干濕循環作用下大瑤山砂巖靜態力學特性試驗研究

焦雋雋,朱俊鋒

干濕循環作用下大瑤山砂巖靜態力學特性試驗研究

焦雋雋1,2,朱俊鋒1

1. 河南科技大學 應用工程學院, 河南 三門峽 472000 2. 三門峽職業技術學院總務處, 河南 三門峽 472000

針對砂巖干濕循環作用下的靜態力學特性，以廣西大瑤山砂巖為試驗材料，進行了干濕循環、單軸壓縮、聲波以及壓汞試驗，研究了干濕循環作用對含水率、波速、靜態力學及孔隙微觀特性。研究表明：隨干濕循環次數增加，砂巖吸水率呈一節指數增加，而波速呈指數衰減；隨著干濕循環次數增加，砂巖峰值強度和彈性模量的衰減幅度呈增加趨勢，平均峰值強度和平均彈性模量均呈指數衰減，且波速與平均峰值強度變化趨勢呈正相關；干濕循環次數越小，進汞曲線就越先達到平緩，其進汞壓力拐點就越小。隨著干濕循環次數增加，單位質量孔隙體積呈線性增加。基于波速定義的砂巖損傷可較好預測巖石損傷規律。

干濕循環; 砂巖; 靜態力學

水巖相互作用是巖土工程領域中前言交叉學科，也一直是邊坡、隧道、采礦等工程中備受眾多專家關注的地質災害誘因之一。干濕循環作用下，巖體的強度、穩定性等會出現不同程度的降低，這主要受控于巖體強度對水的敏感程度，所以該問題一直是巖土工程災害防治的重要課題[1-3]。因此，研究干濕循環作用下巖體的力學特性對富水圍巖體的工程建設及穩定性具有重大意義。

國內外學者對砂巖的干濕循環作用的力學性能進行大量試驗研究，顏定玉等[1]基于試驗研究了飽水時間對巖石力學特性和相關參數的影響；王永新等[2]進行的水巖劣化試驗表明，“飽水-風干”循環作用對巖體強度參數的影響顯著；傅晏等[3]研究了水巖作用對砂巖單軸強度的影響，表明干濕循環對砂巖可造成不可逆的損傷破壞；然而對干濕循環作用下砂巖的波速和強度特性研究較少涉及，為此，杜守繼等[4]對不同高溫下花崗巖縱波波速展開研究發現，經歷高溫后花崗巖的縱波波速呈減小趨勢，且隨溫度升高，減小幅度增大；李克鋼等[5]、姜永東等[6]研究了干濕循環作用次數對砂巖抗壓強度與彈性模量等力學參數的影響；劉新榮等[7]進行了干濕循環作用下砂巖力學特性的研究，研究表明20次干濕循環后，黏聚力和摩擦角分別降低58.29%和33.98%；鄧華鋒等[8]對飽水－風干循環作用下砂巖強度劣化規律研究的試驗，結果表明浸泡壓力為０時，6次循環后砂巖的黏聚力和摩擦角分別下降25.85%和37.02%；Zhang等[9,10]研究了干濕循環作用對砂巖強度和破壞特性，表明８次循環后，其黏聚力下降57.32％，摩擦角降低了0.93%。以上可見，眾多專家對水巖作用下巖石力學特性展開了大量研究，并取得了眾多成果，這對進一步探究不同干濕條件下巖石的力學特性提供了思路。西南地區，常年高溫多雨氣候潮濕的氣候環境，使得巖石（體）常年處于干濕循環狀態，巖石（體）經常處于高度的水巖風化環境中，致使巖體穩定性降低，這對巖體工程的安全開挖、高效運行等帶來了潛在危害[11-14]。

研究以廣西大瑤山砂巖為試驗材料，分別進行了砂巖干濕循環試驗、單軸壓縮試驗、聲波試驗以及壓汞試驗，研究了不同干濕循環條件下砂巖含水率、縱波波速、靜態力學特性以及孔隙微觀特性，分析了干濕水巖作用機理對砂巖的劣化特性，并建立相關數學關系模型。研究結論可為干濕循環作用下巖體力學特性及穩定性分析提供理論參考。

