水对皖红砂岩力学特性影响的试验研究

吴 平， 姚华彦， 朱大勇， 卢 睿， 周玉新

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009；3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司 金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；4.中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北武汉 430071）

水是工程短期或长期稳定性的关键因素，由水引起的地质灾害逐渐受到人们的关注。许多学者从不同含水率或者饱水状态等［1－5］角度探讨了水对岩石的强度、力学特性指标以及变形特性的影响规律。实际岩体往往处于三维应力状态下，故研究实际现场应力状态下水对岩体强度和变形的影响机理尤为重要。文献［6］研究了不同饱水时间和不同围压下的软岩强度的变化规律；文献［7－8］分析了三轴压缩下水对绿泥石片岩及云母石英片岩力学特性的影响规律；文献［9］通过三轴压缩试验，探讨了油页岩的强度和变形特性随围压和水化时间的变化规律及破坏形式。上述研究成果对于岩土工程中地下采矿工程、道路隧道工程等均有重要的工程实践意义。

绩黄（绩溪至黄山）高速公路是安徽省高速公路网规划扬州至绩溪高速公路的重要组成部分，南接屯溪至杭州高速公路。高速公路建成后，对完善皖南山区高速公路网，加快沿线旅游资源开发，促进区域经济发展和社会进步具有重要作用，故该路段路基安全稳定性问题受到人们的广泛关注。该路段所经地区位于皖南中低山区的腹地，地形起伏大，沟壑纵横，沿线分布的覆盖土层厚度较薄，下伏层多为红砂岩，大部分路段利用红砂岩填筑路基，红砂岩的力学特性直接影响到绩黄高速公路路基的长期稳定与安全。但此类红砂岩遇水易软化和崩解，工程性质极差，难以直接作为路基的填筑材料［10］。

为确保工程安全运行，探讨水和围压对红砂岩的强度和变形影响规律显得尤为重要。鉴于此，本文采用三轴压缩试验研究了水对红砂岩的力学性质的影响，分析了水和围压分别对岩石强度和变形特性的影响规律，并总结其破裂形式及机制，为红砂岩作为实际工程路基填筑材料提供理论依据。

1 试验材料及过程

岩石试样取自皖南山区，经鉴定为铁染泥质钙质长石岩屑细砂岩，钙质、泥质基底式胶结，矿物鉴定如图1所示。主要成分为：石英（40%）、泥质岩岩屑（23%）、长石（12%）、胶结物（25%）、白云母（＜1%）、电气石（＜1%）。石英和长石呈棱角状、次棱角状碎屑；岩屑多为泥质岩岩屑，边缘较平滑，黏土矿物呈隐晶质，少量石英粉砂分布；硅质岩岩屑内石英呈隐晶质分布；填隙物铁染较明显，方解石呈他形粒状；碎屑与胶结物接触关系为基底式胶结。

严格按照国际岩石力学学会（ISRM）试验规程要求，将岩块加工成直径为50mm，高度为100mm的标准圆柱形试样。试样制备采用切割机切割，人工打磨的方法，以避免水对制样产生影响。试验时，一组为风干状态；另一组试样放入蒸馏水中自由吸水浸泡24h，使其试验时处于饱水状态。

图1 砂岩矿物鉴定图

三轴试验机采用中国科学院武汉岩土力学所实验室的RMT－150C型岩石力学刚性伺服试验机。试验采用轴向位移控制，加载速率为0.002mm／s，试验围压采用4个级别，分别为1、3、5、7MPa。

2 试验结果及分析

2.1 变形特性

干燥和饱水状态的试样在不同围压下的全程应力－应变曲线如图2所示。

图2 不同围压下试样的全程应力－应变曲线

从图2可以看出，无论是干燥还是饱水试样，在不同围压下，试样的应力－应变曲线在峰值前均经历微裂隙压密阶段、弹性阶段及屈服阶段，峰值强度附近出现屈服平台；随着围压的增加，曲线斜率随着围压的增加而逐渐变陡，岩样的峰值强度、屈服应力都有不同程度的提高，表明岩石的刚度和强度均随着围压的增大而增大。

应力峰值对应的应变与围压之间的关系如图3所示。从图3可得出，无论是干燥还是饱水试样，其应力峰值对应的应变随着围压增大而增大；但围压对饱水砂岩的峰值应变影响更加明显。低围压下，饱水砂岩峰值应变小于干燥砂岩，而随着围压增大，饱水砂岩峰值应变大于干燥砂岩。

图3 峰值应变与围压的关系

变形模量和弹性模量是表征岩石变性特征的重要指标［11］，变形模量E50多采用应力为岩样强度1／2时应力与应变的比值；弹性模量Eav指应力－应变曲线上近似直线部分的斜率。本文采用E50和Eav来表征红砂岩的变形特征。实测的弹性模量、变形模量与围压之间的关系如图4和图5所示。

