干湿循环条件下砂岩强度劣化试验研究*

2013-06-26柴肇云

金属矿山 2013年10期

张鹏柴肇云

(太原理工大学采矿工艺研究所)

水是影响岩石力学性质的重要因素之一［1］。近年来随着矿业工程、岩土工程、水电工程的飞速发展，众多工程领域面临着更加复杂、严峻的地质环境。因地下水引发的工程失稳问题逐渐增多，水岩作用后工程的安全性、可靠性、稳定性日益成为关注的焦点。在干旱半干旱地区，由于季节性降雨、岩体周期性的饱水—风干造成岩性劣化对工程的长期稳定性有较大的影响［2-8］。因此，有必要研究周期性干湿循环对岩体强度的影响规律。目前，国内外学者对干湿循环下岩石的力学性质进行了一些研究，如颜定玉等［9］通过试验探究了饱水时间对岩石动态参数的影响;刘新荣等［10-11］通过模拟库岸边坡岩体在库水涨落情况下水岩作用的过程，指出“饱水—风干”水－岩循环作用下，砂岩黏聚力、内摩擦角和抗剪强度均随循环次数下降;薛晶晶等［12］对干湿循环下强度与波速关系的探究实验表明纵波波速与单轴抗压强度有很好的对应关系;王永新［13］在水对岩石力学性质的劣化试验中得出“饱水—风干”循环过程对岩体强度参数有显著影响。但是上述文章较少涉及干湿循环下砂岩强度的劣化机理和破坏形式。本研究以砂岩为代表设计了“饱水—风干”水－岩循环试验，通过进行干湿循环下单轴抗压试验，得出了干湿循环下砂岩强度变化规律以及破裂形式。

1 岩样与过程描述

1.1 试验岩样

试验所用岩样采自山西省忻州市保德煤矿8号煤顶板，为古生代二叠系月门沟统山西组中粒长石石英砂岩，断面似沙糖状，微风化。在实验室加工成ø50 mm×100 mm的试样，为保证试样加工精度控制在允许误差范围(相邻面互相垂直，偏差不超过0.25°;相对面平行，不平行度不大于0.05 mm)内，将岩样在双端面磨石机上磨平。共加工试件20个，见图1。

图1 砂岩岩样

1.2 试验过程

试验时，采用自然吸水饱和法，首先将试件侵入蒸馏水中，使液面高出岩样上表面，待24 h后取出，此时试件已经完全饱和，然后将试件置于DZF－6020真空干燥箱中，将温度保持在105℃不变，开启除湿干燥风机，10 h后取出，冷却至室温。至此完成一个干湿交替过程。试验时随机从20个试件中取15个加工较理想的试件进行循环试验。以下为了叙述方便，把初始加工好的、没有在室内经过干湿水岩作用的试件称为干燥状态试件，即经过0次干湿交替作用的试件。等此循环结束后，开启下一循环，如此反复，共进行7次干湿循环。

在室内对经不同次“饱水—风干”分组试件用微机控制电液伺服万能试验机进行力学参数测定。试验轴向加载方式均采用位移控制，控制其加载速率为0.005 mm/s，试件加载过程中，注意观测试件破裂过程，并对破裂图像做好记录。

2 砂岩强度劣化规律

2.1 试验结果分析

表1为经历不同干湿循环砂岩单轴抗压强度试验结果。图2为经历不同干湿循环砂岩压缩破坏全过程应力－应变曲线。鉴于篇幅限制，取每组1号试样，从图2中可以看出:不论是干燥状态的试件还是经过不同次数干湿循环之后的试件，其应力－应变曲线变化趋势与宏观力学试验［14］类似，大致可分为4个主要阶段:①微裂隙压密阶段;②线弹性变形阶段;③弹塑性变形阶段;④应变软化阶段。到达峰值强度之前，各试件的应力－应变曲线形状基本相似，经过干湿循环作用后试件峰值强度降低。峰值强度之后，初始状态试件应力下降比较快，而经过干湿交替作用的试件，下降比较慢，形成一些下降台阶。由此可见，砂岩所能承受的最大应力随着干湿循环次数的变化而变化，随着循环次数的增加，强度发生大幅度的劣化，衰减程度显著。干湿循环对砂岩的强度有很大的影响，在水岩相互相互作用下，砂岩的强度和变形发生了不可逆的渐进性损伤。

表1 单轴抗压试验结果

图2 砂岩单轴抗压应力－应变曲线

图3为砂岩峰值强度拟合曲线。由表1和图3可以看出，砂岩的强度随干湿循环次数的增加强度逐渐降低，而且在第1次干湿作用之后，岩石的强度有大幅度的降低，但随着循环次数的增加其强度降低的幅度逐渐减小，峰值强度的变化趋势类似于指数形式变化，即

