不同水岩作用下砂岩的力学参数演化特征*

付建军， 董正东， 杨艳霜，， 易 恒

(1. 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 水能资源利用关键技术湖南省重点实验室， 长沙 410014； 2. 湖北工业大学 土木建筑与环境学院， 武汉 430068)

本文以不同水岩环境下砂岩的劣化进程为切入点，对天然状态、饱水作用和干湿循环处理过的砂岩试块进行单轴压缩试验，获得了不同水岩作用下砂岩的强度和变形参数变化特征，阐明了砂岩在饱水作用和干湿循环两种不同水岩作用下的弱化效应，本文研究成果可为水电站边坡岩体的稳定性分析提供试验依据.

1 试验材料及方案

1.1 试验材料和设备

本次试验选取岩样为某水电站边坡长英质砂岩，微风化，节理显著，切片鉴定岩性为绢云母中粒长英砂岩，孔隙式钙质胶结.砂岩粒径为0.04～0.24 mm，其构成成分为石英58%，长石22%，岩屑13%，云母7%.

砂岩通过切磨等程序，制成大小为φ50 mm×100 mm的标准圆柱，要求两端面平行度小于等于0.002 mm，垂直度小于等于0.001 mm，表面平整度小于等于±0.001 mm.

1.2 试验方案

本文试验目的是通过比较天然状态、饱水作用以及干湿循环下岩石试样的强度和变形参数，研究不同水岩作用对岩石力学性质的影响.三类试验的具体试验方案为：1)天然状态，试样处于室温和自然通风条件下，试样的含水率为天然含水率；2)饱水作用条件下，采用真空饱和法使试件在pH为7的常温水中饱和并保持一定的时间，完成一次饱水作用；3)干湿循环条件，采用真空饱和法，把制备好的岩石试件放进pH为7的常温水中进行饱和24 h，然后将试件置于80 ℃烘箱中干燥24 h，完成一次干湿循环.

此次试验共用试样27块.将试件均分为9组，每组有3个试件，试验结果皆取三个试件的平均值.第1组试样进行自然干燥条件下的试验；第2～5组试样分别进行1、5、10和15次干湿循环试验，则对应所需的干湿循环时间分别为2、10、20和30 d；第6～9组进行饱水作用条件下的试验，且每组饱水作用条件下的试验与干湿循环试验所对应的时间一致.

取出制备好的砂岩试块，在MTS815岩石力学试验机上进行单轴压缩试验，试验中采用轴向位移控制方式加载，加载速率为0.01 mm/s[6].

2 试验结果

2.1 应力应变曲线

图1 饱水作用下砂岩单轴抗压应力应变曲线Fig.1 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone under saturated-water effect

随着水岩作用次数的增加，砂岩的弹性模量(曲线直线段斜率)不断减小，而应力峰值对应的应变不断增加，变化范围为0.6%～0.8%.随着水岩作用次数的增加，受水岩作用累积损伤影响，微裂隙压密阶段曲线投影长度变长，弹性变形阶段曲线投影长度变短，屈服阶段曲线变化不是很明显，试件塑性变形阶段曲线变缓且投影长度显著变长，即水岩作用使得砂岩在脆性破坏程度上减弱.

图2 干湿循环下砂岩单轴抗压应力应变曲线Fig.2 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone under wet-dry cycle

2.2 单轴抗压强度和变形参数

砂岩单轴压缩强度和弹性模量试验结果如表1所示.可以看出，两种水岩作用对砂岩试件的单轴抗压强度和弹性模量都有较大影响.天然状态的砂岩试件单轴抗压强度和弹性模量分别为52.35和7 631.13 MPa，饱水作用15次后试件单轴抗压强度和弹性模量分别减少了27.22%和35.16%，干湿循环15次后试件单轴抗压强度和弹性模量分别降低了40.29%和49.79%.

