不同试验条件下泥质白云岩物理力学特性试验研究

郭建强，黄质宏

(贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)



不同试验条件下泥质白云岩物理力学特性试验研究

郭建强*，黄质宏

(贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

以贵阳地区常见的泥质白云岩为例，采用无压浸泡、干湿循环与露天放置等试验方法，对泥质白云岩物理力学特性的演化规律进行了研究，结果表明：(1)试验条件对泥质白云岩强度的影响依次为干湿循环、露天放置、无压浸泡。(2)试验环境变化越快，试样强度演化速率也越快。室外、湿砂埋藏及无压浸泡条件下微风化泥质白云岩的风化试验，进一步阐释了试样强度演化速率与环境变化成正比。基于研究成果，在软岩试验设计时，一方面，可加快岩石试验环境的变化速率；另一方面，将无压浸泡设计为有压浸泡，或使试样经受多种试验条件。

干湿循环；浸泡；自然环境；湿砂埋藏；物理力学特性

岩石工程，特别是软岩工程的破坏除了与荷载因素(循环荷载、动荷载、冲击荷载)、卸荷软化及流变等因素有关外，还与软岩的水理特性有关。比如，由降雨引起的岩土体干湿交替，导致的滑坡等工程地质灾害。

国内外学者通过干湿循环、浸泡(无压或有压浸泡)、冻融循环等方法对软岩的水理特性进行了研究。周翠英等[1-2]采用非线性动力学方法对水岩相互进行了研究，并采用自组织临界性理论分析了浸水试验的临界现象；Iwata M 等、M.Heidari等[3-4]研究了饱和软岩的水压分布与力学特征；刘新荣等[5-6]、王亚坤等[7]基于干湿循环试验对软岩的强度劣化规律进行了研究；刘泉声等[8-9]研究了冻融循环条件下岩体裂隙网格的发展；罗学东等[10]研究了冻融循环次数与岩石的外观特征、质量及强度损失率的关系；李新平等[11]研究了冻融循环条件下，裂隙长度、裂隙倾角对岩体强度的影响；A.Prick[12]通过试验得出冻融融化对页岩风化的影响是干湿循环的3～4倍，但干湿循环作用也不容忽视；吴道祥等[13]研究了红层软岩的崩解特性；邓华锋等[14-16]设计了考虑水压力升、降变化的砂岩浸泡-风干循环作用试验。

在国内外水岩相互作用试验研究的基础上，一方面，开展了无压浸泡、干湿循环及室外自然环境下，泥质白云岩物理力学特性的演化规律研究；另一方面，开展了室外自然环境、湿砂埋藏及无压浸泡三种条件下微风化泥质白云岩的自然吸水率及粒径分布的变化规律研究。

1　试验方案

无压浸泡：首先，参照《水利水电工程岩石试验规程》(SL 264-2001)完成试样的自由吸水试验；接着，在室温(室内温度被控制在恒温20±5 ℃)、无风及静水(每24 h更换一次水体)条件下，对微风化泥质白云进行无压浸泡试验

干湿循环：首先，在80°恒温下将饱和试样烘2 h，至试样自然冷却后(约2小时)取出称量；接着，试样自然吸水2 h，拭干表面水分称量，完成一个干湿循环。N次干湿循环后，测定试样的自然吸水率和单轴抗压强度。

试样自然吸水2 h：首先将试样放入水槽，并注水至试样高度的1/4，以后每隔20 min分别注水至试样高度的1/2和3/4处，1h后试样完全浸没，最后保持试样自由吸水2h。

室外自然环境下试样物理力学特性试验：首先，将四组微风化试样露天放置；接着，测定其t=0、t=30、t=60以及t=150 d时试样的自然吸水率和单轴抗压强度。

风化试验：首先，对室外、湿砂埋藏及无压浸泡三种条件下微风化泥质白云岩观测2个月；接着，分别测定试验前后试样粒径分布及自然吸水率。

2　试验环境对试样物理力学性质影响

2.1无压浸泡

无压浸泡条件下微风化泥质白云岩单轴抗压强度，见表1与图1。

表1　微风化泥质白云岩无压浸泡试验

由表1及图1可知：①微风化泥质白云岩单轴抗压强度随浸水时间的增加而降低。②1#与2#试样单轴抗压强度分别为53.73 MPa、

55.90 MPa，一方面说明岩石强度的离散性；另一方面说明浸水21天对微风化泥质白云岩单轴抗压强度影响可能较小。③浸水时间多于27天，微风化泥质白云岩单轴抗压强度才可能出现明显的降低。

图1　微风化泥质白云岩抗压强度与浸水时间

2.2干湿循环

干湿循环条件下，中等风化泥质白云岩单轴抗压强度见表2、强风化泥质白云岩单轴抗压强度见表3。

表2　强风化泥质白云岩干湿循环试验

表3　中等风化泥质白云岩干湿循环试验

干湿循环条件下泥质白云岩单轴抗压强度变化量按下式计算：

(1)

式中，Δσ为单轴抗压强度变化量； σs0为干湿循环次数N=0时单轴抗压强度； σN为干湿循环次数N时单轴抗压强度。

由表2、表3可以看出：①中等风化与强风化泥质白云岩单轴抗压强度随循环次数增加而降低。②中等风化试样经30次干湿循环(约为7.5天)，强度约下降了10%；而强风化试样经5次干湿循环(约为1.25天)，强度约下降了18.30%。因此，干湿循环对强度的影响与岩石风化程度有关。③与无压浸水试验相比，干湿循环试验对岩石强度影响更明显。

