饱水风干孔洞—裂隙岩石强度试验研究

郑宏利

中铁十六局集团有限公司，北京 100000

岩石作为一种天然的、非均质的工程地质材料，其内部存在的诸如孔洞、裂隙、节理等缺陷，这些缺陷在公路隧道的施工过程中将严重影响着隧道围岩的稳定［1］。而含缺陷岩石的力学特性，作为影响公路隧道围岩稳定性重要因素之一，对其的研究便显得颇为重要。目前关于裂隙岩石和饱水岩石强度特征研究的较多［2-3］，但对于饱水风干处理后含缺陷岩石的强度特征研究却鲜有报道。基于此，本文通过对饱水风干作用后含孔洞-裂隙缺陷岩石试样进行单轴压缩试验，探讨裂隙形式对岩石强度影响特征。

1 试验方案

花岗岩材料取自河南伏牛山特长公路隧道施工现场，表面无肉眼可见缺陷，平均容重为26.90kN/m3。试样按要求被加工成含预制孔洞-裂隙（孔洞直径d=12mm，裂隙长度l=15mm）组合缺陷的宽（W）、高（H）、厚（T）分别为70mm、140mm和30mm 的长方体板状试样，预制孔洞-裂隙由求用高压水射流切割机而制，裂隙下尖端与孔洞上孔壁重合，裂隙倾角β 表示裂隙走向与水平方向的夹角。试验过程中，通过设置六种不同的裂隙倾角值，分别为β 等于15°,30°,45°,60°,75°和90°，来研究裂隙形式对岩石强度和声发射的影响特征。含缺陷板状试样加工完成后，将试样放置在pH=6.0 弱盐酸溶液中浸泡20d 制成饱水试样，然后在自然状态下风干7d。实验过程中，采用YNS-2000 型电液伺服控制试验系统对饱水风干作用后含缺陷花岗岩板状试样进行单轴压缩试验试，采用位移控制的方式，并控制速率为0.01mm/min。

2 强度参数变化特征

通过实验，得出对含不同裂隙倾角花岗岩板状试样在饱水风干作用后的强度特征如图1 所示，可以看出：相比于完整试样，含不同裂隙倾角的岩石试样的峰值强度和弹性模量均有不同程度减小，其峰值强度减小值约32.37%～41.44%，弹性模量减小值约3.45%～3.69%。

图1 峰值强度和弹性模量变化特征

试样的峰值强度以及弹性模量均随着β 的变化而发生变化，并在β 增大时出现先减小后增大的变化趋势，且在β 取45°时达到最小值。当β 由15°增加至45°，峰值强度σc由73.20减小至66.86MPa，减小了8.66%；弹性模量Eav由7.69减小至7.60GPa，减小了1.24%。当β=90°，σc 和Eav 分别为84.53MPa 和7.71GPa，与β=45°相比分别增大了5.25%和26.43%。

图2 自然状态与饱水风干试样峰值强度对比特征

为了揭示饱水风干作用后花岗岩强度参数劣化特征，对自然状态下含缺陷岩石试样进行单轴压缩试验。图2 汇总了自然状态和饱水风干后含缺陷岩石试样峰值强度对比情况。可以看出，与自然状态下裂隙岩石试样峰值强度相比，饱水风干后岩石峰值强度出现明显劣化，劣化幅度在22.97%～31.38%之间。

3 结论

本文通过单轴压缩试验，对含不同裂隙倾角花岗岩板状试样在饱水风干作用后的强度特征进行了研究，并经过分析得出以下结论：试样的弹性模量以及峰值强度均随着裂隙倾角的增加而变化，呈现出先减小后增大的趋势，并于45°时达到最小值。