三軸壓縮下砂巖強(qiáng)度特征和破壞特性試驗(yàn)研究

張 駿 （安徽建工檢測科技集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

砂巖屬于沉積巖的一種，由碎屑和填隙物兩部分構(gòu)成，其中碎屑的含量≥50%，顆粒直徑在0.05～2.00mm，碎屑常見礦物有石英、長石、巖屑以及少量的白云母等。砂巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有紅色、綠色、灰色、白色、淡褐色等多種顏色，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵。填隙物由兩種組分組成，即膠結(jié)物和碎屑雜基。膠結(jié)物類型一般分為鈣質(zhì)膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)等。雜基為沉積時(shí)顆粒更細(xì)小的黏土或粉砂質(zhì)物。砂巖是母巖在物源區(qū)風(fēng)化、剝蝕作用后形成的碎屑顆粒再經(jīng)流水搬運(yùn)作用在盆地機(jī)械沉積形成的。砂巖在我國30 個(gè)省（市、區(qū)）廣泛分布，其不同的礦物組成可膠結(jié)形式導(dǎo)致不同種類砂巖的工程特性差異較大，是目前的研究熱點(diǎn)所在。

目前，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對砂巖進(jìn)行廣泛而深入的研究。李嘉薏等[1-2]對紅砂巖改良土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，通過直接剪切試驗(yàn)分析了紅砂巖改良土干濕循環(huán)后的強(qiáng)度劣化特性。魏堯等[3-4]在不同溫度和不同圍壓下進(jìn)行三軸蠕變試驗(yàn)，利用兩種數(shù)學(xué)模型計(jì)算砂巖凍結(jié)后的長期強(qiáng)度，將三軸強(qiáng)度與長期強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，并比較了兩種計(jì)算模型的優(yōu)、劣。于越等[5-6]分別以自然浸水法、真空飽和吸水法對紅層砂巖進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，對不同干濕循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行強(qiáng)度、波速、吸水、CT 掃描試驗(yàn)等，研究了不同飽和方式的干濕循環(huán)作用下紅層砂巖力學(xué)損傷特性、孔隙變化特征。林志南等[7]對細(xì)粒石英砂巖進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，獲得了巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并對巖石破壞后的剪切裂隙面進(jìn)行分析，研究了石英砂巖三軸壓縮應(yīng)力下的強(qiáng)度變化特性、破壞模式和裂隙結(jié)構(gòu)面的形態(tài)特征。周輝等[8]設(shè)計(jì)不同的浸泡時(shí)間對泥質(zhì)砂巖進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，對不同浸泡時(shí)間的樣品進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，研究不同浸泡時(shí)間下巖石的強(qiáng)度和變形特性。梁忠豪等[9-10]設(shè)計(jì)巖石高溫?fù)p傷試驗(yàn)，對損傷后的巖石進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，研究黃砂巖高溫?fù)p傷作用下的力學(xué)、變形特性和微細(xì)觀破壞機(jī)制。陳四利等[11]設(shè)計(jì)了不同pH 值和不同化學(xué)溶液對砂巖進(jìn)行化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，對腐蝕后的試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，在試驗(yàn)中全程運(yùn)用CT識別技術(shù)對砂巖加載過程進(jìn)行掃描試驗(yàn)，結(jié)合砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線研究了不同pH 值和不同化學(xué)溶液對砂巖強(qiáng)度和變形的影響規(guī)律。張俊文等[12]利用巖石真三軸系統(tǒng)模擬不同深度和不同應(yīng)力路徑下的深部巖石真三軸試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲取不同工況下巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究了相應(yīng)的變形和強(qiáng)度特征。高陽等[13]通過對三種巖石進(jìn)行三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，獲取了巖石破壞后的空間裂隙形態(tài)特征，三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，獲取了不同種類巖石的空間裂縫形態(tài)和變形破壞特征。目前國內(nèi)學(xué)者對砂巖的研究多集中在砂巖的力學(xué)特性上，但少有研究不同風(fēng)化程度下砂巖的強(qiáng)度特征和破壞特性。鑒于此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，以中風(fēng)化、微風(fēng)化兩種風(fēng)化程度的砂巖為研究對象，進(jìn)行巖石三軸壓縮試驗(yàn)，研究不同風(fēng)化程度下的砂巖的強(qiáng)度特征和破壞特性，為區(qū)域工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)所用巖樣取自安徽省某工程鉆探現(xiàn)場，按巖石風(fēng)化程度劃分為強(qiáng)風(fēng)化組和中風(fēng)化組，試驗(yàn)根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266-2013）進(jìn)行制樣和試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為巖石三軸儀。利用鉆石機(jī)、磨石機(jī)等工具將巖石預(yù)制成高徑比為2：1 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣（高度H=100 mm、直徑Φ=50 mm）。兩組巖石分別設(shè)置0、5、10、15 MPa 四種圍壓進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)度特征

