山区船闸地基粉砂质泥岩室内压缩试验研究

吴礼国 李泳龙 裴建良

摘要：利用MTS 815试验系统对岷江尖子山航电枢纽工程右岸船闸地基挤压破碎带粉砂质泥岩进行了系统的单轴压缩和常规三轴压缩试验，得到了其基本力学性质和破坏形态。研究结果表明：天然含水量和溶蚀作用对砂质泥岩的单轴抗压强度影响显著，岩样含水量越大，其软岩特征越明显;在天然含水率ω为7.3%～22.1%范围内，单轴抗压强度的最大值为最小值的10.3倍，非溶蚀岩样的单轴抗压强度与含水量呈良好的幂指数关系。在围压的侧限作用下，天然含水量对粉砂质泥岩的三轴抗压峰值（剪断）强度的影响更加明显，在天然含水量ω=15.2%～19.9%范围内，其上、下限强度包络线可用Coulomb准则进行表达。在天然含水量较低或围压较低时，非溶蚀岩样易发生剪切破坏;随着天然含水率的增加和围压的增大（ω≥17.3%或σ3≥4 MPa），非溶蚀岩样易发生鼓胀破坏;在单轴压缩条件下，溶蚀岩样的破坏形态与试样中溶蚀的空间分布关系等紧密相关。

关 键 词：船闸地基; 粉砂质泥岩; 单轴抗压强度; 单轴压缩试验; 常规三轴压缩试验

中图法分类号： O38;TU45   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.030

0 引 言

中国幅员辽阔，在岩土工程建设中不可避免地会遇到各种软岩地层和软弱夹层。泥岩是一种常见的软岩，由于其独特的物理化学性质，使其对温度、湿度、应力等环境因素极为敏感。在天然状态下泥岩较为完整、坚硬，力学性能良好，遇水后迅速膨胀、崩解和软化，强度会发生显著弱化，引发一系列水电站坝基变形、库岸边坡失稳、路基沉降、巷道塌坍等[1-6]工程问题。

众多学者从水、温度、加载方式等对泥岩力学性质的影响、渗流特性、泥岩胀缩性和微细构特征等方面进行了研究，取得了大量卓有成效的研究成果。周翠英等[7]针对华南地区广为分布的典型软岩，研究不同饱水状态下软岩软化的力学性质变化规律。郭瑞等[8]对砂质泥岩进行了不同含水量和干密度条件下的单轴抗压强度试验，建立了以含水量和干密度为变量的砂质泥岩抗压强度数学表达式。蒋景东等[9]研究不同含水状态下泥岩的力学性质，并结合能量机制分析了含水率对岩石力学性质的劣化效应及机理。FU等[10]研究了不同围压和温度对粉砂质泥岩裂隙渗流特性及渗透系数的影响。王闫超等[11]对巴东组泥岩开展室内瞬时力学试验和流变力学试验，分析岩石的流变力学特性和本构模型。李蕊等[12]对秭归县马家沟滑坡中粉砂质泥岩开展三轴压缩试验，研究不同加载控制方式下巖石的变形破坏特征。于怀昌等[13]研究了分级加载条件下岩石的应力松驰特性及其规律。王磊等[14]开展了不同状态和不同围压水平的室内三轴压缩试验，分析西部弱胶结泥岩的强度特征和基本力学指标与围压的变化关系。含水率泥质粉砂岩的强度对含水率的变化更为敏感，贾海梁等[15]通过测定泥质粉砂岩在脱水过程中不同饱和度下的物理、力学性质，深入研究了孔隙水对泥质粉砂岩的微（细）观软化机制。

岷江尖子山航电枢纽工程右岸船闸地基的岩性以中风化粉砂质泥岩为主，内含石膏杂质。由于靠近河床，岩体内裂隙发育，局部存在挤压破碎及轻微至中等溶蚀现象。由于受含水量、结构特征等因素的影响，粉砂质泥岩抗压强度差异较大。因此，本文利用国际先进的MTS 815岩石力学系统对天然状态下的粉砂质泥岩较为系统地开展了单轴压缩和常规三轴压缩试验研究，获得了该区域粉砂质泥岩的基本力学性质，同时结合含水率、原生裂隙及溶蚀情况对其破坏形态进行了深入的原因分析和探讨，为类似山区船闸工程设计和施工参数的选取提供了科学依据。

