干湿循环作用下大瑶山砂岩静态力学特性试验研究

焦隽隽,朱俊锋

干湿循环作用下大瑶山砂岩静态力学特性试验研究

焦隽隽1,2,朱俊锋1

1. 河南科技大学 应用工程学院, 河南 三门峡 472000 2. 三门峡职业技术学院总务处, 河南 三门峡 472000

针对砂岩干湿循环作用下的静态力学特性，以广西大瑶山砂岩为试验材料，进行了干湿循环、单轴压缩、声波以及压汞试验，研究了干湿循环作用对含水率、波速、静态力学及孔隙微观特性。研究表明：随干湿循环次数增加，砂岩吸水率呈一节指数增加，而波速呈指数衰减；随着干湿循环次数增加，砂岩峰值强度和弹性模量的衰减幅度呈增加趋势，平均峰值强度和平均弹性模量均呈指数衰减，且波速与平均峰值强度变化趋势呈正相关；干湿循环次数越小，进汞曲线就越先达到平缓，其进汞压力拐点就越小。随着干湿循环次数增加，单位质量孔隙体积呈线性增加。基于波速定义的砂岩损伤可较好预测岩石损伤规律。

干湿循环; 砂岩; 静态力学

水岩相互作用是岩土工程领域中前言交叉学科，也一直是边坡、隧道、采矿等工程中备受众多专家关注的地质灾害诱因之一。干湿循环作用下，岩体的强度、稳定性等会出现不同程度的降低，这主要受控于岩体强度对水的敏感程度，所以该问题一直是岩土工程灾害防治的重要课题[1-3]。因此，研究干湿循环作用下岩体的力学特性对富水围岩体的工程建设及稳定性具有重大意义。

国内外学者对砂岩的干湿循环作用的力学性能进行大量试验研究，颜定玉等[1]基于试验研究了饱水时间对岩石力学特性和相关参数的影响；王永新等[2]进行的水岩劣化试验表明，“饱水-风干”循环作用对岩体强度参数的影响显著；傅晏等[3]研究了水岩作用对砂岩单轴强度的影响，表明干湿循环对砂岩可造成不可逆的损伤破坏；然而对干湿循环作用下砂岩的波速和强度特性研究较少涉及，为此，杜守继等[4]对不同高温下花岗岩纵波波速展开研究发现，经历高温后花岗岩的纵波波速呈减小趋势，且随温度升高，减小幅度增大；李克钢等[5]、姜永东等[6]研究了干湿循环作用次数对砂岩抗压强度与弹性模量等力学参数的影响；刘新荣等[7]进行了干湿循环作用下砂岩力学特性的研究，研究表明20次干湿循环后，黏聚力和摩擦角分别降低58.29%和33.98%；邓华锋等[8]对饱水－风干循环作用下砂岩强度劣化规律研究的试验，结果表明浸泡压力为０时，6次循环后砂岩的黏聚力和摩擦角分别下降25.85%和37.02%；Zhang等[9,10]研究了干湿循环作用对砂岩强度和破坏特性，表明８次循环后，其黏聚力下降57.32％，摩擦角降低了0.93%。以上可见，众多专家对水岩作用下岩石力学特性展开了大量研究，并取得了众多成果，这对进一步探究不同干湿条件下岩石的力学特性提供了思路。西南地区，常年高温多雨气候潮湿的气候环境，使得岩石（体）常年处于干湿循环状态，岩石（体）经常处于高度的水岩风化环境中，致使岩体稳定性降低，这对岩体工程的安全开挖、高效运行等带来了潜在危害[11-14]。

研究以广西大瑶山砂岩为试验材料，分别进行了砂岩干湿循环试验、单轴压缩试验、声波试验以及压汞试验，研究了不同干湿循环条件下砂岩含水率、纵波波速、静态力学特性以及孔隙微观特性，分析了干湿水岩作用机理对砂岩的劣化特性，并建立相关数学关系模型。研究结论可为干湿循环作用下岩体力学特性及稳定性分析提供理论参考。

