周期性飽水下砂巖單軸抗壓強(qiáng)度特性試驗(yàn)

魏偉 劉耕 關(guān)英俊

四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610017

1 概述

三峽庫區(qū)建成運(yùn)行以來，庫水位一年之中水位在145m～175m來回變動(dòng)，形成一個(gè)高達(dá)30m的水位差。庫區(qū)沿岸大量碼頭樁基嵌入砂巖地層，庫水位變動(dòng)區(qū)巖體由于經(jīng)歷飽水-疏干往復(fù)作用致使其的力學(xué)性能弱化，從而間接導(dǎo)致碼頭嵌巖樁承載能力下降，影響碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。樁基承載力弱化會(huì)引起庫岸碼頭結(jié)構(gòu)的大變形甚至威脅碼頭的整體問題，因此開展周期性泡水條件下庫區(qū)砂巖力學(xué)性能弱化特征研究十分必要[1、2、3]。單軸抗壓強(qiáng)度是巖石重要力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

基于室內(nèi)試驗(yàn)，進(jìn)行了砂巖在不同次泡水次數(shù)下的單軸抗壓試驗(yàn)，通過試驗(yàn)分析了砂巖在循環(huán)浸泡下單軸壓縮試驗(yàn)下應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律及抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律；同時(shí)引入劣化度對(duì)不同浸泡次數(shù)的砂巖劣化程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)庫區(qū)樁基工程等具有參考意義。

2 砂巖單軸試驗(yàn)

在砂巖飽和狀態(tài)、干燥狀態(tài)下兩種狀態(tài)下分別進(jìn)行1次、5次、10次、15次、20次、40次的周期性飽水循環(huán)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中，規(guī)定壓力頭壓力大于1000Kpa，并放置于合適位置上。數(shù)據(jù)采集使用位移傳感器，安裝在被測試樣本兩側(cè)以及頂端，使用感器自帶的傳感器位置監(jiān)測系統(tǒng)確定傳感器位置擺放是否合理。傳感器安裝完成之后，使用操作軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)加載，即壓力頭正好與實(shí)件接觸，隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，壓力增加速率為0.5～1.0 MPa/s，壓力加載停止的條件為試件被完全破壞。在試驗(yàn)過程中，收集并保存數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄試驗(yàn)過程中明顯的試驗(yàn)現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

下圖1、圖2為砂巖分別經(jīng)過5次和40次循環(huán)浸泡后進(jìn)行單軸試驗(yàn)的圖。

圖1 5次循環(huán)

圖2 40次循環(huán)

在不同周期性泡水次數(shù)情況下對(duì)砂巖進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得出的砂巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變的曲線可以看出其變化特征如圖3所示，通過該曲線可以看出在不同周期性飽水次數(shù)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，砂巖的變化特征可以劃分為5各階段，分別為裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂隙加速擴(kuò)展階段和應(yīng)變軟化階段。其中，裂隙壓密階段，在實(shí)驗(yàn)初期巖石樣本會(huì)出現(xiàn)天然裂隙或者空隙的閉合，其應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性的趨勢；彈性變形階段，砂巖樣本應(yīng)力曲線呈現(xiàn)直線特征，其變形會(huì)伴隨壓力的撤銷而恢復(fù)，該階段受實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件的影響較小，所以取得彈性模量值較為完善、準(zhǔn)確。

圖3 砂巖單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

砂巖樣本在裂隙拓展階段中，其應(yīng)力與應(yīng)變曲=曲線呈現(xiàn)出近似線性的特征，但是當(dāng)前階段實(shí)驗(yàn)樣本的變化為實(shí)質(zhì)性，不會(huì)伴隨壓力的撤銷而恢復(fù)原來狀態(tài)。該階段的標(biāo)志為實(shí)驗(yàn)樣本出現(xiàn)損傷。在裂隙加速擴(kuò)展階段，裂隙經(jīng)歷由出現(xiàn)到貫通并形成剪切面階段，當(dāng)出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)（單軸壓縮抗壓強(qiáng)度）之后，標(biāo)志該階段結(jié)束。應(yīng)變軟化階段出現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)之后，此時(shí)砂巖樣本失去大部分抗壓強(qiáng)度和承載重量水平，最終表現(xiàn)出殘余強(qiáng)度。

由樣本實(shí)驗(yàn)階段變化曲線特征可以得出，砂巖為脆性巖石。在樣本出現(xiàn)峰值點(diǎn)（最大應(yīng)力點(diǎn)）之后，其抗壓性能會(huì)出現(xiàn)直線型下降。在彈性階段，應(yīng)力與壓力呈現(xiàn)出線性關(guān)系且明顯。

依據(jù)公示進(jìn)行計(jì)算的彈性模量并做出的曲線圖如圖1所示，該數(shù)據(jù)結(jié)果表明砂巖樣本的單軸抗壓強(qiáng)度以及其彈性模量與周期性飽水循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)相互負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。

表1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

使用劣化程度來描述和研究周期性飽水循環(huán)對(duì)于砂巖樣本的劣化程度，將該數(shù)值與干燥狀態(tài)下的砂巖樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將在周期性飽水循環(huán)中損失的力學(xué)數(shù)值百分比作為總獵花都，得出結(jié)果如表2所示。

表2 砂巖樣本單軸壓縮試驗(yàn)劣化程度分析

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得出，在第一次的周期性飽水循環(huán)中，砂巖樣本的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量相比較于之后的飽水循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其損失均較大，并且在之后的20次實(shí)驗(yàn)中，其劣化總量所占的比重也很大。該發(fā)現(xiàn)與很多學(xué)者的發(fā)現(xiàn)一致，在之前有多位學(xué)者表明不論對(duì)砂巖進(jìn)行周期性飽水試驗(yàn)、凍融實(shí)驗(yàn)、荷載試驗(yàn)，在第一次進(jìn)行循環(huán)時(shí)均會(huì)出現(xiàn)砂巖樣本劣化程度最大，最后的劣化程度逐漸減少。

4 結(jié)論

本文開展了砂巖在不同周期飽水循環(huán)下單軸壓縮試驗(yàn)，分析了砂巖在循環(huán)浸泡下單軸壓縮試驗(yàn)下應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律及抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。通過試驗(yàn)得出：

（1）不同周期性飽水次數(shù)下應(yīng)力應(yīng)變曲線都可分為5個(gè)階段：裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙穩(wěn)定至貫通階段、裂隙加速擴(kuò)展階段、應(yīng)變軟化階段。

（2）砂巖樣本單軸抗壓強(qiáng)度及模量與周期性飽水循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，線性關(guān)系。

（3）砂巖樣本在第一次循環(huán)飽水中出現(xiàn)的劣質(zhì)化最為嚴(yán)重，在隨后的實(shí)驗(yàn)中其劣質(zhì)化程度逐漸減少。