不同載荷水平砂巖吸水特性實驗研究

趙二平 賈小兵，2 龔章龍

(1. 三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002; 2. 三峽電力職業學院，湖北 宜昌 443000)

巖體與水的相互作用是導致眾多邊坡工程失穩的主要原因之一．水通過進入到巖石內部使得天然狀態下堅硬的巖石逐步劣化，抗剪、抗變形能力大幅降低，最終導致工程滑坡、崩塌等地質災害．因此對損傷巖體吸水特性的研究很有必要．

國內外學者對此作了多方面的研究．如吳勇等[1]通過對白云巖進行粉晶X-衍射成分分析、浸水試驗及直剪試驗，發現白云巖自然吸水率偏低，且與時間呈良好的對數關系，白云巖吸水率與明顯濕度百分比關系密切，以明顯濕度百分比表示巖石吸水率，兩者有良好的二次函數關系；周莉等[2]、柳培玉等[3]、郭宏云等[4]利用深部軟巖水理測試儀結合對砂巖進行吸水試驗來研究砂巖吸水隨時間變化的規律，研究表明吸水過程有明顯的時間效應，吸水速率隨時間改變；何滿潮等[5]、王桂蓮等[6]利用水理測試儀，并結合SEM和X-衍射對深井泥巖進行吸水試驗研究，結果表明吸水特性在時間上分為減速和等速兩個階段，同時發現孔隙率大小、礦物含量與種類等是影響泥巖吸水的主要因素；郭志飚等[7]以鶴崗礦區南山煤礦深部軟巖為研究對象，進行了巖石室內吸水試驗和強度軟化試驗，得出結論：深部砂巖吸水量隨時間變化分為3個階段，強度軟化隨時間也分為3個階段，砂巖強度衰減與吸水時間呈指數關系；賈志剛等[8]通過推導巖石毛細吸水模型，提出了一種新的吸水試驗方法，并證明了新方法的試驗數據更加穩定與可靠；劉新榮等[9]利用螺旋CT機和智能超聲波測速儀對5種尺寸的砂巖進行干燥及不同飽和條件下的無損檢測試驗，得出砂巖的吸水效果與縱波波速的平方和CT數呈反比例關系；鄧華鋒等[10，11]通過對三峽庫區典型砂巖的大量水巖作用試驗，結果表明水巖作用對完整巖樣的抗壓、抗拉強度等各種力學指標有著顯著的劣化效應；呂海剛[12]對巖石在不同濕度條件下對水的吸收程度，探討了孔隙連通性特征和影響泥頁巖吸水的主控因素；張娜等[13]利用自主設計的深部軟巖吸附水測試裝置對深部鈣質頁巖進行了研究，結果表明巖石吸水具有明顯的時間效應，吸水量隨時間的動態變化曲線可以用冪函數來擬合；并通過對巖石物理化學參數的分析初步揭示了鈣質頁巖吸水特性的影響因素．但是，這些關于巖石的吸水特性的研究主要側重于自然狀態下完整巖樣吸水特性，而對于不同載荷水平下損傷巖體吸水特性的研究較少涉及．因此，本文以三峽庫區典型砂巖為研究對象，對不同載荷水平下砂巖的吸水特性進行了詳細的研究．

1 實驗設計

1.1 試樣選取

實驗所用巖樣取自三峽庫區典型庫岸邊坡，巖石微風化，主要由石英、云母、長石等組成．試樣高度100 mm，直徑50 mm，如圖1所示．試樣制作完成后，首先測試巖樣質量、直徑、高度和波速(通過聲時反應)等基本物理參數．然后，為減小離散性，選取各項參數相近的巖樣進行實驗[14]．