1 试验概述

1.1 砂岩试件

试验材料为广西大瑶山(梧州地区)砂岩，呈灰白色，颗粒较细且多为次生孔隙，如图1所示(由于尚未清洗，图1中砂岩颜色与图2中存在色差)。该砂岩中主要矿物为石英（40%～80%）、长石（0～10%）、云母（5%～15%），粒径介于0.005～1 mm，属于低孔隙岩石[11]。所取砂岩来自同一块岩体，以保证具有相同的物理学和力学特性，根据《水电水利工程岩石规范DLT53682007》通过钻取灰岩试件，并切割、打磨等制成高径比为2:1，试件尺寸为×= 100 mm × 50 mm的标准岩样，其端面不平行度小于0.02 mm。试验共制备分别15个砂岩试件，分别编号为D-W-1～15。

图1 大瑶山砂岩

1.2 试验设备

根据试验方案，研究分别进行了岩石的干湿循环试验、纵波波速测试、单轴压缩试验以及压汞试验。岩石的干湿循环和纵波波速测试在内蒙古工业大学完成，试验设备分别为：DHG-9073BS-Ⅲ电热恒温鼓风干燥箱(如图2(a))，其控温范围为30 ℃～500 ℃；NM-4A非金属超声检测仪；岩石的单轴压缩试验在本单位建筑工程学院实验中心完成，试验设备：中科院力学研究所研制的RMT-150C力学试验机(如图2(b))，其最大加载应力和加载速度范围分别为600 kN、0～70 mm/min。岩石的压汞试验在中科院冻土研究所完成(如图2(c))，试验设备为：AutoPoreⅥ型自动压汞仪，其孔隙测量范围为0.003 µm～1100 µm，进汞和退汞体积分辨率高于0.1 μL。同时，系统提供快速扫描、时间平衡和速率平衡三种检测模式，可提供范围为0.02 psi到50 psi的大孔压力，以及0.05 psi的压力增量。

图2 实验室试验装置

1.3 测试内容及步骤

吸水率测试：测试砂岩试样在105 ℃恒温下烘干24 h，测试其干重m，然后采用自然饱水法对试件浸泡24 h，直至试件质量不变视为最大饱水度，如此即为一次干湿循环过程。为此，试验考虑了5种干湿循环条件，将15个试件分为5组，第1组为干燥状态，其他4组分别进行5、10、15和20次干湿循环试验，待干湿循环试验结束时测试砂岩湿重m和纵波波速V。m、m及V数据如表1所示，为研究干湿循环次数对试件吸水率的影响，可通过下式计算砂岩吸水率。

纵波波速测试：选取干湿循环试验后砂岩为材料，进行纵波波速测试如图3。假设上部声发射探头声波脉冲激发时间为1，下部声波探头接收时间为2，声波在试件中延时为2-1，试件高度为，则砂岩纵波波速可用式(2)计算。

图3 纵波波速测试图

砂岩应力-应变曲线：干湿循环试验结束，采用上述砂岩试样在力学试验机进行单轴压缩试验，试验采用位移加载控制，轴向加载速率为0.2 mm/min，直到砂岩破坏，获得砂岩应力-应变曲线。

2 结果与分析

2.1 干湿循环作用对砂岩吸水率的影响

由表1可知，相比烘干质量（m），饱水砂岩质量（m）呈不同程度增加，且同一干湿循环下的样本含水率近似相等。基于式(1)计算可得到不同干湿循环作用下砂岩吸水率，变化趋势如图4所示，图4中虚线表示循环0次向5次的过度吸水率。可以看出，相比干湿循环次数为0次，随干湿循环次数增加，其他砂岩平均吸水率依次为0.53%、0.59%、0.77%和0.95%，总体呈增加趋势，这与研究[11,12]结果一致。

