郭永成，胡 鹏，王克辉，刘鑫宇，晏 斌

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002；3.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

大量岩土工程实践表明，岩体的失稳破坏与其内部裂隙的扩展、水压作用、工程及自然卸荷密切相关。如三峡工程库区自2006年蓄水以来，每年蓄水位均在145～175 m间循环变动，对库岸边坡稳定影响日益严重。因此，对处于循环水压作用下的岩体卸荷力学性质进行研究是非常有必要的。在库水位升降变化引起的岩石力学特性损伤方面的研究已取得了众多成果，许江等[1-3]通过对饱水砂岩进行三轴试验，分析了砂岩在压密阶段和弹性耦合阶段的应变变化曲线，从能量角度出发，探讨了损伤过程中的能量吸收与释放的演化规律。刘新荣等[4-8]通过自由浸水反复浸泡-风干作用，模拟库岸边坡岩体在库水涨落情况下水-岩作用的过程，得到了粘聚力c、内摩擦角φ和抗剪强度τ的劣化规律。邓华锋等[9-12]设计考虑水压力升降变化的砂岩浸泡-风干循环作用试验，分析了不同阶段下砂岩试样的变形及破坏特征，揭示了循环加卸载下砂岩各项力学指标的衰减规律，较好解释了震后边坡在浸泡或降雨时出现的失稳现象。姚华彦、傅晏等[13-15]通过系列室内干湿循环试验发现，循环作用对岩石的影响是渐进性的，初期影响较大，随着作用时间的延长，该劣化效应逐渐减弱。

尽管关于库岸边坡水-岩作用的研究成果颇多，但还存在一些不足。饱和-风干循环从常压到有压，考虑的是岩石风干后的力学特性；干湿交替循环采用强制的干湿循环措施，并未考虑水压力升降变化。然而，在库岸边坡开挖卸荷工程中，大量位于浅表层的边坡实际处于受压情况下的循环低孔隙水压作用。鉴于此，本文拟通过对不同次数水压循环作用下的砂岩进行卸荷力学试验，研究库水位升降对岩质边坡开挖稳定性产生的影响。

图1 水压循环作用下砂岩的应力—应变关系

1 试验方案

1.1 试样制作与选取

试验岩样均取自于三峡工程库区的砂岩。按照GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》要求，加工成Φ50 mm×100 mm的圆柱体标准试样。通过测量岩样直径、高度、质量、纵波波长及回弹值等指标进行筛选，然后在TOP INDUSTRIE自适应全自动岩石三轴试验机上进行相关试验。

1.2 试验步骤

为模拟库区水位升降循环次数对砂岩卸荷损伤力学特性的影响，设置循环孔隙水压为0.3 MPa。试验前，将试样烘干，再用真空饱和仪饱水48 h以上，使试样完全饱和。砂岩卸荷力学试验方案如下：

(1)安装试样后，以1.2 MPa/min的速率增加围压至20 MPa。

(2)以0.01 MPa/min的速率增加水压至0.3 MPa，维持0.5 h后，再以相同速率降水压至0，重复此操作至水压循环次数对砂岩的损伤稳定为止。

(3)以1.2 MPa/min的速率增加轴压至抗压强度的80%后保持轴压不变，以1.0 MPa/min的速率卸载围压至试件破坏，试验结束。

本次试验设置0、2、4、…、24次循环，每组循环采用3个试样，总计39个试样。

2 试验结果分析

2.1 卸荷破坏应力—应变曲线

不同次数水压循环作用下砂岩卸荷应力—应变曲线见图1。图1中，(σ1-σ3)为偏应力；ε1为轴向应变；ε3为环向应变。峰值强度和峰值围压变化曲线见图2。从图1、2变化可知：

图2 峰值强度与峰值围压的变化

(1)砂岩卸荷破坏过程中的应力—应变曲线分为压密阶段、弹性阶段以及卸荷阶段。卸荷阶段初始位置存在明显弯曲。随着循环次数n不断增加，压密阶段的初始轴向、环向应变略微增加，弹性阶段的斜率不断降低，卸荷破坏的峰值点不断下降。表明饱水砂岩经过水压循环过程后，内部结构逐渐出现累积损伤，各项力学性质开始不断劣化。