圖1 典型砂巖試樣

1.2 實驗方案

利用RMT150巖石力學實驗系統對選取的巖樣進行不同圍壓(5、10、15、20 MPa)下的三軸加載實驗．吸水實驗時，先將巖樣低溫(45℃)烘干，將巖樣放在水面高度為10 mm的水箱中進行自由吸水，并對各時間點(自由吸水10 min、60 min、吸水穩定)巖樣水位上升高度進行觀察記錄，至水位高度基本不發生變化為止．表1中的最低、最高水位高度指的是一定區域內的水位高度．具體實驗方案如下：①逐步施加圍壓至預定值，保持圍壓不變，施加軸壓至巖樣破壞．②逐步施加圍壓至預定值，保持圍壓不變，施加軸壓至同圍壓下三軸抗壓強度的30%、50%、70%；取出試樣，進行吸水實驗．

2 實驗結果分析

2.1 實驗結果

不同加載方式不同損傷程度巖樣的吸水特性如表1及圖2～5所示．

表1 不同載荷水平砂巖水位高度與時間關系(單位：mm)

圖2 圍壓5 MPa加載損傷吸水曲線圖

圖3 圍壓10 MPa加載損傷吸水曲線圖

圖4 圍壓15 MPa加載損傷吸水曲線圖

圖5 圍壓20 MPa加載損傷吸水曲線圖

2.2 實驗結果分析

1)不同載荷水平砂巖吸水曲線特性分析

從表1以及圖2～5中可以看出，同一圍壓，同一載荷水平巖樣，隨著時間的增加，吸水曲線的最低點高度逐漸增加，吸水曲線的最高點的高度亦是逐漸增加，并最終趨于一穩定值．但是，前期水位上升速度很快，而后慢慢降低并趨于穩定．這是由于水對巖樣有附著力，巖樣內部存在表面張力，同時又有許多孔隙及微裂隙，這些孔隙、微裂隙相互連接、貫通，形成了水力通道．根據力平衡原理，前期附著力和表面張力遠大于水的重力，水沿著這些水力通道快速侵入到巖石內部，表現為水位高度迅速上升，隨著它們之間的力逐漸趨于平衡，水位高度上升慢慢變緩，最后在力平衡時水位高度也穩定下來．損傷巖樣自由吸水過程中水位上升高度隨著吸水時間的增加而不斷變化，但吸水穩定所用時間與圍壓沒有明顯關系．

從圖2～5可以看出，與載荷水平30%和70%的巖樣吸水曲線相比，載荷水平為50%時吸水曲線的最低點(最高點)對應的數值最低，巖樣吸水區域最?。藭r由于豎向荷載的施加，導致巖樣內部結構發生了變化，巖樣被壓密，水力通道變窄．載荷水平為70%時，巖樣出現裂縫，吸水曲線起伏度較大．由于裂縫的出現使得巖樣內部產生了更多的水力通道，同時存在延伸到巖樣頂部的裂縫，水沿著這些水力通道侵入巖石內部，水位高度在很短時間內迅速上升并在穩定后達到很高的地方．巖樣吸水過程中水位高度有局部較高區域，吸水穩定后水位高度線分布散亂．通過觀察巖樣破壞形態與吸水曲線發現，載荷水平為70%時，巖樣存在幾條主要裂縫和較多小裂縫，局部較高區域恰好在主裂縫附近，而較多的小裂縫處的水位高度線分布散亂．

2)不同載荷水平砂巖吸水率變化規律

巖石的吸水率是指巖石在標準大氣壓吸水能力的大小，它一定程度上反映了巖石的內部結構(如孔隙大小、裂隙長度等)．本文特指損傷砂巖在水面高度為10 mm下的吸水率，計算公式如下：

(1)

式中，w為吸水率，ms為吸水穩定后損傷砂巖試樣的質量，md為干燥狀態下損傷砂巖試樣的質量．

對損傷砂巖進行吸水實驗后，由式(1)得出其吸水率變化表見表2，吸水率變化曲線圖如圖6～7所示．

表2 不同載荷水平損傷砂巖吸水率

圖6 砂巖吸水率與載荷水平關系

圖7 砂巖吸水率與圍壓關系

從載荷水平與吸水率的關系可以看出，施加軸壓后，巖樣逐漸被壓密，吸水率變?。?，巖樣內部裂紋擴展，吸水率又逐漸升高，說明裂紋出現會極大提高砂巖試樣的吸水率．同一載荷水平下，從圍壓與吸水率的關系可以看出，隨著圍壓的逐漸增大，吸水率逐漸減小．同時可以看出，裂紋擴展后，圍壓對吸水率的影響不再顯著．吸水率w，載荷水平x，圍壓σ3之間的擬合關系如下式(2)所示，相對誤差0.016 9．

w=3.803 1x2-3.22x-0.003 1σ3+1.005 5

(2)