表1 砂岩干湿循环试验结果

图4 砂岩吸水率与干湿循环次数关系

为量化砂岩吸水率与干湿循环次数的数值关系，以不同干湿循环状态下的平均含水率变化曲线表征砂岩吸水程度，拟合干湿循环5次到20次含水率变化趋势，为一节指数函数关系，增长系数为0.0657，相关性较好。

2.2 干湿循环作用对砂岩纵波波速的影响

图5为砂岩纵波波速随干湿循环次数的变化关系，可以看出，干湿循环次数为0次、5次、10次、15次和20次对应的波速范围分别为2788～2947 m/s、2566～2738 m/s、2360～2506 m/s、2109～2308 m/s和1956～2312 m/s，尽管不同干湿循环次数的砂岩波速略有小范围变动，但总体随干湿循环次数增加呈衰减趋势。

经计算不同干湿循环作用下砂岩波速平均值可知，相对干湿循环0次的砂岩纵波波速2864.33 m/s，干湿循环5～20次的砂岩纵波波速分别减小了226.66 m/s、430.66 m/s、653.66 m/s、706.66 m/s，其相应衰减率依次为7.91%、16.33%、26.86%和31.97%，可见纵波波速衰减程度与干湿循环次数呈正相关。拟合纵波波速平均值V与干湿循环次数关系为：

由式（3）可以看出，纵波波速随干湿循环次数呈指数函数衰减，衰减系数为0.0441。分析认为，随着干湿循环次数增加，砂岩中存在大量的微裂隙等微缺陷不断遭受饱和水的溶蚀，导致砂岩中矿物颗粒、黏土等不断溶解，造成微孔隙不断扩展和贯通，引起孔隙度（损伤）增加。矿物集合体作为声波信号的传播介质，其密度大小决定了声波的传播速度与传导能力。随着干湿循环次数增加，增加的砂岩孔隙度进一步提高了对声波的吸收能力，表现为声波能量耗散增加，最终引起纵波波速衰减。因此，砂岩孔隙度的增加也是造成纵波波速衰减的主要原因。

2.3 基于波速的砂岩损伤预测曲线

为表征干湿循环作用对砂岩的劣化程度，选用超声波速定义其损伤变量:

式(4)中，D为不同干湿循环条件下砂岩损伤变量定义值；V为干湿循环次数为时的砂岩波速；0为干湿循环为0次的纵波波速值，本文将此波速下砂岩视为未发生损伤。

由表1可知式（4）中0=2864 m/s（干湿循环0次的平均波速值），V即为式（3）中V，将式（4）代入式（3）即可得到砂岩损伤D与干湿循环次数关系的预测曲线，如图6所示。

图6 砂岩损伤与干湿循环次数关系

由图6可知，尽管砂岩损伤随着干湿循环次数呈逐渐趋势，但这种增长趋势在逐渐减缓。即，砂岩损伤对干湿循环作用的敏感程度在逐渐降低，最终趋于稳定状态。这与李焱等[15]研究结果一致。

2.4 砂岩静态力学特性分析

2.4.1 应力-应变曲线图7为不同干湿循环作用下砂岩典型的应力-应变曲线，可以看出，砂岩应力-应变曲线明显呈5阶段发展，即孔隙压缩密实阶段、弹性变形阶段、微裂隙发展与萌生阶段、微裂隙非稳定扩展阶段以及破坏阶段。各阶段砂岩应变特性分析如下：

轴向应力加载初期，砂岩进入压缩阶段。干湿循环次数为0次时，可视为砂岩仅有原生孔隙的压缩密实。而随着干湿循环次数增加，砂岩中由干湿劣化作用引起的次生孔隙逐渐形成，总孔隙数量显著增加。同时，增大的砂岩孔隙度降低了矿物粒子的压缩变形，导致应力-应变曲线压缩阶段延长，曲线爬升速度减缓。

