山區(qū)船閘地基粉砂質(zhì)泥巖室內(nèi)壓縮試驗研究

吳禮國 李泳龍 裴建良

摘要：利用MTS 815試驗系統(tǒng)對岷江尖子山航電樞紐工程右岸船閘地基擠壓破碎帶粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了系統(tǒng)的單軸壓縮和常規(guī)三軸壓縮試驗，得到了其基本力學(xué)性質(zhì)和破壞形態(tài)。研究結(jié)果表明：天然含水量和溶蝕作用對砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強度影響顯著，巖樣含水量越大，其軟巖特征越明顯;在天然含水率ω為7.3%～22.1%范圍內(nèi)，單軸抗壓強度的最大值為最小值的10.3倍，非溶蝕巖樣的單軸抗壓強度與含水量呈良好的冪指數(shù)關(guān)系。在圍壓的側(cè)限作用下，天然含水量對粉砂質(zhì)泥巖的三軸抗壓峰值（剪斷）強度的影響更加明顯，在天然含水量ω=15.2%～19.9%范圍內(nèi)，其上、下限強度包絡(luò)線可用Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行表達(dá)。在天然含水量較低或圍壓較低時，非溶蝕巖樣易發(fā)生剪切破壞;隨著天然含水率的增加和圍壓的增大（ω≥17.3%或σ3≥4 MPa），非溶蝕巖樣易發(fā)生鼓脹破壞;在單軸壓縮條件下，溶蝕巖樣的破壞形態(tài)與試樣中溶蝕的空間分布關(guān)系等緊密相關(guān)。

關(guān) 鍵 詞：船閘地基; 粉砂質(zhì)泥巖; 單軸抗壓強度; 單軸壓縮試驗; 常規(guī)三軸壓縮試驗

中圖法分類號： O38;TU45 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.030

0 引 言

中國幅員遼闊，在巖土工程建設(shè)中不可避免地會遇到各種軟巖地層和軟弱夾層。泥巖是一種常見的軟巖，由于其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，使其對溫度、濕度、應(yīng)力等環(huán)境因素極為敏感。在天然狀態(tài)下泥巖較為完整、堅硬，力學(xué)性能良好，遇水后迅速膨脹、崩解和軟化，強度會發(fā)生顯著弱化，引發(fā)一系列水電站壩基變形、庫岸邊坡失穩(wěn)、路基沉降、巷道塌坍等[1-6]工程問題。

眾多學(xué)者從水、溫度、加載方式等對泥巖力學(xué)性質(zhì)的影響、滲流特性、泥巖脹縮性和微細(xì)構(gòu)特征等方面進(jìn)行了研究，取得了大量卓有成效的研究成果。周翠英等[7]針對華南地區(qū)廣為分布的典型軟巖，研究不同飽水狀態(tài)下軟巖軟化的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。郭瑞等[8]對砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了不同含水量和干密度條件下的單軸抗壓強度試驗，建立了以含水量和干密度為變量的砂質(zhì)泥巖抗壓強度數(shù)學(xué)表達(dá)式。蔣景東等[9]研究不同含水狀態(tài)下泥巖的力學(xué)性質(zhì)，并結(jié)合能量機制分析了含水率對巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化效應(yīng)及機理。FU等[10]研究了不同圍壓和溫度對粉砂質(zhì)泥巖裂隙滲流特性及滲透系數(shù)的影響。王閆超等[11]對巴東組泥巖開展室內(nèi)瞬時力學(xué)試驗和流變力學(xué)試驗，分析巖石的流變力學(xué)特性和本構(gòu)模型。李蕊等[12]對秭歸縣馬家溝滑坡中粉砂質(zhì)泥巖開展三軸壓縮試驗，研究不同加載控制方式下巖石的變形破壞特征。于懷昌等[13]研究了分級加載條件下巖石的應(yīng)力松馳特性及其規(guī)律。王磊等[14]開展了不同狀態(tài)和不同圍壓水平的室內(nèi)三軸壓縮試驗，分析西部弱膠結(jié)泥巖的強度特征和基本力學(xué)指標(biāo)與圍壓的變化關(guān)系。含水率泥質(zhì)粉砂巖的強度對含水率的變化更為敏感，賈海梁等[15]通過測定泥質(zhì)粉砂巖在脫水過程中不同飽和度下的物理、力學(xué)性質(zhì)，深入研究了孔隙水對泥質(zhì)粉砂巖的微（細(xì)）觀軟化機制。

岷江尖子山航電樞紐工程右岸船閘地基的巖性以中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為主，內(nèi)含石膏雜質(zhì)。由于靠近河床，巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，局部存在擠壓破碎及輕微至中等溶蝕現(xiàn)象。由于受含水量、結(jié)構(gòu)特征等因素的影響，粉砂質(zhì)泥巖抗壓強度差異較大。因此，本文利用國際先進(jìn)的MTS 815巖石力學(xué)系統(tǒng)對天然狀態(tài)下的粉砂質(zhì)泥巖較為系統(tǒng)地開展了單軸壓縮和常規(guī)三軸壓縮試驗研究，獲得了該區(qū)域粉砂質(zhì)泥巖的基本力學(xué)性質(zhì)，同時結(jié)合含水率、原生裂隙及溶蝕情況對其破壞形態(tài)進(jìn)行了深入的原因分析和探討，為類似山區(qū)船閘工程設(shè)計和施工參數(shù)的選取提供了科學(xué)依據(jù)。

