三种不同粒径砂岩的强度与破坏特征

宿 辉， 刘 阔， 王 翀， 白延杰， 程 方*， 隋智力

(1.河北工程大学水利水电学院， 邯郸 056021； 2.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室，邯郸 056021； 3.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司， 北京 100024； 4.北京城市学院， 北京 100089)

岩质边坡工程及深埋隧道工程经常面临岩体的强烈开挖卸荷，这很可能在开挖扰乱的区域引起应力破坏危险，如岩体的拉动和剪切[1-2]。所以，对于大型水电项目和露天煤矿开采等重大项目，在选址时会考虑砂岩作为其地基或围岩。岩石的强度及其变形特性构成了理论计算和施工工作的基础[3]。因此，研究加载条件下砂岩的损伤和破坏情况意义重大。

近年来，众多学者从不同角度对岩石力学行为进行了物理实验研究和数值仿真实验研究，主要集中在以下方面:①岩石的加、卸载特性方面，如在不同加载路径[4]、加载速率[5-6]、荷载方向[7]下，岩石力学性能的变化规律；②对强度影响因素方面，如不同粒径分布条件下弱胶结颗粒岩石的力学性质[8]、不同含水率条件下砂岩力学性能的变化[9]、尺寸效应对砂岩劈裂的影响[10]、大粒径石块分布对土石混合体稳定性的影响[11]以及砂岩在酸性环境干湿循环作用下的强度退化规律[12]等。

中外学者对岩石的各种力学和变形特性进行了大量的研究，但对于荷载条件下不同粒径砂岩的力学性质和破坏特征的研究相对较少。鉴于此，现以黑岱沟露天煤矿边坡为工程基础，取当地3种不同粒径砂岩进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验，得到取决于砂岩粒径的抗压强度、弹性模量、抗拉强度等的变化规律，提出黑岱沟露天煤矿边坡砂岩粒径与其抗压强度、抗拉强度的函数关系，并通过基恩士超景深显微系统观察分析这3种砂岩的细观破坏特性，以期为岩质边坡稳定性和水利工程安全性提供参考信息。

1 试验条件及方案

1.1 试验设备

采用长春TAW-2000三轴伺服压力机作为加载系统，进行3种砂岩的单轴压缩、巴西劈裂试验，该压力机轴向最大荷载为2 000 kN；利用线性可变差动变压器(linear variable differential transformer，LVDT)作为加载控制系统，加载速率为0.02 mm/s，并且记录下轴向应变和径向应变；基恩士超景深显微系统VHX-5000对试件破坏后裂纹进行观察，设定超景深光源为环形照明，放大倍数150 倍，试验照片经过一次高动态范围图像(high-dynamic range，HDR)处理后再进行高画质深度合成，最终获取试件破坏图片。试验装置如图1所示。

图1 试验设备图Fig.1 Test equipment diagram

1.2 岩样制备

试验所用砂岩取自黑岱沟露天煤矿地下岩石工程边坡，现场钻取不同位置的砂岩取芯，按照SL 264—2001《水利水电工程岩石试验规程》，将岩样加工成φ50 mm ×100 mm和φ50 mm ×25 mm的标准试样，并对试样进行切割、打磨，最终选取无明显裂隙的试样进行试验，为保证试验数据符合统计学条件，将单轴压缩和巴西劈裂试验均分成3组，每组岩样均为3个试件。

通过显微镜对5 cm×5 cm砂岩薄片进行粒度分析，薄片上颗粒数目大约为1 000颗，砂岩内矿物分布比较均匀，但粒径大小不一，测得3种砂岩岩芯密度及粒径如表1所示。按粒径大小，将粒径为0.062 5～0.003 9 mm的归为粉颗粒砂岩，0.25～0.062 5 mm的归为细颗粒砂岩，1.0～0.5 mm的归为粗颗粒砂岩(以下简称粉砂岩、细砂岩和粗砂岩)[13]。粉砂岩、细砂岩和粗砂岩的标准试样如图2所示。