随轴向应力继续加载，应力-应变曲线近似呈线性增加，砂岩进入弹性变形阶段。有研究表明[16]，干燥岩石的弹性阶段意味着无塑性变形也无新裂隙萌生与扩展，岩石在被压缩密实过程的变形十分微弱。然而，由于干湿循环作用对砂岩内部具有显著的劣化作用，总孔隙数量（原生孔隙和次生孔隙）随着干湿循环次数逐渐增加，损伤程度也随之加剧。此时，砂岩裂隙数量、尺寸增加，矿物颗粒间摩擦力显著下降，导致应变能提前释放，最终表现为弹性阶段缩短。

随轴向应力进一步加载，砂岩进入微裂隙发展与萌生阶段。该阶段大量新生孔隙已逐渐形成，砂岩孔隙数量相对增多，初期损伤逐渐积累，应力-应变曲线增长幅度减缓。另外，随着轴向应力加载，新生孔隙不断萌生的同时也伴随这宏观裂隙出现，应力-应变曲线达到峰值强度前的塑性变形逐渐趋于明显。

随着轴向应力继续加载，砂岩进入裂隙非稳定扩展阶段，内部裂隙开始沿轴向应力加载方向扩展，应力-应变曲线增长速度进一步减缓，随后达到峰值应力。随后，应力-应变曲线迅速跌落，裂隙萌生与扩展阶段形成的稳定裂隙扩展交接形成滑动面，最终导致灰岩完全破坏。

另外，随干湿循环次数增加，试样具有明显的压缩密实阶段，且峰值强度逐渐减小，对应峰值应变逐渐增加。分析认为，随着干湿循环次数增加，导致砂岩内部孔隙度增加，对砂岩弱化作用增强。砂岩内部孔隙数量还受到烘干高温作用的影响，高温效应导致砂岩矿物膨胀变形，进而产生次生裂隙。当砂岩进行下次饱水时，自由水浸入深度和接触面积进一步增加，水岩软化增强。这与文献[4-5]研究结论具有一致性。根据文献[17-18]对岩石破坏前总应变量大小对岩石的破坏形式分类可知，大瑶山砂岩的破坏形式为脆性破坏。

图7 砂岩典型应力-应变曲线

由上述分析可知，在达到峰值应力前，砂岩所积累的应变能主要消耗于内部裂隙的压缩密实、形成、扩展与贯通，大部分耗散能以塑性势能和裂隙表面能释放，少量部分能量以动能等形式释放。由于干湿循环作用增加了砂岩孔隙度，这促进了应变能提前释放。

表2 砂岩单轴压缩试验结果

2.4.2 峰值强度及应变特性根据单轴压缩试验，表2给出了不同干湿循环作用下砂岩峰值强度、峰值应变以及弹性模量。对表2不同干湿循环作用下砂岩峰值强度分析可知，干湿循环次数为0次、5次、10次、15次和20次对应的峰值强度范围分别为60.01～65.88 MPa、44.09～50.26 MPa、38.56～41.66 MPa、35.74～38.22 MPa和20.66～27.78 MPa，同一干湿循环条件下，三个样本峰值强度相差不大；随着干湿循环次数增加，样本峰值强度范围介于20.00 ～ 66.00 MPa，总体呈衰减趋势，其对应的峰值应变值则呈增加趋势。这表明，随着干湿循环次数增加，砂岩达到峰值强度对应的峰值应变逐渐增加。

图8为砂岩峰值强度随干湿循环次数的变化趋势，可以看出，干湿循环由0次增为5次时，平均峰值强度由63.07 MPa降低至46.75 MPa，衰减幅度为25.87%；干湿循环由5次增为10次时，平均峰值强度由46.75MPa降低至40.13MPa，衰减幅度为14.16%；干湿循环由10次增为15次时，平均峰值强度由40.13 MPa降低至36.72 MPa，衰减幅度为8.49%；干湿循环由15次增为20次时，平均峰值强度由36.72 MPa降低至24.05 MPa，衰减幅度为34.50%；

另外，分析峰值应变平均值发现，随干湿循环次数增加，峰值应变平均值总体呈增加趋势，与峰值强度变化具有很好的一致性。总体来看，随着干湿循环次数增加，砂岩峰值强度的衰减幅度呈增加趋势。拟合发现，在数值上平均峰值强度与干湿循环次数为指数函数关系：