2.1.1 試驗(yàn)參數(shù)

巖石三軸試驗(yàn)的參數(shù)主要有最大主應(yīng)力、壓縮模量和泊松比。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，強(qiáng)風(fēng)化組砂巖的最大主應(yīng)力分別為7.76、16.71、22.24、30.64 MPa，壓縮模量分別為1.4、1.6、1.7、2.6 GPa；中風(fēng)化組砂巖的最大主應(yīng)力分別為46.45、56.41、68.24、72.44 MPa，壓縮模量分別為10.2、13.1、15.3、18.2 GPa；中風(fēng)化組砂巖的最大主應(yīng)力和壓縮模量在4 種圍壓下均顯著高于強(qiáng)風(fēng)化組砂巖；兩組砂巖的最大主應(yīng)力和壓縮模量隨著圍壓的增大均呈現(xiàn)出增加的趨勢。

強(qiáng)風(fēng)化組砂巖的泊松比分別為0.18、0.19、0.17、0.21，中風(fēng)化組砂巖的泊松比分別為0.23、0.25、0.22、0.22。中風(fēng)化組砂巖的泊松比整體高于強(qiáng)風(fēng)化組砂巖；兩組巖石的泊松比隨著圍壓的增加，均無明顯變化。

2.1.2 抗剪強(qiáng)度

根據(jù)莫爾-庫倫強(qiáng)度理論，利用上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出不同圍壓下的應(yīng)力莫爾圓，同時(shí)繪制出這些應(yīng)力莫爾圓的公切線，所得截距和曲線傾角分別為黏聚力C 和內(nèi)摩擦角φ，根據(jù)應(yīng)力莫爾圓獲得兩組砂巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表1 所示。

表1 黏聚力和內(nèi)摩擦角

由表1 可知，強(qiáng)風(fēng)化組砂巖的黏聚力C=2.59 MPa、內(nèi)摩擦角φ=25.24 °；中風(fēng)化組砂巖的黏聚力C=14.40 MPa、內(nèi)摩擦角φ=27.53°。由試驗(yàn)結(jié)果可知，中風(fēng)化組砂巖的抗剪強(qiáng)度較強(qiáng)風(fēng)化組高。

2.2 破壞特性

2.2.1 全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了研究巖石破壞時(shí)軸向和徑向的應(yīng)力應(yīng)變特征，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出兩組砂巖的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1、圖2所示。

圖1 強(qiáng)風(fēng)化組應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 中風(fēng)化組應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1 和圖2 可知，隨著圍壓的增加，兩組砂巖的最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)增大的趨勢。圍壓在15.00 MPa 時(shí)，強(qiáng)風(fēng)化組砂巖的最大主應(yīng)力為30.64 MPa，中風(fēng)化組砂巖的最大主應(yīng)力為72.44 MPa，中風(fēng)化組砂巖的最大主應(yīng)力整體較高。強(qiáng)風(fēng)化組砂巖的軸向應(yīng)變分布在0.7%～2.0% 之間，徑向應(yīng)變分布在0.3%～0.5%之間；中風(fēng)化組砂巖的軸向應(yīng)變分布在0.5%～0.7%之間，徑向應(yīng)變分布在0.2%～0.3%之間。強(qiáng)風(fēng)化組砂巖的軸向和徑向應(yīng)變整體較中風(fēng)化組大。