表1 3种砂岩的平均密度Table 1 Density of three kinds of sandstone

图2 砂岩试样图Fig.2 Sandstones sample map

2 试验结果及分析

2.1 单轴压缩试验结果分析

为研究不同粒径砂岩在受载条件下的力学性质，对上述3种不同粒径砂岩进行单轴压缩试验，得出3种砂岩单轴压缩试验的应力-应变曲线，如图3所示。

图3 3种砂岩应力-应变曲线Fig.3 The stress-strain curves of three sandstones

由图3看出，粉砂岩、细砂岩、粗砂岩3种岩样的应力-应变曲线的变化趋势大体相同，其力学演化过程可分为4个阶段：初始压密阶段、弹性变形及微弹性裂隙稳定扩展阶段、非稳定裂隙扩展阶段和最终破坏阶段[6]。受载时3种砂岩均先进入压密阶段，此时，岩石内部孔隙与微裂隙闭合，导致应力-应变曲线呈现“下凹”形。不同的是，粉砂岩在应变0.06%时由压密阶段进入弹性变形阶段，而细砂岩、粉砂岩分别在应变0.09%、0.13%时进入下一阶段。从压密段产生应变由小到大排列分别为粉砂岩、细砂岩、粗砂岩，这主要与组成砂岩的颗粒大小有。粉砂岩组成颗粒小、致密，内部孔隙少，细砂岩次之，粗砂岩组成颗粒大，内部孔隙较大，故产生的变形也较大。弹性阶段主要是砂岩颗粒、内部孔隙和微裂隙弹性变形的结果。此时，整个岩样发生弹性变形，应力-应变曲线基本呈直线形状。

3种砂岩都具有明显的非稳定裂隙扩展阶段，此时，材料内部孔隙坍塌，特别是粗砂岩中，应变速率突然加快，应力集中从尖端出现并向两端延伸，应力-应变曲线减慢，表明试样从非稳定阶段向破坏阶段演化。随着裂纹的不断聚集、扩展、贯通，形成宏观可见的裂纹，试样丧失承载能力。其中粉砂岩在非稳定裂隙扩展阶段，其胶结物和颗粒共同承载力，导致其实验曲线接近峰值处产生小幅度波动。

试验过程中通过监测以及应力-应变曲线得到3种砂岩的抗压强度、弹性模量、峰值应变等岩石力学参数，粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的平均弹性模量分别为22.0、12.8、7.6 GPa，抗压强度分别为49.7、37.7、25.2 MPa，对应峰值应变分别为0.313%、0.386%、0.466%，细砂岩较粉砂岩强度降低了24.1%，粗砂岩较粉砂岩强度降低了49.4%，如表2所示。

表2 单轴压缩下砂岩力学参数Table 2 Sandstone mechanical parameters under uniaxial compression

3种砂岩的抗压强度、弹性模量、峰值应变对应关系如图4所示。3种砂岩的抗压强度、弹性模量、峰值应变的平均值用直线表示，三角、圆形、方形符号为砂岩试件的结果值。

图4 砂岩力学参数图Fig.4 Mechanical parameter of sandstone map

从图4中可以看出，粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的抗压强度、弹性模量总体呈线性下降，而峰值应变整体呈线性上升。峰后应力-应变曲线的走势可以成为判断岩石脆性破坏标准[14]，粉砂岩应力下降最大，细砂岩次之，粗砂岩最小，即粉砂岩在单轴压缩条件下发生脆性破坏，粗砂岩则更多呈现延性破坏。

将平均粒径作为自变量，平均抗压强度作为因变量，进行非线性曲线拟合，采用Origin软件进行计算，可以得到3种砂岩粒径-抗压强度曲线(图5)。

y1为平均抗压强度；x为平均粒径图5 3种砂岩粒径-抗压强度曲线Fig.5 The particle size-compressive strength curves of three sandstone

相同实验条件下，粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的抗压强度与其粒径大小存在指数函数关系，粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的抗压强度依次递减，说明粒径越大，抗压强度越小，粒径越小，颗粒间胶结依附得越充分，颗粒间接触面积越大，排列越紧密，内部孔隙率越低，抗压强度越高。粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的峰值应力所对应的应变量是依次递减的，说明粒径的大小不仅影响砂岩的强度特性，而且影响砂岩的变形特征，其塑性变形能力不同程度的增加。试样破坏如图6所示。