岩石强度大小与矿物成及含量的变化有关。已有研究表明[17,18]，对于砂岩而言，干湿循环作用对岩石内部颗粒含量及分布的影响是强度降低的根本原因。这主要是由砂岩的颗粒成分决定的，砂岩岩样的细观结构特征由颗粒较小但含量较多的石英、长石等组成，而长石遇水后容易发生水解[12]，进而砂岩强度降低。

前文分析可知，砂岩吸水率增加，其自由水浸入砂岩原生孔隙后对孔隙内壁具有湿润、溶蚀作用，导致砂岩内部矿物颗粒从岩石骨架剥离，被运输到孔隙外部，进而导致自由水浸入深度和溶蚀面积不断增大[15]。这种水岩风化作用导致砂岩孔隙度增加，内部结构变得相对疏松，抵抗外界应力的强度降低。此外，图9给出了不同干湿循环作用下砂岩纵波波速与峰值强度的关系，可以看出，随着峰值强度增加，砂岩纵波波速也随之增加，两者具有正相关性。

图8 峰值强度与干湿循环次数关系

图9 砂岩波速与峰值强度平均值关系

2.4.3 弹性模量变化规律图10为砂岩弹性模量随干湿循环次数的关系。由图10可知，随着干湿循环次数增加，砂岩弹性模量总体呈衰减趋势。结合弹性模量平均值分析发现，干湿循环次数由0增加到5次时，弹性模量平均值由6.57 GPa降低到5.58 GPa，衰减了15.07%；由5增加到10次时，弹性模量平均值由5.58 GPa降低到4.32 GPa，衰减了22.58%；由10增加到15次时，弹性模量平均值由4.32 GPa降低到4.15 GPa，衰减了3.49%；由15增加到20次时，弹性模量平均值由4.15 GPa降低到3.58 GPa，衰减了13.73%。

尽管部分数据有些异常，但砂岩弹性模量平均值总体呈衰减趋势，这与峰值强度平均值的发展趋势一致。拟合数据发现，砂岩弹性模量平均值与干湿循环次数为指数函数关系。

2.5 干湿循环作用对砂岩微观结构特性影响

以上分别研究了不同干湿循环状态下砂岩含水率、纵波波速以及静态力学特性，并分析了干湿循环作用的影响规律，从宏观方面揭示了水岩作用对砂岩物理力学特性的影响。为此，为揭示干湿循环作用对砂岩微观特性的影响，分别对不同干湿循环次数的砂岩碎块进行了压汞试验。考虑到砂岩饱水处理时为自然饱水法，故选取距离砂岩边界10 mm处的岩样，以保证具有有效的干湿循环特性，从而降低试验误差。

图10 弹性模量平均值与干湿循环次数关系

图11 不同干湿循环作用下砂岩进汞曲线

图11为不同干湿循环次数的砂岩压汞曲线，可以看出，随着进汞压力增加，砂岩进汞曲线先快速上升再逐渐趋于平缓，这表明单位质量砂岩孔隙体积进汞量达到最大值。而且，从图中可以看出，砂岩干湿循环次数越小，其进汞曲线就越先达到平缓状态，对应的进汞压力拐点就越小。

若以砂岩进汞曲线达到平缓状态对应的单位质量进汞体积衡量砂岩样本的微观孔隙分布情况，由图11分析可知，干湿循环次数由0次增加到5次时，单位质量进汞体积由5.53×10-3mL/g增加到9.43×10-3mL/g，增加量为3.90×10-3mL/g，增长幅度为70.52%；干湿循环次数由5次增加到10次时，单位质量进汞体积由9.43×10-3mL/g增加到12.77×10-3mL/g，增加量为3.34×10-3mL/g，增长幅度为35.41%；干湿循环次数由10次增加到15次时，单位质量进汞体积由12.77×10-3mL/g增加到15.75×10-3mL/g，增加量为2.98×10-3mL/g，增长幅度为23.34%；干湿循环次数由15次增加到20次时，单位质量进汞体积由15.75×10-3mL/g增加到20.71×10-3mL/g，增加量为2.96×10-3mL/g，增长幅度为18.79%。

