富水隧道砂巖單軸壓縮力學特性試驗研究

寧漢章

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

在隧道修建過程中，水是不可避免的客觀環境因素[1]。對于富水隧道開挖后圍巖的力學特性研究一直是國內外研究的熱點課題[2]。通過對于巖石在水環境下力學特性的試驗研究，結果表明，抗壓強度、彈性模量均隨含水率增加逐漸減小，試樣含水率越高，其表面紅外輻射溫度隨時間的波動越小[3-4]。

1 試驗部分

試樣制備：本文巖樣為采自隧道施工現場的致密砂巖，無裂隙、節理等天然缺陷，整體呈灰白色。試樣在現場粗加工后運至室內實驗室進行細加工，經切割、鉆孔取芯、打磨，最終加工出直徑50 mm、高100 mm的滿足國際巖石力學試驗標準的圓柱試件。通過X射線衍射儀對試樣檢測可知，本文所選砂巖的主要礦物成分包括：石英、斜長石、鉀長石、方解石和蒙脫石，同時還含有微量白云石、綠泥石、赤鐵礦等物質，巖樣粒徑為0.01～0.43 mm，干容重為28.74 kN/m3。

試驗設備：本文為研究富水隧道砂巖的力學特性，對不同含水率砂巖進行單軸壓縮試驗，試驗均在MTS815.02巖石力學試驗系統上完成。該試驗機是由美國生產的專門針對巖石類材料力學特性測試的多功能全自動伺服試驗機，具有獨立的圍壓、軸壓和孔隙水壓加載系統，可對試樣的軸向變形和徑向變形進行同步測量。

試驗方法與試驗方案：首先將制備好的試件全部放入烘干箱內烘干，設置烘干箱溫度為104 ℃，時間為24 h。烘干完成后取出試件放于干燥皿中冷卻至室溫，稱重；對其中一部分試件進行浸水處理，根據浸水試驗方案(表1)，在不同時刻取出對應編號試件，擦干表面后稱重，計算對應時刻試樣含水率；為避免試樣因水分蒸發而造成的試驗誤差，稱重后的試樣立即進行單軸壓縮試驗，采用位移控制模式施加軸向荷載至試樣失穩破壞，設置加載速率為0.2 mm/min。

為研究含水率對砂巖力學性質的影響，首先對砂巖試樣進行吸水試驗。不同時刻試樣含水率計算公式如下：

(1)

式(1)中：wt為t時刻試樣含水率；mt為t時刻試樣質量，kg；m0為干燥試樣質量，kg。

根據式(1)及浸水試驗方案，計算得到不同時刻試樣含水率見表1，圖1為不同時刻試樣含水率隨時間分布曲線。可以看出，試樣含水率在初期變化明顯(0～18 h)，試樣吸水速率較快；隨著時間逐漸發展(18～36 h)，試樣吸水速率逐漸變慢，含水率變化逐漸趨緩；當浸水時間大于36 h后，含水率逐漸趨于穩定，試樣近似認為達到飽和狀態。對含水率隨時間變化曲線進行擬合可知，二者滿足指數函數分布規律，擬合函數見圖1，擬合相關系數為0.9878。

表1 浸水試樣含水率

圖1 含水率隨時間分布曲線

2 試驗結果分析

2.1 應力—應變曲線分析

圖2為不同含水率砂巖單軸壓縮應力—應變曲線。由圖2可以看出，不同含水率砂巖應力-應變曲線變化趨勢大體相同，均可分為五個階段：(1)裂隙壓密階段，該階段曲線呈上凹狀，巖石內部初始裂紋不斷被壓密，隨著含水率的逐漸增大，該階段逐漸弱化；(2)線彈性變形階段，該階段曲線呈斜直線狀，巖石內部初始缺陷被進一步壓密，但該階段不會產生新裂紋，卸載后變形能夠完全恢復，且直線段斜率隨含水率逐漸減小；(3)裂隙穩定發育階段，該階段曲線開始逐漸偏離直線，巖石內部開始產生新的細微裂紋，且隨著應力不斷增加，裂紋密度逐漸增大，巖石開始出現塑性變形，但巖石整體結構還能保持穩定；(4)裂隙不穩定發育階段，該階段曲線在上一階段變化的基礎上繼續偏離直線，呈上凸狀，巖石內部裂紋快速擴展、貫通，巖石局部出現破壞，產生不可逆變形，隨著應力繼續增大，試樣達到其峰值強度；(5)峰后階段，該階段曲線迅速下降，巖石承載能力迅速減小，應變迅速增大，試樣表面產生宏觀斷裂面，巖石破壞，該過程中可聽見巖石破裂時發出的清脆響聲。

