间歇性泡水对砂岩力学性能的影响研究

何 叶，赵明阶，杨艳萍，龙腾辉

（1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074;2.云南省航务管理局，云南 昆明 650021;3.重庆同乘工程咨询设计有限责任公司，重庆 400023）

间歇性泡水对砂岩力学性能的影响研究

何 叶1，赵明阶1，杨艳萍2，龙腾辉3

（1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074;2.云南省航务管理局，云南 昆明 650021;3.重庆同乘工程咨询设计有限责任公司，重庆 400023）

结合现场采样和三轴试验，以工程中较常见的砂岩为例，设计了不同泡水次数，对砂岩进行了间歇性泡水试验和力学指标测试。通过对天然状态和不同泡水次数下砂岩力学指标的比较分析，研究了间歇性泡水前后砂岩力学性能的变化规律。研究结果表明:随着间歇性泡水次数的增加，砂岩的抗压强度、黏聚力和内摩擦角都呈下降趋势，其变化规律基本符合指数分布。

岩石力学;间歇性泡水;力学性能;试验研究

水-岩相互作用研究是岩土工程中的前沿课题之一。渗水压力和水动力作用对岩石所产生的物理、化学和力学作用，会引起岩石力学性质的改变，这个变化过程正是导致工程岩体发生变形破坏的根本原因［1］。岩石强度是评价岩石工程稳定性的重要参数之一，为了通过研究岩石强度来进行支撑结构物的稳定性分析，周翠英，等［2］对华南地区的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩进行了泡水试验研究，并将岩石软化的试验参数应用到了广东省东深供水改造工程的边坡稳定性分析;刘素梅［3］、徐礼华，等［4］对丹江口水库区岩石在水环境下软化后的物理、力学性能进行了试验研究，得到了丹江口库区岩样的基本物理参数及其在干燥、天然和饱和状态下的单轴抗压强度、弹性系数以及岩石软化系数，并建立了抗压强度与弹性模量，孔隙率与弹性模量之间的关系式;傅晏，等［5］对重庆地区的微风化砂岩进行了泡水试验，试验结果表明，干湿循环对砂岩造成了不可逆的渐进性损伤，并对单轴抗压强度及抗拉强度的损伤程度进行了定量分析;乔丽萍［6］、刘建，等［7］对砂岩在干燥、泡水、蒸馏水以及不同离子浓度和pH值水溶液循环流动作用下，开展了一系列单轴压缩试验和CT损伤测试，对砂岩弹塑性力学特性的水物理化学作用进行了系统研究，并提出采用改进后的Duncan模型来反映一定水溶液下砂岩的水物理化学作用效应是可行的;I.B.Vasarhely，等［8］也致力于岩石泡水后强度降低方面的研究。可见，岩体泡水会劣化岩体强度，给工程带来不利影响，但以往研究多建立在岩体持续水试验基础上，对于岩体间歇性循环泡水作用后力学性能的研究资料较少，基于此，笔者依托云南省富宁港工程，考虑周期性大水位变化的特点，结合岩石泡水试验和强度测试试验，对间歇性循环泡水作用下岩石的力学性能进行了研究。

1 依托工程概况

云南省在建港口富宁港位于云南省东南部文山壮族苗族自治州富宁县剥隘镇内，甲村河左岸河段上，岸线长约2.5 km。所处的山地高原地形错综复杂、地面波状起伏、河谷下切较深、高原边缘地面崎岖、高原型季风气候垂直变化显著、干湿季分明、年平均降水量和蒸发量大，造成了高原山区特有的水文地质条件复杂、地表岩石风化严重、岩石裂隙发育、稳定性差、库湖区水位变幅大等不良条件。

1.1 地层岩性

工程所在地域下卧基岩为三叠系中统百逢组第3段及第4段（T2b3、T2b4）地层，广为分布的岩石为中风化泥岩和砂岩，其中中风化砂岩的平均厚度为6.72 m，是主要持力层。

1.2 水文条件

富宁港处在百色水利枢纽的常年回水区，受百色水利枢纽工程水库运行调度影响，其水位落差达到了25 m，根据百色水利枢纽运行调度方案确定的年水位变化规律曲线如图1。

图1 年水位变化规律曲线Fig.1 Curve of annual water level change

在分析百色水利枢纽水文特征数据的基础上，结合港口及前方航道的特点，确定了富宁港港区设计水位（黄海高程）。设计高水位:228.50 m（相当于枢纽正常蓄水位 +超蓄高度）;设计低水位:203.00 m（相当于枢纽死水位）。