1 試驗概述

1.1 砂巖試件

試驗材料為廣西大瑤山(梧州地區)砂巖，呈灰白色，顆粒較細且多為次生孔隙，如圖1所示(由于尚未清洗，圖1中砂巖顏色與圖2中存在色差)。該砂巖中主要礦物為石英（40%～80%）、長石（0～10%）、云母（5%～15%），粒徑介于0.005～1 mm，屬于低孔隙巖石[11]。所取砂巖來自同一塊巖體，以保證具有相同的物理學和力學特性，根據《水電水利工程巖石規范DLT53682007》通過鉆取灰巖試件，并切割、打磨等制成高徑比為2:1，試件尺寸為×= 100 mm × 50 mm的標準巖樣，其端面不平行度小于0.02 mm。試驗共制備分別15個砂巖試件，分別編號為D-W-1～15。

圖1 大瑤山砂巖

1.2 試驗設備

根據試驗方案，研究分別進行了巖石的干濕循環試驗、縱波波速測試、單軸壓縮試驗以及壓汞試驗。巖石的干濕循環和縱波波速測試在內蒙古工業大學完成，試驗設備分別為：DHG-9073BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風干燥箱(如圖2(a))，其控溫范圍為30 ℃～500 ℃；NM-4A非金屬超聲檢測儀；巖石的單軸壓縮試驗在本單位建筑工程學院實驗中心完成，試驗設備：中科院力學研究所研制的RMT-150C力學試驗機(如圖2(b))，其最大加載應力和加載速度范圍分別為600 kN、0～70 mm/min。巖石的壓汞試驗在中科院凍土研究所完成(如圖2(c))，試驗設備為：AutoPoreⅥ型自動壓汞儀，其孔隙測量范圍為0.003 μm～1100 μm，進汞和退汞體積分辨率高于0.1 μL。同時，系統提供快速掃描、時間平衡和速率平衡三種檢測模式，可提供范圍為0.02 psi到50 psi的大孔壓力，以及0.05 psi的壓力增量。

圖2 實驗室試驗裝置

1.3 測試內容及步驟

吸水率測試：測試砂巖試樣在105 ℃恒溫下烘干24 h，測試其干重m，然后采用自然飽水法對試件浸泡24 h，直至試件質量不變視為最大飽水度，如此即為一次干濕循環過程。為此，試驗考慮了5種干濕循環條件，將15個試件分為5組，第1組為干燥狀態，其他4組分別進行5、10、15和20次干濕循環試驗，待干濕循環試驗結束時測試砂巖濕重m和縱波波速V。m、m及V數據如表1所示，為研究干濕循環次數對試件吸水率的影響，可通過下式計算砂巖吸水率。

縱波波速測試：選取干濕循環試驗后砂巖為材料，進行縱波波速測試如圖3。假設上部聲發射探頭聲波脈沖激發時間為1，下部聲波探頭接收時間為2，聲波在試件中延時為2-1，試件高度為，則砂巖縱波波速可用式(2)計算。

圖3 縱波波速測試圖

砂巖應力-應變曲線：干濕循環試驗結束，采用上述砂巖試樣在力學試驗機進行單軸壓縮試驗，試驗采用位移加載控制，軸向加載速率為0.2 mm/min，直到砂巖破壞，獲得砂巖應力-應變曲線。

2 結果與分析

2.1 干濕循環作用對砂巖吸水率的影響

由表1可知，相比烘干質量（m），飽水砂巖質量（m）呈不同程度增加，且同一干濕循環下的樣本含水率近似相等。基于式(1)計算可得到不同干濕循環作用下砂巖吸水率，變化趨勢如圖4所示，圖4中虛線表示循環0次向5次的過度吸水率。可以看出，相比干濕循環次數為0次，隨干濕循環次數增加，其他砂巖平均吸水率依次為0.53%、0.59%、0.77%和0.95%，總體呈增加趨勢，這與研究[11,12]結果一致。

