中等風化砂巖和泥質粉砂巖力學特性試驗研究★

張本蛟，梅 燦，傅旭東

(1.湖北省工程咨詢股份有限公司,湖北 武漢 430000;2.中鐵十一局集團有限公司,湖北 武漢 430061; 3.武漢大學土木建筑工程學院,湖北 武漢 430072)

0 引言

軟巖在世界上的分布非常廣泛,泥巖和頁巖就占地球表面所有巖石的50%左右[1]。Johnston(1989)[2]認為軟巖是介于巖和土之間的一種材料,其具有易碎、易膨脹、不連續等特性。

很多學者對巖石試樣在豎向靜載和循環荷載作用下的強度、變形、破壞模式等方面進行了研究,取得了豐碩的成果。葛修潤等[3-4]對循環荷載作用下巖石變形和強度特性進行了研究,認為巖石疲勞壽命主要由其本身結構、荷載幅值等因素決定的。賀建清等[5]對摻土煤矸石開展動三軸試驗,對其在循環荷載作用下的動力特性進行研究,結果表明,摻土煤矸石的動應力-應變骨干曲線可采用雙曲線擬合。席道瑛等[6]對南京砂巖、合肥砂巖開展了循環加載試驗,得到了試樣在頻率為0.5 Hz～25 Hz 的滯回曲線,闡明了循環加載的應變硬化和軟化響應。呂龍龍等[7]對胡麻嶺隧道紅層軟巖進行了側限壓縮與常規三軸壓縮試驗,分析了該類軟巖的壓縮特性、脆性、擴容特性等。

本文以中等風化砂巖和泥質粉砂巖兩種極軟巖為研究對象,開展了無側限抗壓強度試驗、三軸壓縮試驗和豎向循環荷載試驗,得到了兩種極軟巖的應力-應變曲線、體變-應變曲線、軸向累積塑性應變曲線和破壞形態等特性,研究成果對認識極軟巖的力學參數、變形特性等具有一定的參考價值。

1 試驗方法

在某施工現場采集中等風化砂巖和泥質粉砂巖巖塊運回實驗室,采用水鉆法加工,在巖塊的某一面上密集套鉆取得試樣,其尺寸為φ42 mm×H84 mm。鉆芯取樣后,為防止巖樣開裂,用透明膠將其包裹,并按照GB/T 50266—2013工程巖體試驗方法標準[8],在砂輪機上將芯樣兩端打磨平整,在水中養護48 h后進行試驗。

軟巖試樣的無側限抗壓強度試驗和三軸壓縮試驗是在英國GDS動三軸上進行的,如圖1所示。試驗采用應變式控制,軸向壓力通過荷載傳感器自動采集,軸向變形通過位移傳感器自動采集,每秒采集1個數據點。

根據《工程巖體試驗方法標準》,巖石試樣無側限抗壓強度試驗和三軸壓縮強度試驗應以每秒0.5 MPa～1.0 MPa 的加載速度施加軸向荷載,直至試件破壞。由于飽和軟巖試樣的強度較低,若加載速率較大,試樣在十幾秒甚至幾秒內就完全破壞了,試驗過程難以把握。由于單軸抗壓和三軸壓縮試驗是準靜態試驗,在一個量級內的加載速度對試驗結果基本無影響。故本文中,原狀軟巖試樣的無側限抗壓強度試驗和三軸壓縮強度試驗以每分鐘軸向應變為0.05%～0.1%的速率來進行,使無側限抗壓強度試驗在20 min～30 min內完成,三軸壓縮試驗在60 min內完成。

為了研究原狀軟巖在循環荷載作用下的變形特性,對原狀中等風化砂巖和弱風化泥質粉砂巖開展單軸循環荷載試驗。取軟巖循環荷載試驗的頻率f=0.20 Hz、靜偏荷載比SLR=0.30,循環荷載比分別為CLR=0.30和CLR=0.55。

2 靜荷載試驗結果分析

1)無側限抗壓強度試驗:試樣安裝好后開始無側限抗壓強度試驗,剪切速率為0.03 mm/min。原狀中等風化砂巖和弱風化泥質粉砂巖的單軸抗壓強度應力-應變全過程曲線如圖2所示。

由圖2可知,原狀飽和中等風化砂巖的單軸抗壓強度為2.89 MPa,峰值應力對應的應變為1.832%,變形模量為377.44 MPa;原狀飽和弱風化泥質粉砂巖的單軸抗壓強度為4.93 MPa,峰值應力對應的應變為1.978%,變形模量為258.45 MPa。