2.3室外自然条件

为了研究泥质白云岩在自然条件下，物理力学特性的劣化机理，将由同一场地制备得四组(每组试样数量为20块)试样置于实验室露天放置，测定不同时间点自然吸水率和单轴抗压强度，试验设置见表4；试验结果见表5与图2。其中，单轴抗压强度与自然吸水率均为每组试样的平均值。

表4　物理力学特性劣化试验设计表

图2　泥质白云岩强度、含水率与时间

由图2可以看出：①抗压强度随时间增加而减小，t=30 d、60 d、150 d，试样抗压强度分别下降了38.13%、60.64%、83.12%；0～60天抗压强度下降幅度较大，90～150 d抗压强度下降幅度相对较小。②试样自然吸水率与露天放置时间呈线性增加。③露天放置t=30 d时试样抗压强度下降了38.13%；无压浸泡t=32 d时试样抗压强度下降了17.68%。可见，露天放置比无压浸泡对抗压强度影响明显。④t=30、40 d露天放置试样抗压强度分别为40.54 MPa、25.79 MPa，约下降了36.38%；中等风化试样干湿循环30次(约为7.5 d)抗压强度下降了17%。因此，干湿循环试验比露天放置对抗压强度影响明显。

综上所述，环境变化越慢，试样力学强度劣化也越慢(比如，无压浸水试验)；环境变化速率越快，试样力学强度劣化也越快(比如，干湿循环、露天放置)；风化程度不仅对试样力学强度有影响，也对试样力学强度劣化速率有影响。

3　泥质白云岩风化情况研究

为了解泥质白云岩风化情况，开展了室外、湿砂埋藏及无压浸泡三种条件下微风化泥质白云岩风化试验，试验周期间为2个月。主要通过试样颗粒粒径、自然吸水率等的变化来反映泥质白云岩的风化情况，试验结果见表5。

由表5可以看出：①室外环境、无压浸泡及湿砂埋藏三种风化条件下，小于60 mm颗粒分别为12.5%、2.8%、1.4%，变化量非常明显。可见，微风化泥质白云岩，在室外自然环境下的解体量最大。②无压浸泡、湿砂埋藏埋条件下试验前后，试样自然吸水率变化不明显；室外自然环境条件下试验前后，试样自然吸水率变化相对较为明显，说明泥质白云岩裂隙有扩张的趋势。

通过试样无压浸泡、干湿循环、室外露天放置以及试样粒径分布与自然吸水率变化可以得出：环境变化越快，泥质白云岩物理力学特性劣化越明显。

表5　四种环境条件下强风化试样试验前后粒径、吸水率

综上所述，在设计泥质白云岩(或其他岩性的软岩)室内试验时，应使试验条件尽可能接近岩石的实际工况。一方面，可将无压浸泡设计为有压浸泡，或加快岩石试验环境的变化，比如，对干湿循环试验，可考虑缩短岩石烘干与浸泡时间；另一方面，使岩石经受多种试验条件，比如，对同一试样，可使试样经受N次干湿循环试验后，再使试样经受M次冻融循环等。

4　结论

(1)无压浸泡时间小于27天，对微风化泥质白云岩的强度影响较小。

(2)干湿循环对强度影响与泥质白云岩风化程度有关。中等风化试样经30次干湿循环(约为7.5天)，强度约下降了10%；而强风化试样经5次干湿循环(约为1.25天)，强度约下降了18.30%。

(3)露天放置条件下，0～60天微风化泥质白云岩强度减小速率较快，而90～150天强度变化相对较为平缓；试样自然吸水率随时间线性增加。

(4)微风化泥质白云岩的风化速率依次为室外环境最快、湿砂埋藏最慢，无压浸泡介于两者之间。

(5)在设计泥质白云岩(或其他岩性的软岩)试验时，可加快岩石试验环境的变化，或使试样经受多种试验条件，也可将无压浸泡设计为有压浸泡。

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(责任编辑：王先桃)

Physical and Mechanical Characteristics of Muddy Dolostone under Different Experimental Condition

GUO Jianqiang*, HUANG Zhihong

(College of Civil Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Taking the argillaceous dolomite common in Guiyang region as the example, evolution law of its physical and mechanical properties under different test conditions was explored based on test methods of pressure-free immersion, drying and watering cycle and open-air placing. The test result shows that: (1) test conditions influence the strength of argillaceous dolomite in a descending order as the drying and watering cycle, open-air placing to the pressure-free immersion. (2) The quicker test circumstance changes, the faster speed of the test sample strength evolution will be. Under the condition of being outdoor, buried in wet sand and immersed free of pressure, weak weathering of argillaceous dolomite further illustrates that speed of test sample strength evolution is in direct proportion to change of the circumstance. The utilization of test research result, when soft rock test is designed, on the one hand, may accelerate speed of rock test circumstance change; on the other hand, change of pressure-free immersion to be pressure immersion may make the test sample experience multiple test conditions.

cycle of wet and dry；watering test；natural variation；wet-sand burying；physical and mechanical characteristics

A

1000-5269(2016)03-0110-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.26

2016-03-20

贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2011]2039号);贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2015]2037号)；贵州大学人才引进可研项目(贵大人基合字(2014)26号)

郭建强(1980-)，男，博士，副教授，研究方向：岩石力学试验、理论、数值分析与工程安全性分析方面的教学与研究工作，Email：dianxiyou@163.com.

郭建强，Email：dianxiyou@163.com.

TU43