李 刚

(赫章县水投水务有限责任公司，贵州 毕节 553208)

1 概 述

随着我国基建项目的增加，新建了大量大型的地下硐室、水利工程、跨海大桥等基础工程，因此水岩作用下引起的基础工程安全问题逐渐增多。1976年，美国Teton土坝崩塌，原因是大量降雨导致岸坡坝段齿槽底土体松软和不利地质条件对槽底松土产生管涌。1961年，湖南柘溪水库也因为降雨导致事故发生。因此，对水-岩作用下库岸边坡岩石的研究迫在眉睫。

目前，越来越多的学者关注到水作用下的岩石工程安全问题，也因此取得了较为丰硕的成果[1-3]。陈腾飞等[4]通过大三轴试验对红砂岩力学性质进行讨论，研究了饱水和高温等敏感参数对红砂岩声学力学性质的影响。邓华锋等[5]通过大量的试验对红砂岩进行分析，着重分析了饱水度的影响，研究表明饱水度对红砂岩纵波波速及强度有显著影响。李天斌等[6]通过单轴、三轴试验对红砂岩进行研究，分析了不同含水率作用下红砂岩的能量机制。孙彦峰等[6]基于试验方法，对红砂岩蠕变特性进行研究，分析了含水率和围压等相关敏感参数的影响。综上，本文针对某水利工程库岸边坡红砂岩进行水-岩作用下库岸边坡岩石基本试验研究。

2 试验设备及试样制备

2.1 试验设备

本文研究所用的试验仪器为TFD-2000微机伺服控制岩石三轴流变试验机和岩石双轴流变测试仪，见图1和图2。

图1 岩石双轴流变测试仪

图2 TFD-2000 微机伺服控制岩石三轴流变试验机

TFD-2000试验机包括汽泵、轴压控制柜、冷水机、围压控制柜、油泵、电控箱等。该试验机水压最大可达80 MPa，围压最大可达110 MPa，轴向应力最大可达1 800 kN。

2.2 试样制备

本次实验所选用的岩石均为红砂岩。实验所用试样均严格按照统一的标准进行取样，以避免试件各向异性对实验结果的影响。通过岩石取芯机对红砂岩进行取芯，再通过磨平机对试样进行切割打磨至标准尺寸。圆柱体试样尺寸为直径5 cm，高度10 cm。试样及装样见图3和图4。

图3 岩石试样

图4 岩石装样

3 试验步骤

本文主要研究岩石试样不同含水率对红砂岩在强度和变形方面的影响。对红砂岩试验分别进行干燥、天然及饱和状态下的单轴和三轴试验。具体试验步骤如下：

1)对试样进行测量，记录下尺寸和重量。

2)分别制备3种不同状态试样。

3)对部分岩石试样进行声波测试试验，以得到波速试验结果。

4)将试样放置于三轴试验仪上，对其进行围压加载至目标值，随后施加轴向力直至试样破坏。加载速度控制在5×10-3mm/min。

5)试验结束后，记录试验数据，并取出试样。

4 试验结果分析

4.1 对岩石变形的影响

本次实验施加4种不同围压分别对干燥、天然及饱和状态进行加压，4种围压分别为0、5、10和15 MPa。试验得到试样干燥、天然及饱和状态下的泊松比、弹性模量等，试验结果见表1。

表1 干燥、天然及饱和状态下试验结果

由表1可知，当施加的围压为0 MPa时，干燥、天然及饱和状态下试样的抗压强度分别为73.50、68.17和34.63 MPa。当施加的围压为15 MPa时，干燥、天然及饱和状态下试样的抗压强度分别为117.31、100.26和83.01 MPa。干燥状态下试样在围压为0 MPa时的弹性模量为20.29 GPa，此时从干燥状态到天然状态，弹性模量减小7.55 GPa；从天然状态到饱和状态，减小2.49 GPa。可见，试样抗压强度、应力和弹性模量均随着含水量的增大而减小。但红砂岩的泊松比随着含水量的增大而增大。另外，3种不同含水状态下，红砂岩的抗压强度、应力和弹性模量均随着围压的增大而增大，但增大幅度逐渐减小。泊松比随围压总体呈现增大趋势。

图5为干燥、天然及饱和状态下试样的应力随应变的变化曲线。由图5中可以看出，当试样含水率一样时，随着围压的增大，试样最大应力也随着增大，且最大应力对应的应变也随着围压的增大而增大。当围压增大到屈服强度时，试样将产生不可逆的变形，试样逐渐表现出延性的变形特征。当围压较小时，试样的最大应力减小，变形扩容特征愈加显著，这是由于对试样的侧向约束少。当试样受到的围压大时，试样的横向变形受到限制，显著增大了极限承载力。试样最大应力也随着试样含水率的增加显著减小。

图5 不同含水率下应力应变曲线

4.2 对岩石强度的影响

分析岩石强度特征通常参考下列指标：抗剪强度、单轴抗拉强度、三轴抗压强度等。岩石强度特征在不同含水率下也表现出不同，破坏形态亦如此。试样强度随着含水率增大先缓慢减小，随后显著降低。干燥和天然状态下的试样表现出相似的强度特征。低含水率的试样脆性特征更加明显，更易破坏。

库伦准则可较好地描述强度特征。库伦准则公式表述为σ1=A+Bσ3，其中σ1为峰值应力，σ3为围压。A和B为与内摩擦角和黏聚力有关的强度参数：

由上式可得黏聚力和内摩擦角：

用库伦准则对试样的波速试验结果(表2)进行处理得到试样相关强度参数，见表3。图6为试样最大应力与围压的关系图。

表2 不同含水率下试样的波速试验结果

表3 不同含水率下试样的强度参数表

图6 不同含水率下最大应力与围压的关系曲线

从表2可以看出，随着试样含水率的增加，试样的波速逐渐增大。从表3和图6可以看出，天然状态下试样的内摩擦角相较于干燥状态下的试样减小约1.5%，黏聚力减小约21%。饱和状态下的黏聚力和内摩擦角相比于天然状态下的试样也减小。可见，试样内摩擦角和黏聚力随着含水率的增大而逐渐减小。

图7为不同状态下试样三轴压缩包络线。莫尔强度包络线能很好地解释试样在三轴压缩试验的强度指标。由图7可以看出，3种含水率状态下试验应力曲线正好与莫尔强度包络线相切。

图7 不同状态下试样三轴压缩包络线

5 结 论

本文利用TFD-2000 微机伺服控制岩石三轴流变试验机和岩石双轴流变测试仪，对红砂岩分别进行单轴和三轴压缩试验，得到不同含水率下红砂岩试样的弹性模量、单轴抗压强度、三轴强度参数等结果。主要结论如下：

1)红砂岩含水率对红砂岩的波速、弹性模量、泊松比等有显著影响。随着红砂岩含水率的增大，红砂岩的波速逐渐减小；反之，红砂岩弹性模量和泊松比逐渐增大。

2)红砂岩的黏聚力和内摩擦角随着含水率的增大均逐渐减小。天然状态下红砂岩试样的黏聚力比干燥状态下减小约21%，内摩擦角减小约1.5%。

3)红砂岩的抗压强度随着含水率的增大逐渐减小，饱和状态下试样的抗压强度小于干燥和饱和状态下的试样。