由圖1 和圖2 兩組砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，兩組砂巖的破壞過程大致可分為4 個(gè)階段。第一階段為裂隙壓密階段，此時(shí)曲線較緩，巖石內(nèi)部裂隙壓密閉合，軸向和徑向應(yīng)變增加較快，中風(fēng)化組砂巖在該階段較為明顯；第二階段為彈性變形階段，巖體由不連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)變成似連續(xù)介質(zhì)，此階段曲線直線上升，軸向和徑向應(yīng)變增加較慢，偏應(yīng)力增加較快；第三階段為穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，此階段已超過彈性極限，巖體進(jìn)入塑性變形階段，巖體內(nèi)部出現(xiàn)的微小裂隙隨著應(yīng)力的增加而持續(xù)擴(kuò)展變大，當(dāng)應(yīng)力保持不變時(shí)，裂隙也停止發(fā)展，此時(shí)偏應(yīng)力增加速率減緩、軸向和徑向應(yīng)變速率增加，強(qiáng)風(fēng)化組砂巖此階段較為明顯；第四階段為不穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（破壞階段），此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，偏應(yīng)力達(dá)到峰值，試樣發(fā)生破壞。

2.2.2 破壞模式

兩組砂巖破壞后試樣的情況如圖3和圖4所示。

圖3 強(qiáng)風(fēng)化組砂巖

圖4 中風(fēng)化組砂巖

結(jié)合全應(yīng)力-應(yīng)變曲線和巖石破壞后的情況可知，強(qiáng)風(fēng)化組砂巖屬于塑性破壞，巖石在破壞前變形較大，該組巖石軸向應(yīng)變最大達(dá)到2.0%，徑向應(yīng)變最大達(dá)到0.5%，未出現(xiàn)明顯的破壞荷載，表現(xiàn)出顯著的塑性變形。中風(fēng)化組砂巖屬于脆性破壞，巖石在荷載作用下變形較小就突然破壞，該組巖石軸向應(yīng)變最大在0.7%左右，徑向應(yīng)變最大在0.3%左右，由于巖石中存在的節(jié)理裂隙在荷載作用下發(fā)育的結(jié)果，反映出巖石的強(qiáng)度較高。

3 結(jié)論

本文以中風(fēng)化、微風(fēng)化兩種風(fēng)化程度的砂巖為研究對象，進(jìn)行巖石三軸壓縮試驗(yàn)，研究兩種風(fēng)化程度下的砂巖的強(qiáng)度特征和破壞特性，主要結(jié)論如下。

①中風(fēng)化組砂巖的最大主應(yīng)力和壓縮模量在不同圍壓下均顯著高于強(qiáng)風(fēng)化組砂巖，中風(fēng)化組砂巖的泊松比整體高于強(qiáng)風(fēng)化組砂巖。隨著圍壓的增加，兩組砂巖的最大主應(yīng)力和壓縮模量均呈現(xiàn)出增大的趨勢，而泊松比無明顯變化。中風(fēng)化組砂巖的抗剪強(qiáng)度較強(qiáng)風(fēng)化組高。

②兩組砂巖的最大主應(yīng)力隨著圍壓的增大均呈現(xiàn)出增加的趨勢，中風(fēng)化組砂巖的最大主應(yīng)力整體較高。強(qiáng)風(fēng)化組砂巖的軸向和徑向應(yīng)變整體較中風(fēng)化組大。兩組砂巖的破壞過程均可分為裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，中風(fēng)化組砂巖在裂隙壓密階段表現(xiàn)明顯，強(qiáng)風(fēng)化組砂巖在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段表現(xiàn)明顯。

③強(qiáng)風(fēng)化組砂巖屬于塑性破壞，巖石在破壞前變形較大，未出現(xiàn)明顯的破壞荷載，表現(xiàn)出顯著的塑性變形。中風(fēng)化組砂巖屬于脆性破壞，巖石在荷載作用下變形較小就突然破壞，反映出巖石的強(qiáng)度較高。