圖2 不同含水率砂巖應力—應變曲線

根據不同含水率單軸壓縮試驗得到砂巖試樣的峰值強度、彈性模量，如表2所示。

表2 單軸壓縮試驗結果

2.2 峰值強度與彈性模量分析

本文引入強度折減系數λσ和彈性模量折減系數λE來對單軸抗壓強度、彈性模量隨含水率的弱化程度進行定量分析，表達式如下：

(2)

式(2)中：λσ、λE分別為強度折減系數和彈性模量折減系數；σ0為干燥狀態砂巖試樣的峰值強度，MPa；σw為對應含水率狀態砂巖試樣的峰值強度，MPa；E0為干燥狀態砂巖試樣的彈性模量，GPa；Ew為對應含水率狀態砂巖試樣的彈性模量，GPa。

圖3(a)為峰值強度隨含水率分布規律，可以看出，峰值強度隨含水率增大逐漸減小。其中，干燥狀態下砂巖峰值強度為114.82 MPa，隨著含水率的逐漸增大(0.36%～2.39%)，峰值強度減小了5.10～11.35 MPa，減幅為4.65%～10.97%。當含水率小于0.82%時，峰值強度降幅較大，當含水率大于0.82%時，峰值強度降幅逐漸減小，當含水率接近飽和時，峰值強度趨于穩定。根據強度折減系數隨含水率分布曲線可知，隨著含水率的逐漸增大，巖石強度折減系數逐漸趨于穩定，即巖石強度變化率逐漸減小，巖石強度逐漸趨于恒定值，且強度折減系數與含水率之間滿足指數函數分布規律，擬合公式見圖3(a)，擬合相關系數為0.9824，表明二者具有較強的相關性，且根據擬合公式可對任意含水率下巖石峰值強度進行預判。

圖3 峰值強度、彈性模量隨含水率分布規律

圖3(b)為彈性模量隨含水率分布規律。可以看出，彈性模量隨含水率增加逐漸減小。其中，干燥狀態下砂巖彈性模量為16.61 GPa，隨著含水率的逐漸增大(0.36%～2.39%)，彈性模量減小了0.52～1.39 GPa，減幅為3.23%～9.13%。當含水率小于0.82%時，彈性模量降幅較大，當含水率大于0.82%時，彈性模量降幅逐漸減小，當含水率接近飽和時，彈性模量趨于穩定。根據彈性模量折減系數隨含水率分布曲線可知，隨著含水率的逐漸增大，彈性模量折減系數逐漸趨于穩定，即彈性模量變化率逐漸減小，彈性模量逐漸趨于恒定值，且彈性模量折減系數與含水率之間滿足指數函數分布規律，擬合公式見圖3(b)，擬合相關系數為0.9873，表明二者具有較強的相關性，且根據擬合公式可對任意含水率下巖石彈性模量進行預判。

2.3 特征應力隨含水率變化分析

為進一步研究富水環境砂巖的力學特性，本文基于應力—應變曲線來確定各特征應力具體值，并對各特征應力值隨含水率分布規律進行分析。典型應力—應變曲線及各特征應力值確定方法如圖4(a)所示。

圖4 應力—應變曲線特征應力示意圖及各特征應力

(a) 應力—應變曲線及各特征應力值示意圖; (b) 裂隙閉合應力及應力比; (c) 裂隙起裂應力及應力比; (d) 裂隙擴容應力及應力比

圖4(a)中σcc為裂隙閉合應力，對應線彈性變形的起始值；σci為裂隙起裂應力，對應線彈性階段的結束值；σcd為裂紋擴容應力(或損傷應力)，對應裂隙穩定擴展與不穩定擴展分界點，可通過體積應變拐點對應的應力—軸向應變曲線來確定；σpk為峰值應力(或破壞應力)，對應應力—軸向應變曲線峰值點。在巖石受壓破壞過程中，裂隙起裂應力至關重要，本文基于LSR法來確定裂隙起裂應力。首先，過應力—軸向應變曲線上擴容應力點A做水平線交應力—徑向應變曲線與B點，連接B點與坐標原點O得到割線BO，將對應橫坐標的應力—徑向應變曲線與割線BO相減，得到的差值即為LSR值，再做LSR值隨應力分布曲線，該曲線峰值點即對應裂隙起裂應力σci。

