干湿循环作用下岩石力学性质的实验研究

2011-12-06姜永东阎宗岭刘元雪阳兴洋

中国矿业 2011年5期

姜永东,阎宗岭,刘元雪,阳兴洋,熊令

(1.后勤工程学院建筑工程系,重庆400041;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆400067;3.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆400044)

地壳中的岩土体长期遭受太阳辐射能量、风力、水等的作用,容易导致岩土体风化,使岩土体的结构和力学性质发生严重劣化。在岩土工程中,由于岩土体遭受风化作用使力学性质和结构发生劣化引起的灾害事故较多,而且非常严重,造成了极大的危害。

对岩土体进行干湿循环实验,可以模拟风化作用对岩土体力学特性的影响。干湿循环对土体力学性能的影响研究较多,取得了一些重要的研究成果[1-9]。其中 M.M.A llam 和 S.Sridharam[2]研究了干湿循环对黏土抗剪强度的影响;得出:干湿循环导致黏土抗剪强度降低。刘松玉等[3]研究了干湿循环对击实膨胀土胀缩特性的影响,得出:随着干湿循环次数增加击实膨胀土的绝对膨胀率总是增大,而相对膨胀率降低;凌建明等[4]研究了不同含水量以及不同干湿循环次数对路基填料无侧限抗压强度的影响,得出:随着干-湿循环次数增大,水泥-石灰土的无侧限抗压强度和抗压回弹模量均会减小。缪林昌等[5-8]实验研究了干湿循环对非饱和膨胀土水分特征曲线、裂隙演化和抗剪强度的影响,得出:干湿循环引起非饱和膨胀土土体结构的改变,导致土样中原有裂隙开展,新裂隙产生,裂隙数量增加并连通,最后形成网状裂隙,从而导致其长期强度和变形模量明显降低。杨和平等[9]研究了荷载条件下干湿循环对膨胀土的胀缩变形和强度变化规律的影响,得出:荷载对干湿循环过程中膨胀土的胀缩幅度及强度衰减具有明显抑制作用。干湿循环对岩石力学性能的影响研究较少,刘新荣等[10,11]研究了干湿循环作用下砂岩的剪切试验、单轴压缩试验、劈裂试验,得出:岩石的抗剪强度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角随干湿循环次数增加而减小。且呈对数函数关系。干湿循环条件下对崩解性岩石影响较大,因此论文将选用砂岩、页岩这两种岩石,开展干湿循环条件下的单轴压缩实验,试验研究干湿循环条件下对岩性、岩石变形特性、力学参数的影响。

1 干湿循环条件下岩石单轴压缩试验

1.1 试验设备与试件加工

试验设备采用M TS公司生产的M TS815岩石力学测试系统。该仪器主要用于测试固体材料在复杂应力条件下的力学与渗流特性,可以进行岩石的劈裂试验、单轴压缩试验、三轴压缩试验、循环加卸载试验、渗透性试验等。仪器的轴向最大载荷 2800kN,围压最大 80M Pa,孔压最大80M Pa,温度最高200℃,可采用力、位移、轴向应变、横向应变控制方式,测试的精度高,性能稳定。

岩样通过钻、切、磨等工序,加工成<50mm×100mm圆柱体,要求:两端面平行度≤0.002mm,垂直度≤0.01mm/(1000mm),表面平整度≤±0.1mm/(100mm)。

1.2 试验方法

1)实验岩样有砂岩和页岩,每一种岩性的试件加工5组,每组3～5个试件,并测定出试件的直径和高度。

2)将试件放入烘箱烘干12h,温度为60℃。然后取出冷却后放入水中浸泡12h,称为1次干湿循环。砂岩试件进行了1、3、6、9、12次干湿循环。因页岩完全浸入水中会破坏,采用喷水的方法吸水,页岩试件进行了1、2、3、4次干湿循环。

3)浸泡12h后测得砂岩的含水量为3.56%,页岩的含水量为2.65%。

4)试件循环次数达到后,将试件取出用保鲜膜包好,以防治水分蒸发。

5)将准备好的试件拿到M TS815岩石力学测试系统进行单轴压缩试验,实验时采用位移控制,加载速度为0.1 mm/min。实验中采集轴向力、轴向应变、横向应变、时间等参数。

1.3 干湿循环条件下岩石的变形特性

干湿循环条件下砂岩、页岩的单轴压缩试验部分结果如图1所示。从图1中可以看出:岩石应力-应变全过程曲线可以分为4个阶段,即初始压密、弹性变形、应变硬化和应为软化阶段。初始压密阶段轴向应变大于横向应变,体应变增加,试件体积缩小,岩石被压密,部分裂隙闭合。弹性变形阶段轴向应变大于横向应变,体应变增加,试件体积不断缩小,岩石表现出明显的线弹性。应变硬化阶段轴向力与轴向应变为非线性关系,这个阶段体应变有一个最大值,这个点对应的应力就是屈服应力,屈服点以前试件的体应变都在增大,试件体积缩小,过了屈服点之后,试件的横向变形迅速增加,体应变开始减小,试件体积开始增大,到峰值时,体应变趋于零,试件又恢复原体积。这个阶段岩石内部开始产生微裂隙,且裂隙随加载载荷增加加速扩展,最终裂隙汇合贯通使岩石破裂。应为软化阶段试件体积膨胀,体应变为负值,说明试件体积大于原体积。试件破裂后,岩石的承载能力没有完全丧失,还具有一定的承载能力,强度减弱到残余强度。

干湿循环次数增加,试件的横向变形与轴向变形增大,峰值点对应的轴向应变增大,产生的原因是水的软化作用和干湿循环对岩石的风化作用。岩石的单轴压缩试验破坏方式如图2所示。由图2可以看出:试件的破坏形式有剪切破坏和劈裂破坏。

1.4 干湿循环条件下岩石的力学特性

干湿循环条件下岩石的单轴压缩试验力学特性表1、图3～图6。实验研究得出:

1)试件在干湿循环实验过程中,砂岩未发现裂纹,页岩产生一些宏观的裂纹,且裂纹数随干湿循环次数增加而增加。

2)从表1中可以看出:岩石的单轴抗压强度、弹性模量、E50模量随干湿循环次数增加而减小,页岩的泊松比随干湿循环次数增加而增大,干湿循环次数对砂岩的泊松比影响不明显。对于砂岩:1次循环单轴抗压强度是12次循环的1.65倍,1次循环弹性模量是12次循环的2.03倍;1次循环E50模量是12次循环的2.92倍。对于页岩:1次循环单轴抗压强度是4次循环的1.57倍,1次循环弹性模量是4次循环的1.91倍;1次循环 E50模量是4次循环的2.17倍。

3)干湿循环次数对岩石力学特性的影响很明显,其原因是在干燥过程中,温度作用使试件产生轴向与径向膨胀,岩石结构发生微小的变化。在水浸泡过程中,水从试件表面的裂隙、孔隙进入岩石内部,润湿了岩石的矿物颗粒,水分子作用软化了岩石的物理状态,削弱了颗粒之间的联系,使得力学参数降底。

4)从图3～图6中可以看出:岩石的单轴抗压强度、弹性模量、E50模量与干湿循环次数呈对数函数关系,相关性很好。