2 试验设计

结合富宁港的水文地质资料，考虑周期性水位变化的特点，港区岩体将长期处于间歇性泡水状态，基于此对该工程现场采集的砂岩岩样进行了间歇性泡水试验和力学指标测试。

2.1 选样、试件加工与分组

为了研究富宁港运营期结构物的长期稳定性，就必须研究受周期性水位变化影响下，下伏基岩的力学性质，掌握力学指标的变化规律，基于此，选择了持力层砂岩来进行泡水试验研究。根据试验需要和规范要求，现场钻心取样、切割、打磨，分别加工了Φ50×100 mm的三轴试验试样25个，Φ50×30 mm的劈裂试验试样15个，以5个三轴试验试样和3个劈裂试验试样为1组，共分为5组。

2.2 岩样泡水设计

根据图1所示的年水位变化规律曲线，港区岩体年泡水时间和晾置时间比约为8∶4。对于库岸岩体而言，水位的周期性变化直接表现为岩体间歇性泡水作用过程，因此进行室内试验时，将周期性水位变化等效为间歇性泡水作用进行泡水设计。按比例，将岩样的一次间歇性泡水周期设为12 d，泡水时间为8 d，晾置时间为4 d，循环4个周期，按不同的泡水周期设计5个工况（天然状态取1组，定为工况1，其余4组分别泡水1～4个周期，即工况2～工况5），每个工况取1组试样进行试验。

2.3 试验方案设计

在泡水试验的基础上，通过三轴试验和劈裂试验，对不同工况下的岩样进行了强度测试，比较分析了岩样间歇性循环泡水后各力学参数的变化情况。

2.4 力学指标测试方法与步骤

首先通过试验获得砂岩的三轴抗压强度和抗拉强度，然后根据系统输出的岩样破坏过程的应力-应变曲线推算各个阶段的黏聚力c和内摩擦角φ等参数，最后根据计算的c、φ值，推算不同工况下岩样的单轴抗压强度。其中计算黏聚力与内摩擦角的基本步骤如下:

1）不同围压下的轴向应力值计算;

2）最佳关系曲线的绘制;

3）包络图的绘制。

结合岩石三轴试验，在以上步骤基础上，根据Mohr-Coulomb破坏准则可以得到求解c、φ值的公式如式（1）:

式中:b为最佳关系曲线上纵坐标的应力截距;m即表示最佳关系曲线的斜率。

3 间歇性泡水试验成果分析

通过力学指标的测试与计算，得到了不同间歇性泡水次数下砂岩的力学指标，结合泡水试验，对这些指标进行对比和拟合分析后，就可以得到岩样的力学指标随间歇性泡水次数的变化关系。

3.1 抗压强度随泡水次数的变化规律

对不同工况下测试的三轴抗压强度进行换算以后，得到不同间歇性泡水次数下砂岩的单轴抗压强度如表1，实测和拟合分析结果如图2。

表1 试验记录Table 1 Test record sheet

图2 抗压强度曲线Fig.2 Curve of compressive strength

从而得到间歇性泡水次数n与砂岩单轴抗压强度σc的拟合关系式如式（2）:

从拟合关系式可以发现，砂岩的抗压强度随间歇性泡水次数的变化基本上符合指数变化规律。随着泡水次数的增加，抗压强度逐渐降低，第1次泡水后强度折减幅度最大，达到了11.6%，随着泡水次数的增加折减幅度逐渐变小，泡水2～4次后的强度折减系数都在5%左右，已逐渐趋于平稳。

3.2 抗拉强度随泡水次数的变化规律

由劈裂试验测得不同泡水次数下，砂岩的抗拉强度值如表1，对实测数据进行拟合分析后得到的抗拉强度σt随泡水次数的变化规律曲线见图3，对应的拟合关系式如式（3）:

图3 抗拉强度曲线Fig.3 Curve of tensile strength

可见，砂岩的抗拉强度随间歇性泡水次数的变化情况也基本上符合指数变化规律，变化幅度也可以通过强度折减率反映，泡水1～4次后抗拉强度折减率分别为5.7%，8.1%，2.2%，1.8%，随着泡水次数的增加，抗拉强度折减率逐步减小。

