饱水-风干循环作用下砂岩强度劣化规律试验研究

邓华锋，李建林，朱 敏，王孔伟，王乐华，邓成进

（三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

随着三峡工程的竣工，库区水位将常年在175～145 m 之间反复升、降变化，形成一个高达30 m的库水变幅带，在库水位升、降循环中，变幅带岩土体将处于一种饱水-风干交替状态，这种饱水-风干交替作用对岩土体来说是一种“疲劳作用”[1－2]，在这种循环作用下岸坡岩土体的强度将如何劣化，以及由此引发的地质灾害都是十分严峻而又不可回避的问题[3]。

国内外对水-岩作用下岩体损伤研究已经积累了较多的成果。归纳起来主要是以下几个方面：①饱水或不同含水率情况下岩石（软岩）的强度、变形特性[4－5]、流变特性试验研究[6－7]。研究表明，含水岩石的强度及弹性模量等均有不同程度的降低，而且饱水砂岩比干燥砂岩具有更明显的流变性，饱水砂岩的应力门槛值比干燥砂岩的小；②考虑时间效应的岩石（软岩）水或者化学溶液浸泡试验研究[8－9]。结果表明，岩石力学强度指标随着浸泡时间的增长而逐渐降低；③干湿交替（饱水-风干）循环作用下岩石（软岩）力学性质劣化规律研究[10－13]，但这里的“干”、“湿”一般采用的是人工强制的烘干或者饱和；④考虑温度变化[14]、冻融循环[15]等耦合因素的水-岩作用研究；⑤考虑库水位升、降变化的典型库岸边坡稳定性分析[16－17]。

以往的这些研究成果为库岸边坡变幅带的水-岩作用机制探讨奠定了较好的基础，但还存在一些不足和需要完善的地方：例如这些研究中较少考虑库岸边坡库水变幅带的饱水-风干循环作用，或者在试验过程中考虑了干湿循环作用，但不考虑循环作用的时间效应，采用强制的“干湿”循环措施，同时，有些试验条件（如强酸、强碱、高温等）在自然界的库岸边坡岩体中一般是不会出现的；常用的试验方法是常温、常压情况下水或化学溶液短期或者长期浸泡，浸泡试验时很少考虑水压力升、降变化的影响。基于此，本文针对三峡典型库岸边坡的变幅带砂岩设计了考虑水压力升、降变化的饱水-风干循环作用试验（后面简称饱水-风干循环作用试验），旨在比较真实地模拟库水变幅带的饱水-风干循环作用，对循环作用下砂岩的力学参数劣化规律及劣化机制进行深入的试验研究。

2 试验设计

2.1 试样制作及选择

砂岩是沉积岩中分布范围很广的一类岩石，也是水利、水电建设、边坡、滑坡治理工程中经常遇到的岩石类型，在三峡库区岸坡中广泛存在，本次试验采集三峡库区典型库岸边坡变幅带的砂岩为试验对象，试验结果具有较好的代表意义。典型岩样如图1所示。

图1 典型砂岩试样Fig.1 Typical sandstone samples

经中国地质大学（武汉）分析测试中心鉴定，岩样为绢云母中粒石英砂岩，微风化，孔隙式钙质胶结，基质具微细鳞片变晶结构的中粒砂状结构，岩石由石英、长石、岩屑、云母等组成，天然密度为 2.63 g/cm3。岩样取回后，按照《水利水电工程岩石试验规程》[18]和RMT-150C岩石力学试验系统规格要求加工成直径为50 mm、高为100 mm的圆柱形标准试样，制样精度严格按照规范要求。测试已经制备好的每个试样的纵波波速、回弹值，严格选取纵波波速和回弹值均相近的试样[19－20]，进行后面的饱水-风干循环作用试验。

2.2 试验方案设计

试验中，为了比较真实地模拟库水位升、降变化的影响，浸泡时采用3种平行试验方案：①静水、常压；②静水、加压（压力考虑0.4 MPa）；③静水、加压（压力考虑0.8 MPa）。参照类似试验的经验，考虑浸泡的时间效应影响，同时，考虑试验的可行性，设计每期浸泡时间为30 d，其中，前10 d为均匀增加至设计水压力，模拟库水位的上升，中间10 d保持压力不变，模拟正常蓄水的相对稳定期，后10 d压力均匀降低至0，模拟库水位的下降，浸泡仪器采用 YRK-1岩石溶解试验仪（已申请专利）[21]，如图2所示，压力通过仪器底部的压力气囊（接氮气瓶）施加，手动调压阀控制，浸泡的水取自岩石取样附近的长江水域。