(2)砂岩卸荷破坏的峰值强度随n增加，其减小幅度呈先小后大再小的反“S”形曲线变化。0～6次循环峰值强度的下降幅度为0.78%；8～18次循环降幅达到3.0%，是前6次的3.85倍；次数达到20次后，降幅只有0.61%。表明20次之后，峰值强度变化幅度极小，此时水压循环作用对砂岩的损伤达到稳定状态。

(3)卸荷破坏峰值围压同峰值强度的变化趋势相反，即先小后大再小的正“S”形上升趋势。前6次循环，峰值围压值的降幅为0.68%；8～18次降幅为2.84%，是前6次平均降幅的4.18倍；20～24次降幅为0.37%。

(4)根据变化曲线，可将水压循环对饱水砂岩的作用分为3个阶段，即初始阶段(0～6次)、加重阶段(8～18次)和饱和阶段(>20次)。

峰值强度和峰值围压值随水压循环次数的变化呈现明显的反“S”形和正“S”形趋势，故采用First Optimization非线性拟合软件对曲线进行拟合，即

(1)

(2)

式中，(σ1-σ3)p为峰值强度；σ3p为峰值围压值。由拟合系数知，拟合关系合理，能较好预测峰值强度和峰值围压值。

2.2 卸荷破坏变形特性

2.2.1水压循环阶段的应变规律

(1)初始阶段。限于篇幅，仅列出第6次水压循环的水压—应变曲线，见图3。图3中，曲线重合区域的宽度是水压循环对砂岩应变影响的量值。循环次数n较小时，对轴向应变影响幅度相对较小，而环向应变幅度相对较大，即u-ε3曲线较u-ε1的曲线重合区域的宽度较大，但两者均随着n增大而缓慢增加。在该初始阶段，n较小时，水压对砂岩内部裂隙的侵入程度相对较小，孔隙水与砂岩内部矿物颗粒接触有限，裂隙发育不明显，砂岩结构劣化程度不高，水压循环作用在这一阶段主要起辅助作用。

图3 初始阶段水压—应变的关系

(2)加重阶段。限于篇幅，仅列出第12次的水压—应变曲线，见图4。从图4可以看出，在加重阶段，轴向、环向应变均有一定幅度的增长。在水压循环完成后，水压回落，开始施加轴压的阶段，轴向位移大幅增加，轴向应变增幅明显，表明水压循环作用对砂岩产生了较大的损伤，砂岩内部尖端裂隙发育明显，从而导致轴压施加过程中应变加大。这一阶段环向应变较初始阶段产生了一定幅度的增长，水压循环作用对砂岩产生的劣化是环向变形增长的主要因素。

图4 第12次水压循环过程中水压—应变的关系

图5 第24次水压循环过程中水压—应变的关系

(3)饱和阶段。限于篇幅，仅列出第24次水压循环的水压—应变曲线，见图5。从图5可知，在饱和阶段，水压循环作用对砂岩的劣化已经达到稳定，对轴向、环向位移影响趋于平衡。在循环次数n超过20次之后，水楔作用对砂岩内部结构的损伤也达到稳定状态。水压循环作用对砂岩轴向、环向应变的影响均不再如加重阶段强烈。

2.2.2应变围压柔量变化规律

为进一步了解水压循环次数和初始围压值对砂岩卸荷阶段的变形特性的影响，引入变量——应变围压柔量[16]，分为轴向和环向应变围压柔量，即卸围压破坏时，卸荷起始点与破坏点之间的应变差Δε与围压差Δσ3的比值，其值用来反映围压变化量对某一方向上应变的响应程度，值越大，表明卸荷对该方向的应变影响越明显。公式如下

(3)

图6 应变围压柔量随水压循环次数的变化

3 结 语

本文通过饱和砂岩在水压循环作用下的三轴卸荷试验，分析砂岩卸荷破坏的峰值强度、峰值围压随水压循环次数的变化曲线，应变围压柔量随水压循环次数的变化关系，可得出以下结论：

(1)砂岩卸荷破坏的峰值强度(σ1-σ3)随循环次数n的增加不断减小，呈先小后大再小的减小趋势。卸荷破坏峰值围压同峰值强度的变化趋势恰好相反，呈先小后大再小的上升趋势。

(2)水压循环影响初始阶段，由于循环次数n较小，初始围压对砂岩变形的影响比水压循环作用更大；在加重阶段，循环次数的增加导致轴向应变显著提高；在饱和阶段，水压循环对砂岩的劣化已经达到饱和，对轴向、环向位移影响趋于平衡。