图4 试样弹性模量与围压关系

图5 试样变形模量与围压关系

实测结果表明，红砂岩的弹性模量、变形模量与围压呈较好的二次函数关系，且干燥试件的弹性模量、变形模量随着围压的增大而逐渐增大，曲线表征为凹型曲线，但饱水试样的曲线表征为凸型曲线，增长速率逐渐减缓，逐渐趋向一个值。这可能是由于软岩空隙压密造成的现象。

红砂岩内部孔隙较多，在干燥情况下，随着围压的增大，孔隙不断被压密，弹性模量随之不断增大。而在饱水情况下，岩石内部开孔隙被水充满，不能被压密，只有部分闭孔隙在围压加载过程中被压密。所以随着围压的增大，没有充满水的闭空隙压密而弹性模量有增大的趋势，但围压大于3MPa后，弹性模量基本趋向某个定值。

2.2 强度特性

干燥状态和饱水状态岩样强度实测结果如图6所示。

从图6可以看出，红砂岩的峰值强度随着围压的增大都有不同程度的增加；相同围压下，饱水试样的峰值强度相对于干燥试样的峰值强度均有不同程度的降低，说明水对岩石的抗压强度有明显的劣化作用；干燥试样的峰值强度对围压的敏感度大于饱水状态试样；当围压从1MPa上升到7MPa时，干燥试样的峰值强度增加了66.7%，而饱水试样的峰值强度增加了53.2%。这说明在低围压下，饱水试样更容易破坏，受围压作用的影响小。

为更准确地分析红砂岩的三轴压缩强度特征，本文将 Mogi－Coulomb强度准则［12］运用到三轴压缩试验结果中，认为岩样的破坏是由于其破坏面上的八面体剪应力τoct达到了极限值。Mogi－Coulomb强度准则将岩样破坏时的八面体剪应力τoct看作最大和最小主应力和的平均的函数，在主应力空间中有：

在本试验中σ2＝σ3，故有：

τoct与（σ1＋σ3）／2之间成线性关系，其表达式为：

基于 Mohr－Coulomb准则与 Mogi－Coulomb准则，描述干燥和饱水状态岩样破坏特征的拟合曲线如图6所示。

从图6可以看出，运用 Mohr－Coulomb准则函数进行数据拟合时，干燥和饱水试样的相关系数R2分别为0.971 8和0.852 1；而运用 Mogi－Coulomb准则函数进行描述时，干燥和饱水试样的相关系数R2分别为0.997 4和0.985 8。故采用Mogi－Coulomb强度准则能较好地描述皖南山区红砂岩的破坏特征。

Mogi线性参数a、b与Coulomb抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ在三轴压缩状态下的关系为：

依据拟合曲线并结合（4）式和（5）式，计算得出三轴压缩过程中干燥和饱水砂岩强度参数c、φ值。其中，干燥状态黏聚力c＝8.87MPa，φ＝47.1°；饱 水 状 态 黏 聚 力c＝2.57MPa，φ＝48.5°。

图6 强度准则拟合曲线

2.3 破坏形式

从三轴试验结果看，不同围压下干燥与饱水试样的破坏主要为拉剪复合破裂和剪切破裂2种破裂形式，试样的典型破裂图像如图7所示。低围压下干燥试样的破裂主要为拉剪复合式破裂形式（以张拉破裂为主），表现出岩石的脆性破坏特征。随着围压增大，试样破坏时沿着对角线方向剪切破裂，形成单一断裂面。而饱水砂岩在不同围压下均表现为剪切破坏，表明饱水条件下，红砂岩的脆性减弱。

图7 不同围压下试样最终破裂情况

3 结 论

本文基于三轴压缩试验，研究了绩黄高速公路填筑路基所用的红砂岩在干燥和饱水状态下强度和变形特性，得到以下结论：

（1）水对皖南山区红砂岩的强度和变形特性具有显著的影响；饱水试样的强度、弹性模量及变形模量与干燥试样相比均有不同程度的降低。

（2）随着围压的增大，试样的峰值应变、弹性模量、变形模量随之增大；但干燥和饱水条件下，岩样对围压的敏感程度不同。饱水情况下，砂岩峰值应变增加幅度更大；干燥试件的弹性模量和变形模量随着围压的增大而增大，曲线表现为凹型曲线，而饱水试样的曲线表征为凸型曲线。

（3）通过拟合曲线比较，Mogi－Coulomb强度准则比Mohr－Coulomb强度准则更能反映皖南山区红砂岩破坏特性。

（4）对于干燥试样，低围压下岩样的破裂为拉剪复合破裂形式；随着围压的增大，试样出现了单一断面的剪切破裂，而饱水试样均为剪切破裂。

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