图2 YRK-1岩石溶解试验仪Fig.2 YRK-1 rock dissolution tester

每期浸泡满30 d后，取出所有试样放置在实验室自然风干，模拟库水位下降后，岸坡岩体自然风干情况，时间统一为5 d（据准备阶段的试验测试，饱水试样自然风干5 d左右，试样的重量趋于稳定，试样达到基本风干状态。），5 d后，从3个浸泡方案中各取出一组试样先采用自由浸水饱和法使其达到饱和状态，然后，进行抗压强度试验（围压为0、5、10、20 MPa）；把其余试样重新放置回浸泡仪器中继续浸泡，设计循环次数为6次。研究在不同浸泡方案情况下，砂岩试件在饱水-风干循环作用下的力学性质变化规律。

饱水-风干循环模拟中，为了更真实地模拟库岸边坡岩体现实情况，尽量采取“自然”的方式，在试验循环过程中让试样自然风干，避免以往试验中采取烘干法对岩石矿物成分和岩体性质的影响；整个试验过程是在5月份至12月份完成的，随着季节的变化，每次风干时的环境条件有些差异，对单次饱水-风干循环作用效应的均匀性可能也会有一定的影响，但这种试验方法是一种更接近自然状态的方法，其最终的试验结果会更接近现实的状态。另一方面，岩石的含水率对物理性质、力学试验的结果都是影响较大的，因此，在试验过程中，为了更好地把握试验规律，所有物理力学参数均在试样饱和状态下测定。考虑库岸边坡岩体的实际工程环境，采用自由浸水饱和法，按照《水利水电工程岩石试验规程》[18]规定，先将试件竖直置放于饱和缸中，第1次加水至试件高度1/4处，以后每隔2 h加水至试件高度的1/2和3/4处，6 h后试件全部淹没于水中，48 h后取出，此时试件已经饱和。

3 试验结果及分析

3.1 砂岩试样抗压强度变化规律分析

不同浸泡情况、不同循环次数的饱水砂岩试样抗压强度试验结果如图3所示。

从图 3可以看出，砂岩试样在饱水-风干循环过程中抗强度变化具有以下规律：

（1）在饱水-风干循环过程中，砂岩试样的抗压强度逐渐降低，总体趋势明显，浸泡时的水压力变化幅度越大，劣化的趋势越明显，这个差别在循环初期相对不明显，在后期，这个差别逐渐变大，6次循环以后，不同浸泡情况强度差别约3%～10%，说明在模拟库水变幅带水-岩作用时，水压力的变化是一个不容忽视的因素。

（2）在饱水-风干循环过程中，砂岩试样的抗压强度的劣化趋势与试验时加载的围压有关，围压越低，劣化的趋势越明显，同一期试样中，单轴抗压强度与围压20 MPa的抗压强度降低程度相比，要大3%～7%。例如在饱水-风干循环6次后，0.8、0.4 MPa和静水常压浸泡试样单轴抗压强度分别下降了 36.37%、34.25%和 32.15%，而围压 20 MPa时的抗压强度分别下降了 31.02%、28.42%和25.80%，说明饱水-风干循环过程对岩样内部的损伤有累积放大的作用，这种损伤效应在围压较小时体现的更加明显。

图3 饱水-风干循环作用下砂岩的抗压强度变化规律曲线Fig.3 Curves of compressive strength change rules for sand rock samples under “saturation-air dry” circulation function

（3）文献[10]中的砂岩人工强制饱水-风干试验，3次循环以后，围压为10、20 MPa的抗压强度分别下降了16.78%、15.26%；6次循环以后，分别下降了24.75%、22.30%。本文的试验结果为，3次循环以后，围压为10、20 MPa的抗压强度分别下降了19.72%～22.90%、14.57%～19.17%；6次循环以后，分别下降了 28.89%～34.80%、25.80%～31.02%。比较而言，二者的变化趋势相似，但文献[10]数值上明显小于本文的试验结果，其原因主要是由于文献[10]的饱水-风干循环作用试验中，没有考虑水-岩作用的时间效应，也没有考虑水压力升、降变化对岩石试样的影响，因此，力学参数劣化幅度相对较小。

