的變化規(guī)律反映了泥巖的損傷特性與圍壓大小和循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性，干濕循環(huán)2次以后累積損傷超過了50%，循環(huán)3次試樣呈局部松散狀．

泥巖；干濕循環(huán)；強(qiáng)度折減；累積損傷

巖石強(qiáng)度是評價巖石工程穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，對水域工程巖體，受水位變化影響，難免長期處于干濕循環(huán)的環(huán)境下，水巖循環(huán)作用對巖體強(qiáng)度的影響不可避免，水-巖相互作用研究也是巖土工程中的前沿課題之一．不少學(xué)者做了這方面研究：周翠英[1]等對華南地區(qū)的紅色砂巖、泥巖及黑色炭質(zhì)泥巖進(jìn)行了泡水試驗研究，并將巖石軟化的試驗參數(shù)應(yīng)用到了廣東省東深供水改造工程的邊坡穩(wěn)定性分析；黃宏偉[2]等通過掃描電鏡與X射線衍射儀研究了泥巖遇水軟化過程中微觀結(jié)構(gòu)隨時間變化的動態(tài)特征；曾勝[3]等研究了干濕循環(huán)作用下紅砂巖的強(qiáng)度衰減規(guī)律，并推廣應(yīng)用到了邊坡穩(wěn)定性分析方面；董波[4]等研究了泥巖路基填料的干濕循環(huán)效應(yīng)，對強(qiáng)度衰減規(guī)律進(jìn)行了分析．在外載或環(huán)境作用下，由細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷(如微裂紋、微孔隙等)萌生、擴(kuò)展等不可逆變化引起的材料或結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能的劣化稱為損傷，因此可以通過研究強(qiáng)度指標(biāo)的變化來來描述定義巖石的損傷程度．曹文貴[5]等人基于統(tǒng)計損傷理論與應(yīng)變等效性原理，研究提出了巖石微元強(qiáng)度的表示方法，據(jù)此修正了損傷變量D的計算；傅晏[6]等對重慶地區(qū)的微風(fēng)化砂巖進(jìn)行了泡水試驗，試驗結(jié)果表明，干濕循環(huán)對砂巖造成了不可逆的漸進(jìn)性損傷，并對單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的損傷程度進(jìn)行了定量分析；許寶田[7]等結(jié)合三軸試驗，對不同圍壓下泥巖的損傷特性進(jìn)行了研究；謝吉尊[8]等考慮了飽水對泥巖變形強(qiáng)度與破壞形式的影響，從能量變化方面研究了泥巖力學(xué)強(qiáng)度隨滑帶損傷變形的衰減效應(yīng)．以往研究結(jié)果表明，水巖相互作用會劣化巖體強(qiáng)度，給工程帶來不利影響，尤其對含有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡，更應(yīng)該考慮水位變化引起的干濕循環(huán)作用．基于此，以泥巖為例，設(shè)計了干濕循環(huán)試驗，對長期處于干濕循環(huán)狀態(tài)的臨水面巖體的強(qiáng)度折減規(guī)律與損傷特性進(jìn)行了研究．

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康呐c選樣

根據(jù)依托工程地質(zhì)情況和地勘報告，依托工程的下臥基巖為三疊系中統(tǒng)百逢組第三段及第四段(T2b3、T2b4)砂巖、泥巖地層，由于上覆粘土層分布厚度較小，局部泥巖、砂巖出露，基巖風(fēng)化差異大，泥巖、砂巖多互層和夾層，巖性變化大．同時，特有的水文地質(zhì)環(huán)境決定了港域內(nèi)工程環(huán)境的復(fù)雜性，為了研究水利工程運營期相關(guān)結(jié)構(gòu)物長期穩(wěn)定性，就必須研究受水位變化影響下巖石基礎(chǔ)的力學(xué)性質(zhì)，掌握相關(guān)指標(biāo)的變化規(guī)律，基于此，選擇泥巖來進(jìn)行干濕循環(huán)試驗研究．試樣采用鉆心取樣后切割打磨而成，根據(jù)規(guī)范，將泥巖試樣加工成了2種尺寸，見圖1﹒其中25個50 mm×100 mm的圓柱體三軸試驗試樣(a)；15個尺寸為50 mm×30 mm的圓柱體劈裂試驗試樣(b)．編號以后將巖樣按每8個1組(包括5個三軸試件和3個劈裂試件)，共分為5組．

圖1 泥巖試樣

2.2 干濕循環(huán)試驗設(shè)計

結(jié)合依托工程水文氣象資料，年水位變化情況如圖2所示．以215 m水位為分界點，該區(qū)域的巖體年泡水時間與風(fēng)干時間比約為8︰4，進(jìn)行室內(nèi)試驗時，將水位變化周期等效為干濕循環(huán)周期進(jìn)行設(shè)計．