表1 不同水岩作用的砂岩单轴抗压强度和弹性模量Tab.1 Uniaxial compressive strength and elastic modulus of sandstone subjected to different water-rock interaction MPa

为了比较两种水岩作用对砂岩单轴抗压强度和弹性模量的影响，将测得数据作为标准(天然状态为循环0次)，对单轴抗压强度σc、弹性模量E与水岩作用次数n之间的关系进行非线性拟合回归分析.研究可得，饱水作用和干湿循环条件下，单轴抗压强度σc与水岩作用次数n之间的拟合函数分别为

σc1(n)=44.3-2.08ln(n+0.02)

(1)

σc2(n)=42.42-4.13ln(n+0.09)

(2)

两者相关系数分别为0.98和0.99.

饱水作用和干湿循环条件下，弹性模量E与水岩作用次数n之间的拟合函数分别为

E1(n)=6 258.54-420.79ln(n+0.04)

(3)

E2(n)=5 789.12-692.31ln(n+0.07)

(4)

两者相关系数分别为0.96和0.99.

拟合曲线与实测数据的对比如图3、4所示.拟合曲线与数据点之间比较吻合，可根据拟合函数分析水岩作用下的单轴抗压强度和弹性模量.

水岩作用对砂岩试块有很强的劣化效应，具体表现为各组砂岩试块平均单轴抗压强度、弹性模量与水岩作用次数之间的负相关关系，即随着水岩作用次数的增加，砂岩试块单轴抗压强度和弹性模量表现为单调递减趋势，而曲线的降低幅度不断变小，其渐进线趋向于与x轴平行.干湿循环作用后的砂岩试块强度和弹性模量比饱水作用的要小得多，说明干湿循环对砂岩试件的损伤劣化更加严重，在实际工程中具体表现为干湿循环对新鲜裸露的岩石损伤劣化作用更加突出.

图3 不同水岩作用砂岩单轴抗压强度与水岩作用次数关系

Fig.3 Relationship between uniaxial compressive strength and interaction times of sandstone subjected to different water-rock interaction

图4 不同水岩作用砂岩弹性模量与水岩作用次数关系

Fig.4 Relationship between elastic modulus and interaction times of sandstone subjected to different water-rock interaction

3 结果分析

饱水作用和干湿循环是两种常见的水岩作用，砂岩在这两种作用下的劣化机理有所不同.饱水作用下，水从试件表面浸入试件内部裂隙，亲水性矿物颗粒吸附水膜增厚发生体积膨胀，岩石发生体积膨胀.除此之外，饱水作用下砂岩内部胶结物质的溶蚀导致颗粒间的黏结减弱，矿物颗粒的内部分子之间距离增加，胶结物质的溶解产生不规则的次生裂隙，而原生裂隙在水的损伤作用下逐渐发育，也产生新的次生裂隙，新老裂隙不断扩张延伸并形成融汇贯通，更多的水进入并填充裂隙，加快对裂隙端处的冲蚀.而饱水次数的增加，是饱水作用对岩石内部裂隙的一个累积损伤作用.因此，砂岩试件内部结构发生破坏，试件抵抗变形能力变弱，强度和弹性模量降低.

干湿循环过程是试件在饱和损伤的基础上，对试件进行干燥.在干燥过程中，试件裂隙中的自由水蒸发与亲水矿物颗粒内部的结合水升华形成失水耦合作用，气体沿着裂隙向外扩散.亲水性矿物失水产生收缩，且体积收缩.在这种饱和吸水亲水矿物颗粒体积膨胀、干燥失水亲水矿物颗粒体积收缩和气体扩散的共同作用下，试件裂隙继续发展，所以，干湿循环的强度和变形参数比饱水作用的要低.随着干湿循环次数的不断增加，试件内部裂隙率及水对其侵蚀损伤程度也随之增加，裂隙的延伸扩展又反过来促进干湿循环作用的进行，因此，强度和弹性模量也相应的不断减小[12-15].

4 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 试验研究阐明了砂岩单轴抗压强度和弹性模量在两种不同水岩作用过程中的弱化现象，并且其弱化程度随着水岩作用次数的增加而增加，最终趋向于稳定值，干湿循环对砂岩力学特性的劣化效应强于饱水作用对砂岩力学特性的劣化效应.

2) 砂岩力学参数在水岩作用初期的弱化响应比较强烈，后期弱化幅度降低.单轴抗压强度σc、弹性模量E与水岩作用次数n之间呈对数关系.