3.2 砂岩试样的c、φ 值变化规律分析

根据三轴抗压强度的试验结果，依据摩尔-库仑准则，可以计算出各种浸泡情况下每期试样的凝聚力c值、内摩擦角φ值，如表1所示，从表中可以看出，砂岩试样在饱水-风干循环过程中c、φ值变化具有以下规律：

表1 不同浸泡压力、循环次数下试样c、φ值变化统计表Table 1 Statistical table of cohesion and internal friction angle of the samples under different immersion pressures and different cycle numbers

（1）在饱水-风干循环过程中，砂岩试样的c、φ值劣化趋势明显，各种浸泡情况的变化规律基本一致，浸泡时水压力变化幅度越大，c、φ值下降的越大，而且，随着饱水-风干循环次数的增加，这个差别越来越大。

（2）在饱水-风干循环过程中，水-岩作用的损伤效应明显，c值下降的幅度明显大于内摩擦角的变化，3次循环以后，c值下降了15.17%～19.30%，φ值下降6.44%～9.45%；6次循环以后，c值下降了25.86%～30.77%，φ值下降了11.87%～15.34%，其原因一方面是水对矿物颗粒间接触面或胶结物的溶解、润滑、软化作用，导致了凝聚力的明显下降；另一方面由于岩体中溶解、扩散和沉淀等因素的影响，使得颗粒间接触边缘锯齿状或不规则状趋向变成圆滑状，从而使锯齿部分的强度下降，进而使岩石的凝聚力和内摩擦角下降[17]。文献[10]中的砂岩试样人工强制饱水-风干试验，3次循环以后，c、φ值分别下降了15.44%、7.16%；6次循环以后，c、φ值分别下降了24.27%、10.51%，其变化规律与本文相似，但数值上小于本文的试验结果，其原因主要与文献[10]中的试验方法有关，与3.1节（3）中解释相同。

（3）在饱水-风干循环初期，c、φ值下降相对较小，几次循环作用后，c、φ值下降速度较快，而在5～6次循环作用时，下降趋势又逐渐变缓，对应单次饱水-风干循环作用引起的c、φ值下降比值逐渐减小。

（4）从地质学的岩石风化规律而言，在饱水-风干循环若干次之后（t→∞），砂岩理论上变成凝聚力为0的砂，内摩擦角应该变成一个不为0的较小的角[10]，结合这个特点，对上述试验数据可以用函数关系式y=y0[1-aln(1+btc)]较好地拟合。岩（土）体的抗剪强度一般可以用摩尔-库仑准则τ=c+σntanφ表达，根据表1统计得到的c、φ值变化规律可以得到不同情况下饱水–风干循环作用后砂岩的抗剪强度衰减公式，如表2所示。并根据抗剪强度衰减公式绘制曲线如图4所示。

表2 抗剪强度拟合函数关系式Table 2 Fitting function relationships of shear strength

图4 砂岩试样抗剪强度变化规律及趋势拟合图Fig.4 Shear strength change rules and trend fitting chart of sand rock samples

从图 4可以看出，砂岩的抗剪强度随着饱水-风干循环次数的增加而逐渐降低。在循环作用前期，下降速率较快，随着循环次数的增加，抗剪强度的降低速率趋于缓慢。

4 饱水-风干水-岩循环作用机制研究

岩石内部往往存在着大量弥散分布的细观缺陷，如微裂纹、裂隙分布区，尤其是裂纹、裂隙尖端的塑性区，是水-岩物理、化学作用、渗透作用的活跃带。岩石试样浸泡时，一方面，水分子沿着岩体中的微裂纹、微裂隙和颗粒之间接触面等结构面向岩体内部渗透，润滑、软化作用降低了岩体的内摩擦系数和凝聚力，另一方面，逐渐发生水-岩物理、化学反应或离子交换，产生新的次生矿物，进而改变岩样内部的结构。但在浸泡溶液环境变化不大的情况下，各种水-岩作用会逐渐趋于平衡。前面的试验的结果也表明，在试验的前期，岩样的抗压强度、c、φ值劣化的速率较快，而在5～6次饱水-风干循环作用后，由于浸泡溶液中各种离子浓度趋于饱和，各种水-岩作用趋于缓慢，各力学参数的劣化逐渐趋于缓慢。