表1 砂巖干濕循環試驗結果

圖4 砂巖吸水率與干濕循環次數關系

為量化砂巖吸水率與干濕循環次數的數值關系，以不同干濕循環狀態下的平均含水率變化曲線表征砂巖吸水程度，擬合干濕循環5次到20次含水率變化趨勢，為一節指數函數關系，增長系數為0.0657，相關性較好。

2.2 干濕循環作用對砂巖縱波波速的影響

圖5為砂巖縱波波速隨干濕循環次數的變化關系，可以看出，干濕循環次數為0次、5次、10次、15次和20次對應的波速范圍分別為2788～2947 m/s、2566～2738 m/s、2360～2506 m/s、2109～2308 m/s和1956～2312 m/s，盡管不同干濕循環次數的砂巖波速略有小范圍變動，但總體隨干濕循環次數增加呈衰減趨勢。

經計算不同干濕循環作用下砂巖波速平均值可知，相對干濕循環0次的砂巖縱波波速2864.33 m/s，干濕循環5～20次的砂巖縱波波速分別減小了226.66 m/s、430.66 m/s、653.66 m/s、706.66 m/s，其相應衰減率依次為7.91%、16.33%、26.86%和31.97%，可見縱波波速衰減程度與干濕循環次數呈正相關。擬合縱波波速平均值V與干濕循環次數關系為：

由式（3）可以看出，縱波波速隨干濕循環次數呈指數函數衰減，衰減系數為0.0441。分析認為，隨著干濕循環次數增加，砂巖中存在大量的微裂隙等微缺陷不斷遭受飽和水的溶蝕，導致砂巖中礦物顆粒、黏土等不斷溶解，造成微孔隙不斷擴展和貫通，引起孔隙度（損傷）增加。礦物集合體作為聲波信號的傳播介質，其密度大小決定了聲波的傳播速度與傳導能力。隨著干濕循環次數增加，增加的砂巖孔隙度進一步提高了對聲波的吸收能力，表現為聲波能量耗散增加，最終引起縱波波速衰減。因此，砂巖孔隙度的增加也是造成縱波波速衰減的主要原因。

2.3 基于波速的砂巖損傷預測曲線

為表征干濕循環作用對砂巖的劣化程度，選用超聲波速定義其損傷變量:

式(4)中，D為不同干濕循環條件下砂巖損傷變量定義值；V為干濕循環次數為時的砂巖波速；0為干濕循環為0次的縱波波速值，本文將此波速下砂巖視為未發生損傷。

由表1可知式（4）中0=2864 m/s（干濕循環0次的平均波速值），V即為式（3）中V，將式（4）代入式（3）即可得到砂巖損傷D與干濕循環次數關系的預測曲線，如圖6所示。

圖6 砂巖損傷與干濕循環次數關系

由圖6可知，盡管砂巖損傷隨著干濕循環次數呈逐漸趨勢，但這種增長趨勢在逐漸減緩。即，砂巖損傷對干濕循環作用的敏感程度在逐漸降低，最終趨于穩定狀態。這與李焱等[15]研究結果一致。

2.4 砂巖靜態力學特性分析

2.4.1 應力-應變曲線圖7為不同干濕循環作用下砂巖典型的應力-應變曲線，可以看出，砂巖應力-應變曲線明顯呈5階段發展，即孔隙壓縮密實階段、彈性變形階段、微裂隙發展與萌生階段、微裂隙非穩定擴展階段以及破壞階段。各階段砂巖應變特性分析如下：

軸向應力加載初期，砂巖進入壓縮階段。干濕循環次數為0次時，可視為砂巖僅有原生孔隙的壓縮密實。而隨著干濕循環次數增加，砂巖中由干濕劣化作用引起的次生孔隙逐漸形成，總孔隙數量顯著增加。同時，增大的砂巖孔隙度降低了礦物粒子的壓縮變形，導致應力-應變曲線壓縮階段延長，曲線爬升速度減緩。

