循環(huán)孔隙水壓力對裂隙巖體的影響

汪沖+郭永成+唐樂+朱千凡

摘要：裂隙巖體的孔隙水壓力對于庫岸邊坡巖體的強度和穩(wěn)定性有著重要的影響。在許多邊坡工程當(dāng)中都會遇到循環(huán)孔隙水壓力的問題，本文簡單地介紹了裂隙巖體孔隙水壓力的形成，同時采用三軸流變儀對砂巖進行常規(guī)三軸壓縮試驗和循環(huán)孔隙水壓作用試驗。將兩個試驗進行對比發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過水壓循環(huán)作用后，砂巖在不同圍壓下的抗壓強度均出現(xiàn)了不同程度的下降，說明循環(huán)孔隙水壓對裂隙砂巖的強度造成了影響。同時，不同的圍壓砂巖強度的下降幅度不同，圍壓越大，抗壓強度下降的幅度越小，這說明圍壓的大小能對循環(huán)水壓作用下的裂隙巖體穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：裂隙巖體；孔隙水壓；循環(huán)；巖體強度

中圖分類號：TU452 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）30-0159-03

0引言

庫岸邊坡長期以來的水位變化形成了一種循環(huán)的孔隙水壓力，這種循環(huán)的孔隙水壓力不斷地作用于邊坡巖體，破壞了邊坡巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響了邊坡及地基的穩(wěn)定性，因此引起了人們對孔隙水壓力作用下的邊坡穩(wěn)定性問題的高度重視。循環(huán)孔隙水壓力對邊坡巖體穩(wěn)定性的影Ⅱ向主要通過循環(huán)地對巖體裂隙施加水壓力，破壞巖體的力學(xué)性能。目前國內(nèi)有不少學(xué)者對水壓循環(huán)進行過研究，許江等利用巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)對砂巖進行三軸等圍壓情況下的循環(huán)孔隙水壓力實驗研究，對孔隙水壓力作用機理進行了分析，得出循環(huán)孔隙水壓力2個階段的作用機制。許江、王鴻（2006）等對不同加載速率、不同水飽和度、不同載荷水平時循環(huán)荷載作用下細砂巖的變形特性進行了實驗研究。黃仕超等對循環(huán)孔隙水壓力下的混凝土力學(xué)特性進行過研究，得出了循環(huán)孔隙水壓次數(shù)與混凝土峰值應(yīng)力變化的關(guān)系。張民生等對循環(huán)水壓作用下粉土滲流進行了研究，模擬了粉土在循環(huán)水壓下的滲流過程，對粉土在循環(huán)水壓下的滲流做出了分析。

由于邊坡巖體自身結(jié)構(gòu)和所賦存環(huán)境的復(fù)雜性，邊坡巖體的穩(wěn)定一直是一個難點問題，而循環(huán)孔隙水壓力是影響巖體穩(wěn)定重要因素之一。因此，本文擬就循環(huán)孔隙水壓對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響展開分析研究。

1孔隙水壓力的基本概念

隨著庫水位周期性的漲落，地下水對邊坡巖體施加孔隙水壓力作用，當(dāng)水位突然上升時，邊坡下部表面首先被淹沒，但是表面被淹沒的巖體內(nèi)部裂隙此時并未充滿水，這樣巖體內(nèi)外就形成了一個壓力差，直到所有裂隙被充滿水，巖體內(nèi)部與外部水位線一致時，這個壓力差消失。當(dāng)庫水位突然下降時，邊坡表面的水位首先下降，但是巖體內(nèi)部的水位，會相對的滯后，在這個過程中巖體內(nèi)部水位要高于外部水位，這樣在巖體中就形成一個孔隙水壓力。同時，對于巖體而言，完整巖塊的滲透率是極低的，但是裂隙巖石的滲流往往非常明顯，不同的裂縫寬度會產(chǎn)生不同的滲透率，而不同滲透率差異在巖體內(nèi)部也會形成了孔隙水壓力。在工程建設(shè)中，經(jīng)常會遇到孔隙水壓力作用于裂隙巖體的問題，當(dāng)孔隙水壓力作用于裂隙處時，巖體的強度就會降低，這將導(dǎo)致邊坡巖體的穩(wěn)定性降低，容易引發(fā)庫岸邊坡災(zāi)害。

