不同溫度和水壓作用下卸荷砂巖變形特征分析

胡鵬 郭永成 王克輝 劉鑫宇 朱千凡

摘要：為研究不同溫度和水壓對卸荷巖體變形特征的影響，使用TOP INDUSTRIE巖石三軸試驗儀進行不同溫度（20℃、40℃、60℃）和不同水壓（0.3MPa、0.6MPa、1.2MPa）條件下的砂巖三軸卸荷試驗。結果表明：砂巖試樣變形模量值隨著圍壓和溫度的增大而上升，隨著水壓的增大而下降;軸向峰值應變隨著圍壓增大逐漸增大，隨著溫度的增大逐漸減小。

Abstract： In order to study the influence of different temperature and water pressure on the deformation characteristics of unloaded rock mass， the TOP INDUSTRIE rock triaxial test instrument was used to carry out the unloaded sandstone triaxial test under different temperatures （20℃， 40℃， 60℃） and different water pressure（0.3 MPa， 0.6 MPa， 1.2 MPa）. The results show that the deformation modulus of sandstone samples increases with the increase of confining pressure and temperature， but decreases with the increase of water pressure. The peak Axial strain increases with confining pressure and decreases with temperature.

關鍵詞：溫度;水壓;卸荷;變形模量;峰值應變

Key words： temperature;water pressure;unloading;deformation modulus;peak strain

中圖分類號：TU458? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）25-0072-02

0? 引言

大量隧道開挖、礦山開采和水利水電工程等的陸續建設，在水壓和溫度作用下的庫岸邊坡巖體開挖卸荷問題越來越受關注。巖體經過溫度、水等外部環境的影響，其變形特性發生了改變，使得巖土工程開挖難度加大，建設人員無法準確掌握巖石的變形、強度及破壞等特征，因此，如何做到合理開挖邊坡成為了開挖工程建設成功與否的關鍵問題[1]。

近年來越來越多的學者在溫度、水壓、應力等方面進行多場耦合試驗，取得了一些成果。Millard A[2]開展了熱-水-力耦合作用下核廢料處置地下工程中花崗巖力學特性試驗，主要研究了熱-水-力耦合對花崗巖力學性能的影響。邵偉[3]開展了不同高溫后花崗巖的力學性能試驗，研究了花崗巖的峰值應力、峰值應變、彈性模量、應力一應變曲線等變化規律。劉琦等[4]開展了溫度與動水壓力作用下灰巖力學試驗，主要研究了溫度和動水壓力對巖樣表面的孔隙、裂隙的影響，并分析了灰巖的滲透性變化規律。李鵬等[5]開展了紅砂巖的熱-水-力（THM）耦合斷裂試驗，主要研究了脆性巖石熱-水-力耦合斷裂的宏微觀特征，并揭示了熱-水-力耦合的斷裂機制。陳宇龍[6]進行了溫度-孔隙水壓耦合的三軸試驗，研究了砂巖滲透率與力學性質的演化規律等。王沖等[7-8]開展了不同溫度和不同含水率下巖石的劈裂、壓縮試驗，主要研究了其抗拉強度、含水率、抗壓強度和破壞特征等變化規律。

以上研究均涉及到了溫度-應力-水壓的三場耦合，但是同時考慮砂巖卸荷問題的研究相對較少。因此，采用TOP INDUSTRIE巖石三軸試驗儀進行不同溫度和水壓作用下的砂巖三軸卸荷試驗，對多場耦合下卸荷砂巖的變形特征進行研究，以期為后續工程實踐提供參考。

1? 試驗方案

1.1 試樣制備? 試驗按照《工程巖體試驗方法標準》（GB/T50266-2013）的規范進行砂巖試樣的制取，同時為滿足試驗儀器所需要的尺寸要求，最終加工成Φ50mm×100mm的圓柱體標準試樣。通過測量巖樣直徑、高度、質量、巖樣縱波波長及回彈值等進行篩選后，利用全自動三軸試驗儀進行試驗。

1.2 試驗過程? 先將試樣烘干，再利用真空飽和儀進行飽和，最后對飽水砂巖試樣進行強度試驗，具體方案如下：①對一組試樣進行不同初始圍壓（5、10、20MPa）下的單、三軸抗壓試驗，獲得峰值強度。②利用儀器溫度控制系統加熱試樣至預定值（20℃、40℃、60℃）后，維持目標溫度6h以上，確保受熱均勻;加載圍壓至目標值（5MPa、10MPa、20MPa）后維持恒定;加載水壓至預定值（0.3MPa、0.6MPa、1.2MPa）后，維持30min;加載偏壓至抗壓強度的80%后維持恒定;以0.2MPa/min的速率卸荷至巖樣破壞，停止試驗，取出試樣。為剔除離散性，每組試驗取三個試樣。