圖2 年水位變化規(guī)律曲線

按比例，將一次循環(huán)時間設(shè)為12 d，其中泡水時間為8 d，風(fēng)干時間為4 d，設(shè)計了五個工況(天然狀態(tài)取1組，定為工況1，其余4組分別循環(huán)泡水1～4次，即工況2至工況5)，每個工況取1組試樣進(jìn)行試驗．

2.3 試驗方案

巖石材料的力學(xué)性質(zhì)主要體現(xiàn)在其強(qiáng)度指標(biāo)和變形特性方面，這方面的研究工作也比較多，根據(jù)地勘資料可以查找?guī)r石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值．本文對不同循環(huán)次數(shù)下，巖石抗壓、抗拉、剪切強(qiáng)度進(jìn)行了測試與計算．采用巖石三軸試驗方法測試相關(guān)力學(xué)指標(biāo)時，每組測試5個試樣，圍壓分別設(shè)置為 5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa 5個等級．通過三軸試驗可直接獲得由軸向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力(圍壓)繪制的最佳關(guān)系曲線，然后可根據(jù)系統(tǒng)輸出的巖樣破壞過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線推算各個階段的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ等參數(shù)，最后根據(jù)計算的c、φ值，推算不同工況下巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度．由劈裂試驗可以直接測試抗拉強(qiáng)度．通過對試驗數(shù)據(jù)的整理、計算和對比分析，研究巖石力學(xué)參數(shù)隨干濕循環(huán)周期的變化規(guī)律．試驗過程中需要采集的主要力學(xué)參數(shù)及其對應(yīng)的測試方法如表1所示﹒

表1 力學(xué)指標(biāo)和測試方法

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

對不同工況下實測三軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行換算以后，得到泥巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度見表2﹒

表2 單軸抗壓強(qiáng)度記錄

其中循環(huán)4次后泥巖試樣已局部松散，不能繼續(xù)試驗．對實測值的擬合分析結(jié)果見圖3．

圖3 抗壓強(qiáng)度曲線

對照圖3的擬合結(jié)果，得到循環(huán)次數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系式如下：

式中：cσ為單軸抗壓強(qiáng)度；n為干濕循環(huán)次數(shù)．

從擬合關(guān)系式可以發(fā)現(xiàn)，泥巖的抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化基本上符合指數(shù)變化規(guī)律．隨著循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，第1次泡水后強(qiáng)度折減幅度最大，達(dá)到36.6 %，后期折減幅度逐漸變小，循環(huán)4次后泥巖試樣基本成松散狀，干濕循環(huán)對泥巖強(qiáng)度影響非常明顯．

3.2 抗拉強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

由劈裂試驗測得不同工況下的抗拉強(qiáng)度值見表 3，對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后得到的抗拉強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線見圖4．

對應(yīng)的擬合關(guān)系式為

式中：tσ表示抗拉強(qiáng)度．

表3 抗拉強(qiáng)度記錄表

圖4 抗拉強(qiáng)度曲線

可見，自然狀態(tài)下泥巖的抗拉強(qiáng)度較小，初次泡水后抗拉強(qiáng)度折減明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，折減率逐步減小，趨于平緩．整體變化情況也基本符合指數(shù)變化規(guī)律．

3.3 抗剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

巖石的抗剪強(qiáng)度主要通過黏聚力和內(nèi)摩擦角來反映，結(jié)合三軸試驗結(jié)果，計算出不同循環(huán)次數(shù)下泥巖的c、φ值見表4．

表4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值

對表 4的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后得到c、φ值隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線見圖5，擬合關(guān)系式

式中：c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角．

圖5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值變化曲線

由圖5的關(guān)系曲線，可見泡水初期強(qiáng)度參數(shù)明顯減小，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度曲線趨于平緩．內(nèi)摩擦角泡水前后變化幅度小，3次循環(huán)后減小了9.7 °；黏聚力泡水前后變化明顯，循環(huán)3次后累計折減率達(dá)到了 52.8%，幅度較大．?dāng)M合曲線基本符合指數(shù)變化規(guī)律．實際工程中，黏聚力大小直接影響巖體抗剪切破壞能力，干濕循環(huán)引起巖體抗剪強(qiáng)度快速、大幅度折減現(xiàn)象是工程巖體變形破壞的根本原因，是工程隱患所在．

3.4 損傷特性分析

基于應(yīng)變等效性原理，假定巖石微元的強(qiáng)度服從 Weibull分布，可以求解其概率密度函數(shù)，用來表示損傷變量D，因此，要分析巖石的損傷特性，需要確定巖石微元強(qiáng)度．許寶田[7]等基于文獻(xiàn)[5]的巖石微元強(qiáng)度表示方法，假設(shè)損傷變量與主應(yīng)力差呈雙曲線函數(shù)關(guān)系，建立模型方程式

式中，a、b為試驗常數(shù)；為主應(yīng)力差．

利用以上公式，對文獻(xiàn)[7]的擬合公式進(jìn)行修正，結(jié)合本文三軸試驗結(jié)果，可以計算分析不同圍壓及干濕循環(huán)次數(shù)下泥巖試樣的損傷指標(biāo)D．計算結(jié)果如表5所示．