式中，σc为峰值强度，MPa;A，B为拟合参数;n为干湿循环交替的次数。

图3 砂岩峰值强度拟合曲线

拟合结果为

从拟合曲线中也能反映峰值强度这种变化规律。

通过实时观测干燥及干湿交替作用下试件破裂的全过程，可以得到，经过干湿循环作用后试件破裂快，失稳破坏所需要的荷载小，试件的脆性降低，干湿交替作用下对岩石产生损伤。为了定量描述干湿循环对砂岩强度的影响规律，在此，引入劣化度的概念，劣化度

式中，σc(0)为岩样干燥状态下单轴抗压强度，MPa;σc(n)为岩样某次循环后的单轴抗压强度，MPa;

表2为砂岩的劣化程度随循环次数的变化的结果。由表2可知，总劣化度随着循环次数的增加而增大，第1次干湿循环后单轴抗压强度下降4.95%，循环7次以后单轴抗压强度下降21.46%。从总的劣化度来看，干湿循环对砂岩强度影响很大，砂岩的抗压性能在干湿循环以后对水表现敏感。随着循环次数的增加，水对岩石的侵蚀程度增强，在水－岩作用下，砂岩的弱化性明显，劣化程度高。

表2 砂岩的劣化程度随循环次数的变化

2.2 劣化机理解释

岩石内部往往存在着大量分布的微观裂隙，如微裂纹、裂隙分布区等，为水－岩物理、化学作用、渗透作用创造条件。岩石试样浸泡时，一方面，在水压力的作用下，在裂纹端点处产生的应力集中，引起裂纹的扩张、扩展，有利于水分子沿着微裂纹、微裂隙和颗粒之间接触面等向岩体内部渗透，降低了岩体的内摩擦系数和凝聚力。另一方面，水岩作用下岩体内部胶结物质的溶蚀导致颗粒间的黏结减弱。而被溶解的矿物将使更多的水填充裂隙，加速对微裂纹尖端的冲蚀，并增加尖端的应力，助长劣化的进一步发展，尤其在干湿循环作用下，水岩相互作用更加明显。岩石内部孔隙率的逐渐增加使得每次循环后水的侵蚀程度加深，直到完全将岩石浸透，造成其力学参数大幅降低。同时，劣化后的岩石内部结构发生改变，从而促进水岩相互作用的进行。水－岩循环作用下，砂岩强度的变化反映了水对砂岩的作用是一个损伤累积并扩大发展直至破坏的渐变过程。

2.3 破裂形式

为探求干湿循环对砂岩破坏形式的影响，取初始干燥试件与干湿循环后试件破碎一部分照片进行对比，照片见图4。整个加载过程中，初始的裂纹基本与轴向平行，随着轴向荷载的增加，裂纹逐步扩展延伸到试件的两端，延伸过程中，裂纹的走向发生了改变，一部分裂纹变成剪切裂纹，同时形成分叉，衍生出两条新的剪切裂纹。通过对比干湿循环前后破碎情况可以得出，干湿交替作用对岩石内部结构产生了损伤，在“饱水—风干”过程中，胶结物会不断经历膨胀和收缩作用，导致岩石孔隙率增大，进而使得每次干湿循环作用下水对砂岩的侵蚀程度增加，直至将岩石完全浸透。造成砂岩的强度降低，劣化度高。因而在试样破裂过程中，经过干湿交替作用后岩样更容易在较低的应力状态下发生破坏。

图4 干湿循环前后岩样破碎照片

3 结论

(1)从单轴抗压试验应力－应变关系曲线可知，达到峰值强度之前，各试件的应力－应变曲线形状基本相似，经过干湿交替作用后试件峰值强度降低。峰值强度之后，初始状态试件应力下降比较快，而经过干湿交替作用的试件，下降比较慢，形成一些下降台阶。水岩相互作用对砂岩的劣化效应明显，干湿循环对砂岩造成了不可逆的渐进性损伤。

(2)砂岩的强度随干湿循环次数的增加强度逐渐降低，而且在第1次干湿作用之后，岩石的强度有大幅度的降低，但随着循环次数的增加其强度降低的幅度逐渐减小，峰值强度的变化趋势类似于指数形式变化。而劣化度随着循环次数的增加而增大，第1次干湿循环后单轴抗压强度下降4.95%，循环7次以后单轴抗压强度下降21.46%。

(3)干湿交替作用对岩石内部结构产生了损伤，在“饱水—风干”过程中，胶结物会不断经历膨胀和收缩作用，导致岩石孔隙率增大，进而使得每次干湿循环作用下水对砂岩的侵蚀程度增加，直至将岩石完全侵透。造成砂岩的强度降低，劣化度高。因而在试样破裂过程中，经过干湿交替作用后岩样更容易在较低的应力状态下发生破坏。

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