飽水風干孔洞—裂隙巖石強度試驗研究

鄭宏利

中鐵十六局集團有限公司，北京 100000

巖石作為一種天然的、非均質的工程地質材料，其內部存在的諸如孔洞、裂隙、節理等缺陷，這些缺陷在公路隧道的施工過程中將嚴重影響著隧道圍巖的穩定［1］。而含缺陷巖石的力學特性，作為影響公路隧道圍巖穩定性重要因素之一，對其的研究便顯得頗為重要。目前關于裂隙巖石和飽水巖石強度特征研究的較多［2-3］，但對于飽水風干處理后含缺陷巖石的強度特征研究卻鮮有報道。基于此，本文通過對飽水風干作用后含孔洞-裂隙缺陷巖石試樣進行單軸壓縮試驗，探討裂隙形式對巖石強度影響特征。

1 試驗方案

花崗巖材料取自河南伏牛山特長公路隧道施工現場，表面無肉眼可見缺陷，平均容重為26.90kN/m3。試樣按要求被加工成含預制孔洞-裂隙（孔洞直徑d=12mm，裂隙長度l=15mm）組合缺陷的寬（W）、高（H）、厚（T）分別為70mm、140mm和30mm 的長方體板狀試樣，預制孔洞-裂隙由求用高壓水射流切割機而制，裂隙下尖端與孔洞上孔壁重合，裂隙傾角β 表示裂隙走向與水平方向的夾角。試驗過程中，通過設置六種不同的裂隙傾角值，分別為β 等于15°,30°,45°,60°,75°和90°，來研究裂隙形式對巖石強度和聲發射的影響特征。含缺陷板狀試樣加工完成后，將試樣放置在pH=6.0 弱鹽酸溶液中浸泡20d 制成飽水試樣，然后在自然狀態下風干7d。實驗過程中，采用YNS-2000 型電液伺服控制試驗系統對飽水風干作用后含缺陷花崗巖板狀試樣進行單軸壓縮試驗試，采用位移控制的方式，并控制速率為0.01mm/min。

2 強度參數變化特征

通過實驗，得出對含不同裂隙傾角花崗巖板狀試樣在飽水風干作用后的強度特征如圖1 所示，可以看出：相比于完整試樣，含不同裂隙傾角的巖石試樣的峰值強度和彈性模量均有不同程度減小，其峰值強度減小值約32.37%～41.44%，彈性模量減小值約3.45%～3.69%。

圖1 峰值強度和彈性模量變化特征

試樣的峰值強度以及彈性模量均隨著β 的變化而發生變化，并在β 增大時出現先減小后增大的變化趨勢，且在β 取45°時達到最小值。當β 由15°增加至45°，峰值強度σc由73.20減小至66.86MPa，減小了8.66%；彈性模量Eav由7.69減小至7.60GPa，減小了1.24%。當β=90°，σc 和Eav 分別為84.53MPa 和7.71GPa，與β=45°相比分別增大了5.25%和26.43%。

圖2 自然狀態與飽水風干試樣峰值強度對比特征

為了揭示飽水風干作用后花崗巖強度參數劣化特征，對自然狀態下含缺陷巖石試樣進行單軸壓縮試驗。圖2 匯總了自然狀態和飽水風干后含缺陷巖石試樣峰值強度對比情況。可以看出，與自然狀態下裂隙巖石試樣峰值強度相比，飽水風干后巖石峰值強度出現明顯劣化，劣化幅度在22.97%～31.38%之間。

3 結論

本文通過單軸壓縮試驗，對含不同裂隙傾角花崗巖板狀試樣在飽水風干作用后的強度特征進行了研究，并經過分析得出以下結論：試樣的彈性模量以及峰值強度均隨著裂隙傾角的增加而變化，呈現出先減小后增大的趨勢，并于45°時達到最小值。