图6 单轴压缩破坏图Fig.6 Uniaxial compression failure diagram

2.2 巴西劈裂试验结果分析

巴西劈裂是衡量岩石抗拉性能的一种常用手段，工程中岩石的破坏不完全是由压应力造成的，受拉导致岩石破裂的情况时有发生。因此，获取砂岩的抗拉强度是十分必要的，由压力机得到试样的峰值荷载后带入抗拉强度计算公式[15]，求得最终试样的抗拉强度。3种砂岩的巴西劈裂试验的结果如表3所示。

表3 巴西劈裂结果Table 3 Brazilian splitting result

由表3可以得出，3种砂岩的抗压强度均远超其抗拉强度。粉砂岩、细砂岩、粗砂岩抗拉强度分别为2.98、1.99、1.42 MPa，压拉比分别为16.7、18.9、17.7。

将平均粒径作为自变量，平均抗拉强度作为因变量，进行非线性曲线拟合，采用Origin软件进行计算，可以得到3种砂岩粒径-抗压强度曲线如图7所示。

y2为平均抗拉强度；x为平均粒径图7 3种砂岩粒径-抗拉强度曲线Fig.7 The particle size-tensile strength curves of three sandstone

粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的抗拉强度与其粒径大小存在幂函数关系，粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的抗拉强度整体呈现减小趋势，随着组成砂岩的颗粒粒径的增大，抗拉强度减小，细砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了33.2%，粗砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了52.3%，主要原因是粉砂岩致密，孔隙结构少，在受拉过程中有效黏结力强；细砂岩、粗砂岩的孔隙结构依次增大，尤其粗砂岩颗粒间间距大，孔隙结构多且明显，使其黏结力明显降低，抗拉能力大幅降低。因此，在地下岩石工程中，一定做好周围岩体因拉应力造成破坏的预防措施。

2.3 砂岩细观破坏特征

粉砂岩、细砂岩、粗砂岩在受压、受拉破坏时分别具有不同的破坏特征，肉眼很难观察到，现借助基恩士超景深显微系统VHX-5000进一步观察3种砂岩在受压、受拉破坏后裂隙周围岩石结构，放大倍数150 倍，如图8、图9所示。

图8 砂岩单轴压缩破坏细观结构图Fig.8 Microstructure diagram of sandstone under uniaxial compression failure

图9 砂岩巴西劈裂破坏细观结构图Fig.9 Microstructure diagram of sandstone under Brazilian splitting failure

由图8、图9可见，在同等放大倍数情况下，粉砂岩的破坏模式主要为颗粒间胶结物发生张拉破坏，进而导致试件整体破坏，其破裂边缘较为光滑，颗粒完整就是证明，这是由于粉砂岩颗粒微小，由于尺寸效应颗粒自身强度高于胶结物强度，在受拉时胶结物先达到破坏极限；细砂岩破坏模式表现为颗粒间胶结物破坏和少量的颗粒发生破坏，其裂缝边缘既有光滑部分同时有少量“毛刺”出现，这是砂岩颗粒和胶结物破坏的标志；粗砂岩的破坏以颗粒破坏和颗粒间交接物破坏同步发生，从裂缝处可观察到大量“毛刺”，这是由于粗砂岩组成颗粒成分大，孔隙多，颗粒自身和其胶结物强度相差不大造成的。

3 结论

(1)在组成成分相似条件下，组成砂岩的颗粒粒径对砂岩的力学性能有较大影响，砂岩抗压强度随着粒径增加呈指数减小的演化规律，粉、细、粗砂岩的抗压强度、弹性模量依次降低，细砂岩较粉砂岩抗压强度降低了24.1%，粗砂岩较粉砂岩强度降低了49.4%。粉砂岩破坏最突然，为脆性破坏，粗砂岩更多表现为延性破坏。

(2)粉、细、粗砂岩的抗拉强度依次降低，砂岩抗拉强度随着粒径增加呈幂函数减小的演化规律。细砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了33.2%，粗砂岩较粉砂岩强度降低了52.3%。3种砂岩具有较大的压拉比，在受载时更易发生受拉破坏，其拉压比分别为16.7、18.9、17.7。

(3)3种砂岩在受拉破坏时具有不同的破坏特征，粉砂岩由于尺寸效应颗粒强度大于颗粒间胶结物强度，以颗粒间胶结物破坏为主；细砂岩的破坏为颗粒间胶结物破坏和少量颗粒破坏；在粗砂岩中，颗粒较大，颗粒间胶结物破坏和颗粒自身破坏同时发生。