干濕循環作用下砂巖力學劣化特性分析

龍朝輝

（廣東東水工程項目管理有限公司，廣東 東莞 523000）

目前，眾多學者紛紛展開研究，徐千軍等［1］指出通過室內試驗來研究坡體內部巖石的損傷機理，并總結水巖作用的增強會導致巖石的力學性質呈下降趨勢。傅晏等［2］指出巖石在地下水滲流過后會產生蝕變現象，從而弱化巖石的力學性能。姚華彥等［3］指出砂巖會隨干濕循環次數的遞增產生一種由脆性破壞向延性破壞轉換的趨勢，同時，也指出大理巖、花崗巖等巖石具有相似的劣化趨勢。宋勇軍等［4］為探究紅砂巖在動態干濕循環作用下是否會在抗拉強度上存在顯著的劣化效應，通過動態拉伸力學試驗，設定不同的加載速率和干濕循環次數來量化對紅砂巖力學性能的影響。柴肇云等［5］基于單軸沖擊壓縮試驗來分析煤礦砂巖在干濕循環作用下的力學動態演化趨勢，發現砂巖在首次干濕循環中其動態抗壓強度產生一個顯著的增強效應，但隨循環次數遞增，其單軸抗壓強度逐漸轉化成遞減趨勢。鄧華鋒等［6］利用高速攝像機來探究在動態沖擊作用下，砂巖的破壞特征和變形演化趨勢。柴少波等［7］以三峽庫區的砂巖為試驗對象，分析飽水-風干循環對其影響，發現隨循環次數的增加，砂巖的損傷越顯著。

本文以某水庫水位波動對庫岸邊坡的影響為工程背景，將試驗對象設定為水庫水位幅變區域帶的砂巖，通過巖石三軸壓縮儀器來研究砂巖在水巖作用下的力學劣化特性及演化規律。干濕循環分別采用飽水和風干砂巖試樣來展開試驗研究，量化砂巖的力學演化規律和劣化特性，并引入劣化率的概念來闡述水位波動時的砂巖力學性質，旨在還原工程實際中水位波動對庫岸砂巖力學性能的影響。

1 試驗設計

水庫庫岸邊坡內部廣泛分布砂巖，其力學特性是庫岸邊坡安全穩定性的關鍵因素。本文試驗所用砂巖選自某地區某水庫邊坡內部巖體，由云母、斜長石和石英等構成，具有典型的代表性，天然密度2.7 g/cm3。試驗前基于《水利水電工程巖石試驗規程》［8］對試樣進行預處理，規范規定巖石試樣尺寸應為r=25 mm（半徑）、l=100 mm（高度）的圓柱體，并在試驗前，對預處理好的巖石試樣展開回彈值和縱波波速檢測，選取達到規范標準的試樣進行三軸壓縮試驗。試驗分為4 個試驗組，每個試驗組再設置4 個巖石試樣進行對照分析；將試樣按15，5，1，0 循環次數展開干濕循環試驗（通過設定飽水條件來模擬濕潤工況及設定風干條件來模擬干燥工況）。一次飽水-風干循環試驗包含試樣浸泡和浸泡風干程序，其中浸泡程序是對試樣浸泡25 d，模擬水位上升階段，以期達到砂巖試樣飽和狀態；浸泡風干程序是將試樣放置在風干試驗箱里進行5 d 的風干，模擬庫區水位下降現象。然后將浸泡和浸泡風干后的試樣按照20，10，5，0 MPa 圍壓強度進行三軸力學試驗，通過軸向逐級加載向試樣施加垂直荷載，直至試樣產生斷裂破壞現象，在此期間通過計算機實時記錄試樣的應力－應變演化數據，并基于試驗后的試樣測算出試樣破壞時其破壞面與最大軸向作用面夾角，為推算內摩擦角提供校核參數。

2 試驗結果與分析

2.1 砂巖試樣峰值抗壓強度的變化規律

不同圍壓強度下飽水－風干循環作用下的峰值抗壓強度，其峰值抗壓強度數值主要受循環次數和圍壓強度影響顯著，峰值抗壓強度與圍壓強度呈正比；與循環次數呈反比。峰值抗壓強度在圍壓強度為20 MPa，循環次數為0 次時，其達到試驗最大峰值抗壓強度，即185.02 MPa。不同飽水－風干循環作用下砂巖應力－應變擬合曲線如圖1。由圖1 可知，循環次數與砂巖的峰值強度呈反比，循環次數越多，會引起峰值強度產生更大的應變現象。

圖1 不同飽水－風干循環作用下砂巖應力－應變擬合曲線

基于圍壓強度的演化和飽水－風干循環次數顯著的影響峰值抗壓強度數值，試驗將自變量定義為不同圍壓強度值和不同飽水－風干循環次數N，將因變量定義為峰值抗壓強度，而后展開試驗量化分析峰值抗壓強度所受的影響，其動態演化關系曲線如圖2。