隨軸向應力繼續加載，應力-應變曲線近似呈線性增加，砂巖進入彈性變形階段。有研究表明[16]，干燥巖石的彈性階段意味著無塑性變形也無新裂隙萌生與擴展，巖石在被壓縮密實過程的變形十分微弱。然而，由于干濕循環作用對砂巖內部具有顯著的劣化作用，總孔隙數量（原生孔隙和次生孔隙）隨著干濕循環次數逐漸增加，損傷程度也隨之加劇。此時，砂巖裂隙數量、尺寸增加，礦物顆粒間摩擦力顯著下降，導致應變能提前釋放，最終表現為彈性階段縮短。

隨軸向應力進一步加載，砂巖進入微裂隙發展與萌生階段。該階段大量新生孔隙已逐漸形成，砂巖孔隙數量相對增多，初期損傷逐漸積累，應力-應變曲線增長幅度減緩。另外，隨著軸向應力加載，新生孔隙不斷萌生的同時也伴隨這宏觀裂隙出現，應力-應變曲線達到峰值強度前的塑性變形逐漸趨于明顯。

隨著軸向應力繼續加載，砂巖進入裂隙非穩定擴展階段，內部裂隙開始沿軸向應力加載方向擴展，應力-應變曲線增長速度進一步減緩，隨后達到峰值應力。隨后，應力-應變曲線迅速跌落，裂隙萌生與擴展階段形成的穩定裂隙擴展交接形成滑動面，最終導致灰巖完全破壞。

另外，隨干濕循環次數增加，試樣具有明顯的壓縮密實階段，且峰值強度逐漸減小，對應峰值應變逐漸增加。分析認為，隨著干濕循環次數增加，導致砂巖內部孔隙度增加，對砂巖弱化作用增強。砂巖內部孔隙數量還受到烘干高溫作用的影響，高溫效應導致砂巖礦物膨脹變形，進而產生次生裂隙。當砂巖進行下次飽水時，自由水浸入深度和接觸面積進一步增加，水巖軟化增強。這與文獻[4-5]研究結論具有一致性。根據文獻[17-18]對巖石破壞前總應變量大小對巖石的破壞形式分類可知，大瑤山砂巖的破壞形式為脆性破壞。

圖7 砂巖典型應力-應變曲線

由上述分析可知，在達到峰值應力前，砂巖所積累的應變能主要消耗于內部裂隙的壓縮密實、形成、擴展與貫通，大部分耗散能以塑性勢能和裂隙表面能釋放，少量部分能量以動能等形式釋放。由于干濕循環作用增加了砂巖孔隙度，這促進了應變能提前釋放。

表2 砂巖單軸壓縮試驗結果

2.4.2 峰值強度及應變特性根據單軸壓縮試驗，表2給出了不同干濕循環作用下砂巖峰值強度、峰值應變以及彈性模量。對表2不同干濕循環作用下砂巖峰值強度分析可知，干濕循環次數為0次、5次、10次、15次和20次對應的峰值強度范圍分別為60.01～65.88 MPa、44.09～50.26 MPa、38.56～41.66 MPa、35.74～38.22 MPa和20.66～27.78 MPa，同一干濕循環條件下，三個樣本峰值強度相差不大；隨著干濕循環次數增加，樣本峰值強度范圍介于20.00 ～ 66.00 MPa，總體呈衰減趨勢，其對應的峰值應變值則呈增加趨勢。這表明，隨著干濕循環次數增加，砂巖達到峰值強度對應的峰值應變逐漸增加。

圖8為砂巖峰值強度隨干濕循環次數的變化趨勢，可以看出，干濕循環由0次增為5次時，平均峰值強度由63.07 MPa降低至46.75 MPa，衰減幅度為25.87%；干濕循環由5次增為10次時，平均峰值強度由46.75MPa降低至40.13MPa，衰減幅度為14.16%；干濕循環由10次增為15次時，平均峰值強度由40.13 MPa降低至36.72 MPa，衰減幅度為8.49%；干濕循環由15次增為20次時，平均峰值強度由36.72 MPa降低至24.05 MPa，衰減幅度為34.50%；

另外，分析峰值應變平均值發現，隨干濕循環次數增加，峰值應變平均值總體呈增加趨勢，與峰值強度變化具有很好的一致性。總體來看，隨著干濕循環次數增加，砂巖峰值強度的衰減幅度呈增加趨勢。擬合發現，在數值上平均峰值強度與干濕循環次數為指數函數關系：