2)三軸壓縮試驗:試樣安裝好后施加圍壓進行各向等壓固結,當外體變不變時,則固結穩定。固結結束后施加軸向荷載進行剪切,剪切時打開排水排氣閥,剪切速率為0.03 mm/min。軸向變形、軸向荷載、體變等數據分別由位移傳感器、荷載傳感器和體變傳感器等自動采集。由于原狀試樣內部有少許微裂隙,在試驗之前較難發現,會導致試驗數據離散型較大。開展多組三軸試驗,從中選擇規律性較好的數據繪制莫爾應力圓。試驗方案和試驗結果如表1所示。

表1 原狀極軟巖試樣三軸壓縮試驗方案及成果

中等風化砂巖三軸試驗成果如圖3所示。該砂巖的單軸抗壓強度約為2.89 MPa,屬于極軟巖。由應力-應變曲線可知,較小圍壓下,壓密段顯著,隨著圍壓的增大,壓密段范圍逐漸減小,這是因為高圍壓下,試樣發生固結壓密程度也相應增大,從而在偏壓荷載下,其壓密段的軸向變形也相應減小。從體積應變來看,砂巖試樣三軸試驗在不同的周圍壓力下先為體縮后變為體脹,試樣開始發生體脹時對應的應變比應力達到峰值時的破壞應變略小,即先發生體脹然后應力才達到峰值,這是因為體脹是由剪切面上顆粒錯動引起的,在顆粒錯動一定程度后抗剪強度才發揮到峰值。圍壓越大,達到峰值后,其應力下降的越快,試樣越“脆”,即脆性越顯著。中等風化砂巖試樣三軸加載破壞如圖4所示,剪切面的傾角約為75°,傾角θ與內摩擦角φ之間的關系為θ=45°+φ/2。

中等風化砂巖三軸壓縮試驗應力-應變曲線可分為四段:OA段為壓密階段,孔隙或微裂隙壓密,體積縮小;AB段為彈性變形階段,呈彈性變形性質;BC段為塑性強化階段,出現不可逆的塑性變形;CD段為應變軟化階段,強度隨變形的增大而減小,試樣強度從峰值強度下降為殘余強度,形成更大的永久變形,如圖5所示。

弱風化泥質粉砂巖試樣的三軸試驗成果如圖6所示,三軸試驗加載破壞巖樣如圖7所示。

由圖6,圖7和表1可知,弱風化泥質粉砂巖的應力-應變曲線也屬于應變軟化型曲線,但并非典型的四段式,壓密段、直線段及軟化段較為明顯,而塑性段不明顯。圍壓越大,峰值強度越高,破壞應變越大。達到峰值強度后,偏應力迅速降低。試樣的剪切面并沒有呈現出非常規律的角度,這是因為相較于中等風化砂巖,這種泥質粉砂巖試樣內部的孔隙及微裂隙更加發育,在軸向應力作用下,剪切面在最薄弱面上生成。

3 動荷載試驗結果分析

原狀中等風化砂巖和弱風化泥質粉砂巖在豎向循環荷載作用下的動應變εd-循環次數N關系曲線如圖8,圖9所示。試驗中,頻率f=0.20 Hz,靜偏荷載比SLR=0.30。

由原狀軟巖的循環荷載試驗可知:中等風化砂巖的上限應力比為0.6、循環荷載幅值為0.3σc時,巖樣循環6 580次未破壞,此時累積塑性應變約0.55%;上限應力比為0.85、循環荷載幅值為0.55σc時,497個循環周期后破壞,破壞瞬間對應的累積塑性應變約0.51%。弱風化泥質粉砂巖的上限應力比為0.6、循環荷載幅值為0.3σc時,巖樣循環810次未破壞,此時累積塑性應變約0.31%;上限應力比為0.85、循環荷載幅值為0.55σc時,1 684個循環周期后破壞,破壞瞬間對應的累積塑性應變約0.61%。

周期荷載作用下,巖石變形的彈性部分在卸荷的過程中將會得到恢復,但是不可逆變形(累積塑性變形)會殘留下來。不可逆變形的大小、增長趨勢及總的累積量是巖石疲勞力學性能更本質的反映。

4 結論

通過對原狀中等風化砂巖和弱風化泥質粉砂巖開展三軸壓縮試驗和單軸循環荷載試驗,得出以下結論:

1)圍壓越大,軟巖試樣的峰值應力及破壞應變越大。

2)在軸向偏應力作用下,試樣先發生體縮再發生體脹,試樣開始發生體脹時對應的應變比應力達到峰值時的破壞應變略小。

3)當循環荷載較小時,試樣的軸向累積塑性應變表現為穩定型;當循環荷載較大時(超過某一閥值),試樣的軸向累積塑性應變表現為破壞型。本次試驗中,靜偏荷載與循環荷載之和約為0.85σc時,試樣在循環荷載作用下達到破壞。