1 試驗描述

1.1 巖性特征與巖樣制備

本文試驗所用巖樣均取自該船閘地基面以下2.5～5.5 m及15.5～18.5 m處的擠壓破碎帶（見圖1）。

按照國際巖石力學(xué)學(xué)會（簡稱ISRM）的要求[15]，現(xiàn)場鉆孔取芯后立即進(jìn)行密封包裝，送至室內(nèi)加工為50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣，加工精度按照GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，收集巖樣制作后的殘余巖塊，烘干后稱重并計算出該巖樣對應(yīng)的天然含水量。

本次試驗共制作巖樣30個，其中13個巖樣用于單軸壓縮試驗，17個巖樣用于三軸壓縮試驗。鑒于制備后的巖樣所含天然裂隙均由石膏良好膠結(jié)，用于單軸壓縮試驗的巖樣分為兩組，即非溶蝕巖樣（A組）和溶蝕巖樣（B組）。在試驗前測得巖樣的幾何尺寸、天然密度和縱波波速。

1.2 試驗系統(tǒng)和加載過程

試驗以中國科學(xué)院成都分院山地災(zāi)害與環(huán)境研究所MTS 815巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)（見圖2）為試驗平臺，開展室內(nèi)單軸、三軸壓縮試驗。該設(shè)備具有軸向剛度大、測試精度高、性能穩(wěn)定等特點。

在試驗過程中，試驗系統(tǒng)實時記錄荷載、應(yīng)力、位移和應(yīng)變值，并同步繪制荷載-位移、應(yīng)力-應(yīng)變曲線。單軸壓縮的技術(shù)指標(biāo)為：軸向荷載0～1 000 kN（壓縮）;軸向位移0～90 mm;縱向變形引伸計量程為-4.0～4.0 mm，橫向變形引伸計量程為-2.5～12.5 mm;各測試傳感器的測量精度均為示值的0.5%。圍壓最大值為80 MPa，三軸縱、橫向變形引伸計量程為-2.5～5.0 mm和-2.5～8.0 mm。

單軸壓縮試驗采用變形控制方式進(jìn)行，試樣安裝、接觸完畢后，按0.05 mm/min的恒定加載速率進(jìn)行軸向加載，直至軸向荷載出現(xiàn)峰值并進(jìn)入峰后階段，試樣發(fā)生宏觀破壞。三軸壓縮試驗中，先按0.1 MPa/s的速率施加圍壓至預(yù)設(shè)水平，待圍壓量值穩(wěn)定后，按變形控制方式，以0.05 mm/min的加載速率施加軸向荷載，直至軸向荷載出現(xiàn)峰值并進(jìn)入峰后階段，試樣發(fā)生宏觀破壞。單軸和三軸試驗過程中實時記錄試樣軸向荷載及軸向、環(huán)向變形數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，收集破壞巖樣再次進(jìn)行烘干稱重，重新核定巖樣的天然含水量。

2.2 常規(guī)三軸壓縮試驗

由單軸壓縮試驗結(jié)果可知，含水量和溶蝕影響對粉砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強度影響很大。為了避免三軸壓縮強度的離散性過大，且考慮到船閘蓄水后地基土含水量不會太小，故而選取天然含水量較大的非溶蝕巖樣進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗。圖5和圖6給出了常規(guī)三軸壓縮試驗條件下粉砂質(zhì)泥巖非溶蝕巖樣的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞形態(tài)。

從圖5可以看出，在側(cè)限壓縮試驗條件下，非溶蝕巖樣的軟巖特征更加明顯。由于在施加靜水圍壓的過程中，巖樣內(nèi)部的初始裂隙得到了不同程度的壓密，在低應(yīng)力階段巖樣的應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線近似為一條直線，破壞時巖樣的軸向應(yīng)變值和環(huán)向應(yīng)變值顯著增大。

3 結(jié) 論

（1） 受天然含水量大小不同和溶蝕作用影響，擠壓破碎帶粉砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強度離散性很大。在天然含水量ω為7.3%～22.1%范圍內(nèi)時，單軸抗壓強度的最大值為23.19 MPa，最小值為2.05 MPa，前后兩者相差10.3倍。巖樣含水量越大，軟巖特征越明顯。非溶蝕巖樣的單軸抗壓強度與含水量呈良好的冪指數(shù)關(guān)系：σc = 1 299.5ω-2.038。

（2） 在圍壓的側(cè)限作用下，天然含水量的大小對巖樣的三軸抗壓峰值強度的影響更加明顯，含水量越大，抗壓峰值強度越低，反之亦然。常規(guī)三軸壓縮試驗條件下，當(dāng)天然含水量范圍為15.2%～19.9%時，非溶蝕巖樣強度破壞準(zhǔn)則的上、下限破壞包絡(luò)線表達(dá)式為：σs=2.765σ3+2.20、σs=1.27σ3+2.91。前者對應(yīng)的黏聚力是后者的0.51倍，前者對應(yīng)的內(nèi)摩擦角是后者的4.12倍。

（3） 在天然含水量較低或圍壓較低時，非溶蝕巖樣易發(fā)生剪切破壞;隨著天然含水量的增加和圍壓的增大（ω≥17.3%或σ3≥4 MPa），非溶蝕巖樣易發(fā)生鼓脹破壞。當(dāng)巖樣中裂隙傾角較緩時，在壓應(yīng)力作用下，裂隙兩側(cè)由于變形不協(xié)調(diào)易導(dǎo)致裂隙開裂或在高圍壓作用下局部塊體的擠出。在單軸壓縮條件下，巖樣的破壞形態(tài)與巖溶的空間分布關(guān)系密切。

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（編輯：鄭 毅）