圖2 飽水－風干循環作用下峰值抗壓強度變化曲線

圖2(a)顯示，不同圍壓強度下，總體呈現隨循環次數的增加產生應力遞降趨勢，其中峰值抗壓強度在前兩個循環周期內，產生較為顯著的應力沉降，而后隨循環次數的遞增，其峰值抗壓強度逐漸趨于平緩，循環次數對峰值抗壓強度的劣化特性逐漸趨于弱化。

圖2(b)顯示，在不同飽水－風干循環次數下，隨圍壓強度的遞增，峰值抗壓強度總體呈現上升趨勢，循環次數越大，峰值抗壓強度增幅越顯著。說明砂巖峰值抗壓強度受圍壓演化規律的顯著影響，砂巖的峰值抗壓強度降幅與圍壓強度值呈反比例關系。

圖2(c)顯示，不同圍壓強度下，飽水－風干循環次數和峰值抗壓強度的關系，與指數分布相似，同時，兩參數可通過指數函數關系式來表達，即：

式中N 為干濕循環次數（飽水－風干工況下）；A，B，C 均為試驗擬合的常數。

2.2 砂巖試樣黏聚力c 和內摩擦角φ 的演化規律

圖3 顯示三軸試驗獲得的抗剪強度基本參數，基于規范提出的摩爾-庫倫基本準則，可繪制出砂巖試樣的內摩擦 角φ 和 黏聚力c，并通過 Origin 進行線性擬合得到關系曲線，如圖3。表1 顯示不同飽水－風干循環作用下內摩擦角φ、黏聚力c 計算結果，由表1 可知，飽水－風干循環次數N 與抗剪強度基本參數黏聚力c 和內摩擦角φ呈反比例關系。

表1 飽水－風干循環作用下內摩擦角φ、黏聚力c 計算結果

圖3 黏聚力c 和內摩擦角φ 值隨飽水－風干循環次數變化擬合曲線

基于圖3的演化曲線和表1 的抗剪強度基本參數，可推導出砂巖試樣在飽水－風干循環作用下，隨循環次數的遞增，內摩擦角φ、黏聚力c 均呈總體數值降低趨勢，但劣化趨勢呈差異性，其演化關系符合指數分布規律，也可用函數關系進行表示，即：

內摩擦角φ 為：

黏聚力c 為：

在經過干濕循環15 次后，內摩擦角φ 和黏聚力c 分別降低15%和30%；由45.75°變為38.72°和由18.39 MPa 變為12.76 MPa；即為初始值的84.63%和初始值的69.39%。在同一循環次數下，內摩擦角φ降幅均低于黏聚力c，說明飽水－風干循環作用更加顯著的影響黏聚力c 的數值。

2.3 巖石力學性質劣化的變化分析

基于上述試驗數據可知，砂巖力學性質在飽水－風干循環作用下產生顯著的劣化現象。為定量分析劣化發展規律，通過內摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強度τ 參數來擬合構建劣化率函數關系式，如式（4）：

式中F(N)，f(N)，f(0)分別為循環N 次后的劣化率；循環N 次后的力學參數值和砂巖的初始力學參數值。

表2、圖4 和圖5 顯示三軸壓縮試驗獲得的砂巖力學參數和推導出的各工況下的劣化率。內摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強度τ 的劣化率隨飽水－風干循環次數的遞增而逐漸增大，前期增幅顯著，后期趨于平緩，說明在干濕循環作用下，其砂巖劣化特性主要集中在試驗初期。峰值強度劣化率因圍壓強度不同而呈現差異性，同一循環次數下，峰值抗壓強度劣化率隨圍壓的增大而減小，說明可通過提高圍壓強度來降低劣化率。

表2 砂巖力學參數劣化率

圖4 不同圍壓作用下峰值抗壓強度劣化率擬合曲線

圖5 黏聚力c、內摩擦角φ 劣化率擬合曲線

3 結語

（1）在水巖作用下，砂巖峰值抗壓強度隨圍壓增大而增大；若圍壓強度相同，內摩擦角、黏聚力、砂巖峰值抗壓強度與循環次數呈反比例關系，且在試驗初期，其參數數值降低幅度較大，后期受水巖作用影響逐漸趨于平緩。

（2）飽水－風干循環次數N 與內摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強度τ 的演化關系遵循指數分布規律。在同一循環次數下，其參數數值降低按小到大排列，依次為內摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強度τ。說明內摩擦角φ 受水巖作用影響顯著最小。

（3）在試驗初期，水巖作用導致劣化率出現較大增幅趨勢，而后劣化率逐漸趨于平緩，趨于某一定值，受水巖作用微弱；在同一飽水－風干循環次數下，峰值抗壓強度劣化率與圍壓強度呈反比，說明圍壓強度的增強可有效降低砂巖的劣化率；內摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強度τ 隨飽水－風干循環次數的遞增，其劣化率呈現內摩擦角φ 劣化率最小，砂巖峰值抗壓強度τ 劣化率最大趨勢，說明水巖作用顯著影響砂巖峰值抗壓強度τ。