3 結 論

通過對不同載荷水平損傷砂巖吸水特性實驗研究，得出以下主要結論：

1)隨著時間的增加，吸水曲線的最低點高度逐漸增加，吸水曲線的最高點的高度亦是逐漸增加，并最終趨于一穩定值．但是，前期水位上升速度很快，而后慢慢降低并趨于穩定．

2)隨著砂巖載荷水平的逐漸增加，砂巖吸水率先減小后增加．當載荷水平較高導致巖樣出現裂縫后，砂巖吸水曲線存在局部水位高度明顯較高區域，與出現裂縫的同一批巖樣對比發現，在該區域段產生的裂縫數量及裂縫的長度均大于其他區域．

3)巖樣出現裂縫后，水沿著裂縫迅速上升，并且裂縫附近區域水位高度也以較快的速度上升．砂巖吸水曲線局部較高區域恰好在主裂縫附近，而較多的小裂縫處的水位高度線分布散亂．

4)同一圍壓，不同載荷水平砂巖吸水率隨著圍壓的升高逐漸減小．同一圍壓，吸水率的變化隨載荷水平的增加先減小后增加，其臨界點為巖樣內部裂紋擴展處的載荷水平．

參考文獻：

[1] 吳 勇，王景環，梁 威，等．白云巖自然吸水特性實驗研究[J]．工程勘察，2014(6)：1-4．

[2] 周 莉，何滿潮，李京陽，等．砂巖吸水特性實驗[J]．解放軍理工大學學報(自然科學版)，2009(6)：580-585．

[3] 柳培玉，張 娜，何滿潮，等．平莊煤礦砂質泥巖吸水特性實驗研究[J]．金屬礦山，2011，28(6)：43-46．

[4] 郭宏云，李 兵，孫崇華，等．深部礦井鈣質頁砂吸水特性實驗[J]．煤炭科學技術，2013，41(11)：103-107．

[5] 何滿潮，周 莉，李德建，等．深井泥巖吸水特性實驗[J]．巖石力學與工程學報，2008，27(6)：1113-1120．

[6] 王桂蓮，李德建，何滿潮．巖石吸水特性及其孔隙結構變化研究[J]．中國軟巖工程與深部災害控制研究新進展，2009．

[7] 郭志飚，王 炯，鄧小衛，等．深部軟巖巷道圍壓吸水后抗壓強度變化規律研究[J]．煤炭科學技術，2015(3)：40-42．

[8] 賈志剛，齊 平，李 科，等．巖石毛細吸水實驗新方法[J]．長江科學院院報，2015，32(5)：95-99．

[9] 劉新榮，王子娟，傅 宴，等．不同含水率砂巖無損檢測參數參數的尺度效應研究[J]．巖土力學，2016，37(增1)：192-200．

[10] 鄧華鋒，李建林，朱 敏，等．飽水-風干循環作用下砂巖強度劣化規律實驗研究[J]．巖土力學，2012，33(11)：3306-3312．

[11] 鄧華鋒，原先凡，李建林，等．飽水度對砂巖縱波波速及強度影響的實驗研究[J]．巖石力學與工程學報，2013，32(8)：1625-1631．

[12] 呂海剛．四川盆地志留系龍馬溪組頁巖吸水模擬實驗及對孔隙連通性的指示意義[D]．蘭州：蘭州大學，2015．

[13] 張 娜，柳龍標，侯東文，等．深部煤礦鈣質頁巖吸水特征實驗研究[J]．礦業研究與發展，2014，34(5)：10-15．

[14] 鄧華鋒，李建林，鄧進成，等．巖石力學實驗中試樣選擇和抗壓強度預測方法研究[J]．巖土力學，2011，32(11)：3399-3403．