根據上述方法計算各特征應力如圖4(b～d)所示，可以看出，各特征應力隨含水率增加均逐漸減小，當含水率達到2.39%時，砂巖試樣近似達到飽和狀態，其裂隙閉合應力、裂隙起裂應力及裂隙擴容應力分別為33.81、55.58和79.29 MPa，與干燥狀態相比分別減小了9.41%、9.34%和8.98%，各特征應力與含水率之間均滿足負指數函數分布規律：

σ=y0+Aexp(-Bw)

(3)

式(3)中：w為巖石試樣含水率；y0、A、B為擬合參數，可通過試驗確定。各特征應力擬合結果如圖4(b～d)所示，擬合相關系數均大于0.98，擬合效果良好。參數B表示各特征應力隨含水率的衰減速率，由特征應力擬合參數可知，裂隙擴容應力、裂隙起裂應力、裂隙閉合應力B值分別為0.98、2.22、2.30，表明砂巖裂隙閉合階段對水的作用更為敏感。根據圖4(b～d)可知，各特征應力比隨含水率增加整體呈遞增趨勢，當含水率接近飽和時，應力比逐漸趨于穩定。

實際上，水對巖石的力學性能的影響還可以理解為巖石浸水時間對其力學性能的影響。根據前文含水率隨時間的分布規律可知，含水率與巖石浸水時間一一對應，如：浸水時間為2 h時，砂巖試樣含水率為0.36%，對應的裂隙擴容應力為83.86 MPa、裂隙起裂應力為87.82 MPa、裂隙閉合應力為35.25 MPa，與浸水時間為0 h相比，各特征應力減幅分別為3.45%、5.09%和4.51%。通過計算不同時刻各特征應力與干燥狀態比值可知，在砂巖試樣浸水時間為18 h時，各特征應力減幅分別為8.07%、8.79%和8.62%；當浸水時間為120 h時，即試樣達到飽和狀

態，各特征應力減幅分別為9.41%、9.34%和8.98%，18 h內的特征應力減幅占總減幅的85.23%、94.20%和95.95%。可見在巖石最初浸水時間18 h內，其劣化程度顯著，其原因是由于，干燥砂巖試樣內部孔隙相對較大，水分能夠快速從試樣表面運移至試樣內部，致使含水率迅速增大，巖石試樣的力學性能顯著下降。

3 結語

本文針對富水區隧道圍巖的變形破壞問題，通過對不同含水率砂巖試樣進行單軸壓縮試驗來分析水環境下砂巖的力學特性分布規律，具體結論如下：

(1)砂巖含水率隨時間呈指數函數遞增分布，浸水時間在0～18 h內，試樣的含水率迅速增大，變化速率較快；浸水時間在18～36 h內，試樣含水率緩慢提升，變化速率趨緩；當浸水時間大于36 h時，試驗試樣含水率逐漸趨于穩定。

(2)砂巖試樣峰值強度、彈性模量均隨含水率增加逐漸減小，含水率由0%上升至2.39%，峰值強度、彈性模量分別減小了10.97%和9.13%，二者折減系數均隨含水率逐漸增大，并逐漸趨于穩定，折減系數與含水率之間滿足指數函數分布。

(3)砂巖試樣的裂隙閉合應力、裂隙起裂應力和裂隙擴容應力均隨含水率逐漸減小，并趨于穩定；砂巖試樣在裂隙閉合階段對水更為敏感；在巖石浸水初期(0～18 h)，砂巖試樣的裂隙擴容應力、裂隙起裂應力和裂隙閉合應力的降幅占總降幅的85.23%、94.20%和95.95%，試樣受水劣化程度顯著。