巖石強度大小與礦物成及含量的變化有關。已有研究表明[17,18]，對于砂巖而言，干濕循環作用對巖石內部顆粒含量及分布的影響是強度降低的根本原因。這主要是由砂巖的顆粒成分決定的，砂巖巖樣的細觀結構特征由顆粒較小但含量較多的石英、長石等組成，而長石遇水后容易發生水解[12]，進而砂巖強度降低。

前文分析可知，砂巖吸水率增加，其自由水浸入砂巖原生孔隙后對孔隙內壁具有濕潤、溶蝕作用，導致砂巖內部礦物顆粒從巖石骨架剝離，被運輸到孔隙外部，進而導致自由水浸入深度和溶蝕面積不斷增大[15]。這種水巖風化作用導致砂巖孔隙度增加，內部結構變得相對疏松，抵抗外界應力的強度降低。此外，圖9給出了不同干濕循環作用下砂巖縱波波速與峰值強度的關系，可以看出，隨著峰值強度增加，砂巖縱波波速也隨之增加，兩者具有正相關性。

圖8 峰值強度與干濕循環次數關系

圖9 砂巖波速與峰值強度平均值關系

2.4.3 彈性模量變化規律圖10為砂巖彈性模量隨干濕循環次數的關系。由圖10可知，隨著干濕循環次數增加，砂巖彈性模量總體呈衰減趨勢。結合彈性模量平均值分析發現，干濕循環次數由0增加到5次時，彈性模量平均值由6.57 GPa降低到5.58 GPa，衰減了15.07%；由5增加到10次時，彈性模量平均值由5.58 GPa降低到4.32 GPa，衰減了22.58%；由10增加到15次時，彈性模量平均值由4.32 GPa降低到4.15 GPa，衰減了3.49%；由15增加到20次時，彈性模量平均值由4.15 GPa降低到3.58 GPa，衰減了13.73%。

盡管部分數據有些異常，但砂巖彈性模量平均值總體呈衰減趨勢，這與峰值強度平均值的發展趨勢一致。擬合數據發現，砂巖彈性模量平均值與干濕循環次數為指數函數關系。

2.5 干濕循環作用對砂巖微觀結構特性影響

以上分別研究了不同干濕循環狀態下砂巖含水率、縱波波速以及靜態力學特性，并分析了干濕循環作用的影響規律，從宏觀方面揭示了水巖作用對砂巖物理力學特性的影響。為此，為揭示干濕循環作用對砂巖微觀特性的影響，分別對不同干濕循環次數的砂巖碎塊進行了壓汞試驗。考慮到砂巖飽水處理時為自然飽水法，故選取距離砂巖邊界10 mm處的巖樣，以保證具有有效的干濕循環特性，從而降低試驗誤差。

圖10 彈性模量平均值與干濕循環次數關系

圖11 不同干濕循環作用下砂巖進汞曲線

圖11為不同干濕循環次數的砂巖壓汞曲線，可以看出，隨著進汞壓力增加，砂巖進汞曲線先快速上升再逐漸趨于平緩，這表明單位質量砂巖孔隙體積進汞量達到最大值。而且，從圖中可以看出，砂巖干濕循環次數越小，其進汞曲線就越先達到平緩狀態，對應的進汞壓力拐點就越小。

若以砂巖進汞曲線達到平緩狀態對應的單位質量進汞體積衡量砂巖樣本的微觀孔隙分布情況，由圖11分析可知，干濕循環次數由0次增加到5次時，單位質量進汞體積由5.53×10-3mL/g增加到9.43×10-3mL/g，增加量為3.90×10-3mL/g，增長幅度為70.52%；干濕循環次數由5次增加到10次時，單位質量進汞體積由9.43×10-3mL/g增加到12.77×10-3mL/g，增加量為3.34×10-3mL/g，增長幅度為35.41%；干濕循環次數由10次增加到15次時，單位質量進汞體積由12.77×10-3mL/g增加到15.75×10-3mL/g，增加量為2.98×10-3mL/g，增長幅度為23.34%；干濕循環次數由15次增加到20次時，單位質量進汞體積由15.75×10-3mL/g增加到20.71×10-3mL/g，增加量為2.96×10-3mL/g，增長幅度為18.79%。