上述分析可知，随着干湿循环次数增加，尽管砂岩单位质量进汞体积在逐渐增加，但其增长幅度明显在减小，这说明在较小干湿循环次数范围内，水岩作用对砂岩孔隙度影响程度加大，而随着干湿循环次数增加，这种影响程度在减小。为研究砂岩干湿循环次数对单位质量孔隙体积的影响，给出了单位质量孔隙体积(’)随干湿循环次数的变化趋势，如图12所示。可以看出，随着干湿循环次数增加，砂岩单位质量孔隙体积呈线性增加。

图12 砂岩单位质量孔隙体积与干湿循环次数关系

3 结 论

以广西大瑶山砂岩为试验材料，分别进行了砂岩干湿循环试验、单轴压缩试验、声波试验以及压汞试验，研究了不同干湿循环条件下砂岩含水率、纵波波速、静态力学特性以及孔隙微观特性，分析了干湿水岩作用机理对砂岩的劣化特性。主要结论如下：

（1）砂岩吸水率随干湿循环次数增加而增大，两者为一节指数函数关系，增长系数为0.0657；

（2）随干湿循环次数增加，砂岩纵波波速呈指数函数衰减，衰减系数为0.0441。这是由于随着干湿循环次数增加，自由水浸入原生孔隙后，对孔隙内壁具有湿润、溶蚀作用，导致砂岩内部矿物颗粒从岩石骨架剥离，被运输到孔隙外部，进而导致自由水浸入深度和溶蚀面积不断增大；

（3）随着干湿循环次数增加，砂岩峰值强度的衰减幅度呈增加趋势。在数值上，平均峰值强度与干湿循环次数为指数函数关系。砂岩弹性模量随干湿循环次数增加总体呈衰减趋势，两者为指数函数关系；

（4）干湿循环次数越小，砂岩进汞曲线就越先达到平缓状态，其进汞压力拐点就越小。随着干湿循环次数增加，砂岩单位质量孔隙体积呈线性增加。

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Experimental Study on Static Mechanics of Dayao Mountain Sandstone under Drying-watering Cycle

JIAO Jun-jun1,2, ZHU Jun-feng1

1.4720002472000,

In order to study the mechanical and microscopic characteristics of sandstone under different drying-wetting cycles, experiments of drying-wetting cycle, uniaxial compression, acoustic wave and mercury injection were carried out with the experimental material from Dayao mountain sandstone, in Guangxi Province. Then, the effects of drying-wetting cycles on water absorption and P - wave velocity, static mechanics and pore microscopic properties were studied. Results show that with the increase of drying - wetting cycles, the water absorption of sandstone increases as one section exponential function, and the growth coefficient is 0.0657, while the P-wave velocity attenuates as an exponential function, and the attenuation coefficient is 0.0441. With the increase of drying-wetting cycles, the attenuation amplitude of peak strength and elastic modulus of sandstone increased, and the average values of peak strength and elastic modulus of sandstone both increased. The P-wave velocity is positively correlated with the change trend of average peak intensity, and the smaller the times of dry and wet cycles, the more smooth the mercury inflow curve of sandstone is, and the smaller the pressure inflection point is. With the increase of drying-wetting cycles, the pore volume per unit mass of sandstone increases linearly. In addition, based on the P-wave velocity, the relation equation between sandstone damage and drying-wetting cycles is derived, which can better predict the rock damage law.

Drying - wetting cycle; sandstone; static mechanics

TD528

A

1000-2324(2021)03-0500-09

2019-08-13

2019-11-22

河南省科技攻关项目(122102210533)

焦隽隽(1982-),女,硕士,讲师,主要从事土木工程方面的研究与教学工作. E-mail:xifeng2166@126.com