2孔隙水壓力影響裂隙巖體的形式

裂隙巖體賦存在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中，其中孔隙水就是影響巖體力學(xué)性能的主要因素之一，孔隙水與巖體之間相互作用、相互影響，改變著巖體的物理，化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。而同時巖體性質(zhì)的改變也影響著孔隙水的物理、化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組分。

長期以來，人們通過大量的工程實踐了解到孔隙水壓力對巖體強度的影響主要為巖體中的孔隙水對巖體的物理化學(xué)作用和力學(xué)作用。就物理化學(xué)作用來說，巖體的孔隙水主要通過潤滑、溶解、侵蝕、凍融等多種水巖作用，使巖體的礦物顆粒間的粘結(jié)力減弱、摩擦力降低，最終導(dǎo)致巖體發(fā)生膨脹、崩解、易溶巖溶解和裂隙面上的填充物發(fā)生變形和位移，改變巖體的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)強度。同時，由于滲透的作用，水分子與巖體中的礦物顆粒直接接觸發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，孔隙水與巖體直接進行離子交換、水解反應(yīng)，擴大巖體的裂隙，使巖體發(fā)生膨脹和斷裂，從而使巖體的強度降低。大自然中的巖體內(nèi)部都存在著大量的裂紋，這些裂紋的存在，大大降低了巖體的抗壓、抗拉、抗剪強度及彈性模量。巖體中的孔隙水主要通過孔隙水壓力對巖體內(nèi)部裂隙的力學(xué)性質(zhì)進行影響。在孔隙水壓力的作用下，孔隙水在巖體的裂隙中運動對巖體施加了切向的體積力，使巖體中的顆粒物質(zhì)產(chǎn)生運動，進而破壞巖體結(jié)構(gòu)、降低巖體強度。

孫光永等曾提出過孔隙水對巖體的裂隙壁施加兩種力，垂直的靜水壓力和平行的動水壓力。并通過材料力學(xué)知識、運用摩爾庫倫準(zhǔn)則計算出當(dāng)巖體浸入水中時，由于孔隙水壓力的作用，巖體的抗剪強度降低值為：

而梁堯詞等通過試驗得出流動的孔隙水壓力會使巖體的裂隙寬度增加，裂隙壁受到流動的孔隙水壓力的作用，使巖體顆粒之間相互擠壓，從而導(dǎo)致巖體的寬度變大，對巖體的強度產(chǎn)生影響。

3循環(huán)孔隙水壓與裂隙巖體變形

巖石是一種由多種礦物成分組成的多孔隙復(fù)雜材料，其內(nèi)部存在著大量微觀缺陷，例如微孔隙、微裂隙等。在工程地質(zhì)環(huán)境中，巖石的變形特性和破壞特征不僅與其本身的性質(zhì)相關(guān)，還與所處地質(zhì)環(huán)境密不可分。大量水利工程大都建立在水資源豐富的地帶，經(jīng)常承受水的沖刷，這會引起邊坡巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化，不利于工程的穩(wěn)定性。解決這類問題的核心就是必須對循環(huán)孔隙水壓力與裂隙巖體變形的關(guān)系十分了解。在實際的邊坡工程當(dāng)中，庫區(qū)邊坡巖體是直接與水進行接觸的，因此巖體經(jīng)常會遇到循環(huán)孔隙水壓力的作用，由于對缺少足夠的認識和研究，因此也造成過許多嚴(yán)重的工程事故。從目前國內(nèi)外研究情況來看，大多數(shù)學(xué)者的試驗研究主要集中在應(yīng)力-滲流耦合方面，對水壓循環(huán)作用下巖石力學(xué)特性的研究相對較少。因此利用三軸流變儀進行水壓循環(huán)作用下巖石力學(xué)特性的研究具有重要意義。

試驗巖石取自三峽庫區(qū)庫岸邊坡巖石，均一程度較高，然后利用實驗室配備的鉆孔取芯機和切割機將其制成高度100mm×直徑50mm的圓柱體。

進行常規(guī)三軸壓縮試驗以得到試樣的抗壓強度。endprint

常規(guī)三軸試驗中，以0.1MPa/s的速率對巖樣施加不同圍壓，然后再以0.005mm/s速率施加軸壓至巖樣破壞，得到不同圍壓條件下的巖石的抗壓強度（如表1所示）。