上述分析可知，隨著干濕循環次數增加，盡管砂巖單位質量進汞體積在逐漸增加，但其增長幅度明顯在減小，這說明在較小干濕循環次數范圍內，水巖作用對砂巖孔隙度影響程度加大，而隨著干濕循環次數增加，這種影響程度在減小。為研究砂巖干濕循環次數對單位質量孔隙體積的影響，給出了單位質量孔隙體積(’)隨干濕循環次數的變化趨勢，如圖12所示。可以看出，隨著干濕循環次數增加，砂巖單位質量孔隙體積呈線性增加。

圖12 砂巖單位質量孔隙體積與干濕循環次數關系

3 結 論

以廣西大瑤山砂巖為試驗材料，分別進行了砂巖干濕循環試驗、單軸壓縮試驗、聲波試驗以及壓汞試驗，研究了不同干濕循環條件下砂巖含水率、縱波波速、靜態力學特性以及孔隙微觀特性，分析了干濕水巖作用機理對砂巖的劣化特性。主要結論如下：

（1）砂巖吸水率隨干濕循環次數增加而增大，兩者為一節指數函數關系，增長系數為0.0657；

（2）隨干濕循環次數增加，砂巖縱波波速呈指數函數衰減，衰減系數為0.0441。這是由于隨著干濕循環次數增加，自由水浸入原生孔隙后，對孔隙內壁具有濕潤、溶蝕作用，導致砂巖內部礦物顆粒從巖石骨架剝離，被運輸到孔隙外部，進而導致自由水浸入深度和溶蝕面積不斷增大；

（3）隨著干濕循環次數增加，砂巖峰值強度的衰減幅度呈增加趨勢。在數值上，平均峰值強度與干濕循環次數為指數函數關系。砂巖彈性模量隨干濕循環次數增加總體呈衰減趨勢，兩者為指數函數關系；

（4）干濕循環次數越小，砂巖進汞曲線就越先達到平緩狀態，其進汞壓力拐點就越小。隨著干濕循環次數增加，砂巖單位質量孔隙體積呈線性增加。

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Experimental Study on Static Mechanics of Dayao Mountain Sandstone under Drying-watering Cycle

JIAO Jun-jun1,2, ZHU Jun-feng1

1.4720002472000,

In order to study the mechanical and microscopic characteristics of sandstone under different drying-wetting cycles, experiments of drying-wetting cycle, uniaxial compression, acoustic wave and mercury injection were carried out with the experimental material from Dayao mountain sandstone, in Guangxi Province. Then, the effects of drying-wetting cycles on water absorption and P - wave velocity, static mechanics and pore microscopic properties were studied. Results show that with the increase of drying - wetting cycles, the water absorption of sandstone increases as one section exponential function, and the growth coefficient is 0.0657, while the P-wave velocity attenuates as an exponential function, and the attenuation coefficient is 0.0441. With the increase of drying-wetting cycles, the attenuation amplitude of peak strength and elastic modulus of sandstone increased, and the average values of peak strength and elastic modulus of sandstone both increased. The P-wave velocity is positively correlated with the change trend of average peak intensity, and the smaller the times of dry and wet cycles, the more smooth the mercury inflow curve of sandstone is, and the smaller the pressure inflection point is. With the increase of drying-wetting cycles, the pore volume per unit mass of sandstone increases linearly. In addition, based on the P-wave velocity, the relation equation between sandstone damage and drying-wetting cycles is derived, which can better predict the rock damage law.

Drying - wetting cycle; sandstone; static mechanics

TD528

A

1000-2324(2021)03-0500-09

2019-08-13

2019-11-22

河南省科技攻關項目(122102210533)

焦雋雋(1982-),女,碩士,講師,主要從事土木工程方面的研究與教學工作. E-mail:xifeng2166@126.com