1 试验描述

1.1 岩性特征与岩样制备

本文试验所用岩样均取自该船闸地基面以下2.5～5.5 m及15.5～18.5 m处的挤压破碎带（见图1）。

按照国际岩石力学学会（简称ISRM）的要求[15]，现场钻孔取芯后立即进行密封包装，送至室内加工为50 mm×100 mm的标准圆柱样，加工精度按照GB/T 50266-2013《工程岩体试验方法标准》进行，收集岩样制作后的残余岩块，烘干后称重并计算出该岩样对应的天然含水量。

本次试验共制作岩样30个，其中13个岩样用于单轴压缩试验，17个岩样用于三轴压缩试验。鉴于制备后的岩样所含天然裂隙均由石膏良好胶结，用于单轴压缩试验的岩样分为两组，即非溶蚀岩样（A组）和溶蚀岩样（B组）。在试验前测得岩样的几何尺寸、天然密度和纵波波速。

1.2 试验系统和加载过程

试验以中国科学院成都分院山地灾害与环境研究所MTS 815岩石力学试验系统（见图2）为试验平台，开展室内单轴、三轴压缩试验。该设备具有轴向刚度大、测试精度高、性能稳定等特点。

在试验过程中，试验系统实时记录荷载、应力、位移和应变值，并同步绘制荷载-位移、应力-应变曲线。单轴压缩的技术指标为：轴向荷载0～1 000 kN（压缩）;轴向位移0～90 mm;纵向变形引伸计量程为-4.0～4.0 mm，横向变形引伸计量程为-2.5～12.5 mm;各测试传感器的测量精度均为示值的0.5%。围压最大值为80 MPa，三轴纵、横向变形引伸计量程为-2.5～5.0 mm和-2.5～8.0 mm。

单轴压缩试验采用变形控制方式进行，试样安装、接触完毕后，按0.05 mm/min的恒定加载速率进行轴向加载，直至轴向荷载出现峰值并进入峰后阶段，试样发生宏观破坏。三轴压缩试验中，先按0.1 MPa/s的速率施加围压至预设水平，待围压量值稳定后，按变形控制方式，以0.05 mm/min的加载速率施加轴向荷载，直至轴向荷载出现峰值并进入峰后阶段，试样发生宏观破坏。单轴和三轴试验过程中实时记录试样轴向荷载及轴向、环向变形数据。试验结束后，收集破坏岩样再次进行烘干称重，重新核定岩样的天然含水量。

2.2 常规三轴压缩试验

由单轴压缩试验结果可知，含水量和溶蚀影响对粉砂质泥岩的单轴抗压强度影响很大。为了避免三轴压缩强度的离散性过大，且考虑到船闸蓄水后地基土含水量不会太小，故而选取天然含水量较大的非溶蚀岩样进行常规三轴压缩试验。图5和图6给出了常规三轴压缩试验条件下粉砂质泥岩非溶蚀岩样的典型应力-应变曲线和破坏形态。

从图5可以看出，在侧限压缩试验条件下，非溶蚀岩样的软岩特征更加明显。由于在施加静水围压的过程中，岩样内部的初始裂隙得到了不同程度的压密，在低应力阶段岩样的应力-轴向应变曲线近似为一条直线，破坏时巖样的轴向应变值和环向应变值显著增大。

3 结 论

（1） 受天然含水量大小不同和溶蚀作用影响，挤压破碎带粉砂质泥岩的单轴抗压强度离散性很大。在天然含水量ω为7.3%～22.1%范围内时，单轴抗压强度的最大值为23.19 MPa，最小值为2.05 MPa，前后两者相差10.3倍。岩样含水量越大，软岩特征越明显。非溶蚀岩样的单轴抗压强度与含水量呈良好的幂指数关系：σc = 1 299.5ω-2.038。

（2） 在围压的侧限作用下，天然含水量的大小对岩样的三轴抗压峰值强度的影响更加明显，含水量越大，抗压峰值强度越低，反之亦然。常规三轴压缩试验条件下，当天然含水量范围为15.2%～19.9%时，非溶蚀岩样强度破坏准则的上、下限破坏包络线表达式为：σs=2.765σ3+2.20、σs=1.27σ3+2.91。前者对应的黏聚力是后者的0.51倍，前者对应的内摩擦角是后者的4.12倍。

（3） 在天然含水量较低或围压较低时，非溶蚀岩样易发生剪切破坏;随着天然含水量的增加和围压的增大（ω≥17.3%或σ3≥4 MPa），非溶蚀岩样易发生鼓胀破坏。当岩样中裂隙倾角较缓时，在压应力作用下，裂隙两侧由于变形不协调易导致裂隙开裂或在高围压作用下局部块体的挤出。在单轴压缩条件下，岩样的破坏形态与岩溶的空间分布关系密切。

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（编辑：郑 毅）