循環(huán)孔隙水壓作用試驗。

三峽庫區(qū)水位常年發(fā)生變化，一般最高水位為175m，最低為145m，為了接近工程實際情況，因此設(shè)計試驗水壓為0.3MPa。試驗儀器采用三軸流變儀（如圖1所示），以0.1MPa/s的速率對試樣施加與常規(guī)三軸試驗相同的圍壓（5MPa、10MPa、15MPa、20MPa），待圍壓施加完且穩(wěn)定后對砂巖試樣以0.01MPa/min的速率施加0.3MPa的水壓，以模擬水頭為30m的消落帶水位的穩(wěn)定上升階段，待水壓達到0.3MPa后，穩(wěn)定30min，以模擬庫水位正常蓄水的相對穩(wěn)定階段，再以0.01MPa/min的速率將水壓由0.3MPa降為0，以模擬庫水位降低的階段，然后重復(fù)上述過程4次，穩(wěn)定30min，以0.005mm/s的速率加載軸向荷載至試件破壞。

砂巖試樣經(jīng)過水壓循環(huán)作用后的抗壓強度如表2所示，抗壓強度劣化程度如表3所示，試樣的抗壓強度曲線圖如圖2所示。

從表1、表2及圖2可以看出砂巖試樣的抗壓強度在有無水壓循環(huán)作用時完全不同，在沒有水壓循環(huán)作用時，砂巖在圍壓為5MPa、10MPa、15MPa、20MPa時的抗壓強度分別為145.3MPa、163.8MPa、202.7MPa、237.5MPa。在水壓循環(huán)作用后各圍壓下的抗壓強度分別為99.4MPa、117.6MPa、155.3MPa、190.7MPa。在經(jīng)過水壓循環(huán)作用后，砂巖在不同圍壓下的抗壓強度均出現(xiàn)了不同程度的下降，說明循環(huán)孔隙水壓對裂隙砂巖內(nèi)部造成了損傷，影響了抗壓強度。

從表3可以看出在水壓循環(huán)過程中，砂巖試樣的抗壓強度與試驗圍壓有關(guān)，在圍壓為5MPa、10MPa、15MPa、20MPa時，劣化度分別為31.6%、28.2%、23.4%、19.7%，可以看出試驗所加的圍壓越大，砂巖的劣化程度就越低，說明水壓循環(huán)作用對裂隙砂巖內(nèi)部的損傷情況與圍壓有明顯的關(guān)系，所加圍壓越低砂巖損傷的越明顯。

4結(jié)論與展望

本文對裂隙砂巖進行了常規(guī)三軸壓縮試驗和循環(huán)孔隙水壓試驗，通過兩個試驗進行對比可以得出，裂隙砂巖試樣在循環(huán)孔隙水壓力作用后，砂巖在不同圍壓條件下的抗壓強度均出現(xiàn)了下降，說明循環(huán)孔隙水壓對裂隙砂巖內(nèi)部造成了損傷了，影響了砂巖的強度。同時，在不同圍壓條件下，砂巖抗壓強度的下降幅度呈現(xiàn)不同的情況，圍壓越大，抗壓強度下降的幅度越低，這說明圍壓越大越能維持裂隙巖體內(nèi)部的穩(wěn)定。

國內(nèi)外學(xué)者對邊坡巖體的特性做了大量的研究，也取得了很多有價值的理論研究成果和工程經(jīng)驗，但是關(guān)于水壓循環(huán)對巖體的影響方面的研究程度還不夠研究成果也較少。另外，本文只研究了循環(huán)水壓對巖體力學(xué)性能的影響，而水壓循環(huán)的次數(shù)對巖體性能的影響沒有進行研究。因此隨著研究的不斷深入，水壓循環(huán)對邊坡巖體的影響將具有重大的理論意義和工程實用價值。同時由于庫岸邊坡巖體自身結(jié)構(gòu)和所賦存環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致有關(guān)邊坡巖體特性的研究還不夠全面，但是庫岸邊坡問題是目前很多工程中的重點問題，邊坡巖體的穩(wěn)定直接關(guān)系到工程的安全，所以應(yīng)該引起足夠的重視。endprint