3.3 抗剪强度随泡水次数的变化规律

岩石的抗剪强度主要通过黏聚力和内摩擦角来反映，结合三轴试验结果，计算出不同泡水次数下砂岩的c、φ值如表2。

表2 c、φ值Table 2 Value of c and φ

对表4的数据进行拟合分析后得到c、φ值随泡水次数的变化规律曲线见图4，拟合关系式如下:

式中:c为黏聚力;φ为内摩擦角;n为泡水次数。

图4 c、φ值变化曲线Fig.4 Curve of c and φ

图4给出了强度参数c、φ值随泡水次数的变化关系曲线，拟合曲线基本符合指数变化规律。内摩擦角泡水前后变化幅度小，4次泡水减小了5.2°;黏聚力泡水前后变化明显，循环泡水4次后累计折减率达到了41.3%，幅度较大。实际工程中，黏聚力大小直接影响岩体抗剪切破坏能力，间歇性循环泡水引起岩体抗剪强度快速、大幅度折减现象是工程岩体变形破坏的根本原因，也是工程隐患所在。

4 结语

结合富宁港工程砂岩的泡水和参数测试试验，对不同泡水次数下砂岩的抗压强度、抗拉强度、c、φ值等力学指标进行了测试、计算和拟合分析，对间歇性泡水作用下砂岩力学性能的影响规律进行了研究，研究结果表明:

1）水位变化引起的港区岩体间歇性泡水过程会加速岩体力学指标的折减;

2）泡水前后砂岩力学指标的分析表明:随着间歇性泡水次数的增加，砂岩的抗压强度、抗拉强度和c、φ值的变化规律都基本符合指数变化规律。

3）间歇性泡水前后，砂岩的黏聚力折减幅度较大，这种现象是导致工程危害的隐患。

（References）:

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TANG Lian-sheng，ZHOU Cui-ying.Analysis on mechanism of permeation and hydrochemical action resulting in failure of loaded rock mass［J］.ACTA Scientiarum Universitatis Sunyatseni:Natural Science，1996，35（6）:95-100.

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ZHOU Cui-ying，DENG Yi-mei，TAN Xiang-shao，et al.Experimental research on the softening of mechanical properties of saturated soft rocks and application［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（1）:33-38.

［3］ 刘素梅，徐礼华，李彦强.丹江口水库岩石物理力学性能实验研究［J］.华中科技大学学报:城市科学版，2007，24（4）:54-58.

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FU Yan，LIU Xin-rong，ZHANG Yong-xin，et al.Study on the influence of water-rock interaction on the uni-axial strength of sandstone［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2009（6）:54-58.

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QIAO Li-ping，LIU Jian，FENG Xia-ting.Study on damage mechanism of sandstone under hydro-physico-chemical effects［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（10）:2117-2124.

［7］ 刘建，乔丽苹，李鹏.砂岩弹塑性力学特性的水物理化学作用效应试验研究与本构模型［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（1）:20-29.

LIU Jian，QIAO Li-ping，LI Peng.Experimental studies and constitutive model of elastoplastic mechanical behaviors of sandstone with hydro-physicochemical influencing effects［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（1）:20-29.

［8］ Vasarhely I B，Van P.Influence of water content on the strength of rock［J］.Engineering Geology，2006，84（1/2）:70-74.

Influence of Intermittent Saturation on Mechanical Properties of Sandstone

HE Ye1，ZHAO Ming-jie1，YANG Yan-ping2，LONG Teng-hui3
（1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Yunnan Flight Operations Administration Bureau，Kunming 650021，Yunnan，China;
3.Engineering Consulting and Design Co.Ltd.of Chongqing Tongcheng，Chongqing 400023，China）

Combining with field sampling and tri-axial test，and taking sandstone which is common in project for example，different saturation numbers are designed.Then intermittent saturation trial and mechanical index test are conducted.Through comparative analysis of mechanical index of sandstone under natural state and different saturation number，research about the change regularity on mechanical properties of sandstone before and after intermittent saturation is carried out.The results show that:with the increase of intermittent saturation number，the compressive strength，cohesion and internal friction angle of sandstone all show a downward trend and their varying regularities probably conform to an exponent curve.

rock mechanics;intermittent saturation;mechanical properties;experimental research

TU 45

A

1674-0696（2011）06-1359-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.23

2011-06-20;

2011-07-18

云南省交通厅科技项目资助（YN2009SY02）

何 叶（1984-），女，湖南益阳人，硕士研究生，主要从事结构、岩土方面的研究。E-mail:heye.1984@163.com。