2? 結果分析

2.1 峰值點變形模量變化特征? 卸荷試驗中，線彈性段彈性模量可用變形模量表示，黃潤秋等[9]提出三軸卸荷試驗中的變形模量采用如下公式進行計算，為形象說明變化規律，將所得數據繪制溫度、水壓、圍壓和變形模量的關系曲線，如圖1所示。

式中：σ1和σ3分別為軸壓和圍壓，ε1為軸向應變，μ為材料常數泊松比。

從圖1-圖3中可以看出：①在同一水壓和初始圍壓下，變形模量隨著溫度增加而逐步提升，其主要原因是：溫度升高，巖樣內部顆粒發生膨脹，內部之間的孔隙減小，峰值點的應變相對變小，而軸向應力相對變化不夠明顯，因此，變形模量隨溫度的升高呈線性增加的趨勢，在相鄰溫度下其變形模量降低值大小相近。②在同一溫度和初始圍壓下的變形模量隨水壓的增大呈非線性減小的趨勢，峰前加載段巖樣為飽和巖樣，內部存在一定的損傷，水壓會增加脆性，當水壓為0.3MPa和0.6MPa時，其變形模量水壓-變形模量曲線的切線斜率相似，隨著水壓的增加，變形模量開始加速降低，說明水對砂巖的劣化作用逐步加深，水壓越大，劣化效果越明顯。③在同一溫度和水壓下，初始圍壓越大變形模量越大，變形模量隨初始圍壓的增加而上升，同時不同水壓下的曲線變化也基本一致，由于初始圍壓的上升，對砂巖側向變形的抑制作用越強，進一步的限制了砂巖的側向變形。

2.2 峰值應變變化特征? 峰值應變為應力-應變曲線中峰值應力對應下的軸向應變，它可以反映出峰前巖樣的變形情況，見表1。

從表1中的數據可以看出：①同一溫度和水壓下，初始圍壓越大，峰值應變也越大，初始圍壓決定了巖樣的初始狀態，圍壓越大，對巖樣的抑制作用越強，巖樣達到破壞時所需施加的軸壓越大，巖樣的軸向變形也越大。②同一水壓和初始圍壓下，溫度越高，峰值應變也越小，在溫度的作用下，使得巖樣內顆粒膨脹，巖樣孔隙和裂隙減小，使得巖樣峰前強度增加，因此對應的峰值點的應變也變小。③為方便了進一步分析溫度、水壓和軸向峰值應變之間的關系，對其數據進行擬合，發現三者存在函數關系： ，且其擬合度為 。

3? 結論

對三峽庫區典型滑坡體的砂巖進行不同溫度和水壓作用下的三軸卸荷試驗，根據試驗結果，研究砂巖試樣的變形特征，得出如下結論：①在不同溫度和水壓作用下砂巖試樣的變形模量隨著溫度和圍壓的上升而增大，隨著水壓的增大而減小。②砂巖試樣的峰值應變在溫度和水壓恒定時，隨著圍壓逐步增大;在圍壓和水壓恒定時，隨著溫度逐漸減小。

參考文獻：

[1]李濤.不同應力路徑下粉砂巖力學特性及卸荷本構模型研究[D].徐州：中國礦業大學，2015.

[2]Millard A， Durin M， Stietel A， et al. Discrete and continuum approaches to simulate the thereto-hydro-mechanical couplings in a large， fractured rock mass[C]//International journal of rock mechanics and mining sciences&geomechanics abstracts. Pergamon， 1995， 32（5）：409-434.

[3]邵偉.考慮溫度變化與水浸泡作用的混凝土與巖石疲勞破壞的非線性力學分析[D].上海：上海理工大學，2010.

[4]劉琦，盧耀如，張鳳娥，等.溫度與動水壓力作用下灰巖微觀溶蝕的定性分析[J].巖土力學，2010，31（S2）：149-154.

[5]李鵬，饒秋華，馬雯波，等.脆性巖石熱-水-力耦合斷裂的斷口分析[J].巖石力學與工程學報，2014，33（06）：1179-1186.

[6]陳宇龍.多場耦合作用下砂巖滲透率演化規律[J].長沙：中南大學學報（自然科學版），2017，48（09）：2449-2457.

[7]王沖，賴遠明，尤哲敏，等.溫度和含水狀態對巖石劈裂強度影響的試驗研究[J].冰川凍土，2016，38（05）：1317-1324.

[8]張歡.低溫含水砂巖動態壓縮力學性能試驗研究[D].淮南：安徽理工大學，2018.

[9]黃潤秋，黃達.高地應力條件下卸荷速率對錦屏大理巖力學特性影響規律試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29（01）：21-33.

[10]宋文，汪然，黃河.溫度作用后大理巖三軸卸荷細觀破壞特征研究[J].價值工程，2014，33（04）：312-314.