表5 泥巖損傷變量計算值

結(jié)果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，泥巖損傷積累速度快，呈線性增長趨勢，循環(huán)3次后局部松散，基本失去承載能力．泥巖的損傷特性與圍壓大小相關(guān)，圍壓增大泥巖脆性減弱，非線性增強(qiáng)，同一工況下，圍壓增大，主應(yīng)力差增大，損傷指標(biāo)隨圍壓增大而有所提高；同一圍壓對應(yīng)不同干濕循環(huán)次數(shù)時，損傷指標(biāo)呈增大趨勢．可見水-巖循環(huán)作用一定程度改變了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，干濕循環(huán)2次以后累積損傷超過50%．

4 結(jié)語

(1)通過干濕循環(huán)和參數(shù)測試試驗，對不同循環(huán)次數(shù)下泥巖的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、c、φ值等力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測試、計算，并對實測參數(shù)進(jìn)行了擬合分析．研究結(jié)果表明：干濕循環(huán)對泥巖強(qiáng)度指標(biāo)影響明顯，循環(huán)一次后單軸抗壓強(qiáng)度折減率達(dá)到了36.6 %，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各項強(qiáng)度指標(biāo)都呈較平穩(wěn)的下降趨勢，折減規(guī)律基本符合指數(shù)分布；

(2)干濕循環(huán)過程也是損傷累積的過程，損傷變量的變化規(guī)律反映了泥巖的損傷特性與圍壓大小和循環(huán)次數(shù)相關(guān)．圍壓增大泥巖脆性減弱，非線性增強(qiáng)，水-巖循環(huán)作用一定程度改變了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性．

(3)對于水域巖體而言，水位變化會導(dǎo)致工程巖體長期處于干濕循環(huán)狀態(tài)，這種現(xiàn)象將引起工程巖體的強(qiáng)度折減與損傷累積，危及上部結(jié)構(gòu)物，帶來工程隱患，應(yīng)該予以高度重視．

[1]周翠英, 鄧毅梅, 譚祥韶, 等. 飽水軟巖力學(xué)性質(zhì)軟化的試驗研究與應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005, 24(1): 33-38.

[2]黃宏偉, 車平. 泥巖遇水軟化微觀機(jī)理研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2007, 35(7): 733-733.

[4]曾勝, 李振存, 陳涵杰, 等. 干濕循環(huán)下紅砂巖強(qiáng)度衰減規(guī)律及工程應(yīng)用[J]. 長沙理工大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2011, 8(4):18-23.

[4]董波, 汪洪星, 左清軍, 等. 泥巖路基填料強(qiáng)度的干濕循環(huán)效應(yīng)[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2016, 38(1): 37-40.

[5]曹文貴, 趙明華, 劉成學(xué). 基于統(tǒng)計損傷理論的莫爾-庫侖巖石強(qiáng)度判據(jù)修正方法之研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005,24(14): 2403-2408.

[6]傅晏, 劉新榮, 張永興, 等. 水巖相互作用對砂巖單軸強(qiáng)度的影響研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2009, 36(6): 54-58.

[7]許寶田, 錢七虎, 閻長虹, 等. 泥巖損傷特性試驗研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 2010, 18(4): 534-537.

[8]謝吉尊, 馮文凱, 胡云鵬, 等. 天然和飽水狀態(tài)下泥巖力學(xué)性質(zhì)及損傷變形能量特征分析[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2016,43(3): 66-72.

(責(zé)任編校：徐贊)

Strength Reduction and Damage Analysis of Mudstone in Dry and Wet Circulation

HE Ye
(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

Taking the mudstone as an example, the wet and dry cycle test was designed. The compressive strength, shear strength and tensile strength of the rock samples were tested by triaxial test and splitting test.the reduction law of the wet and dry mudstone strength index is studied, with the fitting analysis of the natural strength and the measured strength index under different cycles. Based on the equivalent strain assumption,the damage characteristics are analyzed combining with the stress - strain curve of the triaxial test. The results show that: The strength index of the mudstone changes obviously after encountering water, the uniaxial compressive strength reduction rate reached 36.6% with the first cycle. With the increase of the number of cycles, the intensity indexes showed a declining trend, and the reduction law basically accorded with the exponential distribution. Dry and wet cycle process is also the process of damage accumulation, the variation of the damage variable reflects the correlation between the damage characteristics of the mudstone and the size of the confining pressure and the number of cycles. After the second wet and dry cycle, the accumulated damage is more than 50%, and then the sample is loose.

mudstone; dry- wet cycle; strength reduction; cumulative damage

TU45

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0006

1672–7304(2017)03–0025–04

2017-04-27

湖南城市學(xué)院科技計劃項目(2015xj03)

何葉(1984-)，女，湖南益陽人，講師，主要從事水工結(jié)構(gòu)與巖土基礎(chǔ)研究﹒E-mail: heye.1984@163.com.