在水压力的作用下，特别是水压力上升、下降的变化，在裂纹端点处产生的应力集中容易诱发裂纹扩张、扩展，更有利于水分子在岩石试样中的内渗、外渗和渗透通道的形成，进而为水化学反应提供了更多的反应表面，使溶液与岩石矿物的反应机率增大、速度加快，由此加大了其微观结构变化的程度，从而促进裂纹、裂隙的扩展和聚集，在力学性质上表现为抗压强度、c、φ值下降。前面的试验中，饱水-风干循环两次之后，不同压力浸泡试样的强度变化差别逐渐明显，而且，浸泡时水压力变化幅度越大，岩石试样强度劣化越快，对比分析也发现，考虑饱水-风干的循环作用时的岩样的损伤程度要比以往单一水-岩浸泡损伤大得多。这些都较好地说明了水压力的升、降变化在库岸边坡变幅带水-岩作用试验中不可忽视。

饱水-风干的循环过程，是对岩样损伤的一次次累积，一次浸泡和水压力的上升，水分子入渗，促使水-岩物理、化学作用的产生，加剧了内部裂纹、裂隙的发展及聚集效应，一次水压力的下降和风干，水分子外渗，水-岩物理、化学作用产生的矿物颗粒和化学物质沿着腐蚀的裂纹、孔隙、颗粒间接触面外渗，产生新的次生孔隙，为下一次的水-岩物理、化学作用提供更多新的反应表面。这个循环过程就逐渐导致岩样内部的细微观裂纹、裂隙的集中化及扩展，向宏观裂纹、裂隙的转变，在宏观裂纹、裂隙形成以后，水-岩物理、化学作用愈加强烈，其细观的损伤不断演化，推动宏观缺陷的发展，而宏观裂纹在扩展过程中所引起的细观损伤区域，又将是水-岩作用强烈的区域。

这一点可以从砂岩试样不同饱水-风干循环阶段的薄片显微结构照片中得到较好地印证，砂岩试样在饱水-风干循环作用下，其微观结构也逐渐发生变化，选取不同试验阶段的部分岩石试样磨取薄片，典型显微结构照片如图5所示。

图5 砂岩试样部分典型薄片显微结构照片（0.4 MPa）Fig.5 Microscopic-structure photos of some typical sandstone samples (0.4 MPa)

从图5可以看出，初始状态下砂岩长石颗粒表面存在一些蚀变点，颗粒界限边缘相对清晰，胶结物相对致密；随着饱水-风干循环作用次数增加，长石颗粒表面蚀变点明显增多、蚀坑增大，并出现一些微裂纹，颗粒界限边缘变的模糊，不规则状变得趋向圆滑，颗粒之间的钙质胶结趋向松散，这些现象说明饱水-风干循环作用对砂岩的物理、化学、力学细观损伤作用较强，促进了岩石的微观裂纹向宏观缺陷发展。

5 结 论

（1）在饱水-风干循环过程中，水-岩作用对试样的强度损伤效应较大，砂岩试样的抗压强度、c、φ值逐渐劣化，变化趋势基本一致，而且，浸泡时的压力变化幅度越大，强度劣化的趋势越明显。在循环作用初期，劣化幅度比较小；2～4次饱水-风干循环作用时，劣化速率相对较快；5～6次循环作用时，劣化速率相对变缓，并逐渐趋于缓慢。

（2）饱水-风干循环作用对岩样的损伤在微观上表现为其微观结构的变化，包括孔隙、裂隙、裂纹的聚集、扩展等，在宏观上则表现为岩石力学性质的劣化。而这个损伤演化过程与水-岩物理、化学作用和力学作用密切相关，从本文的试验结果来看，除了水-岩物理、化学作用之外，水压力的升、降变化和饱水-风干循环作用过程对损伤演化规律起着非常重要的作用，这也是本文所研究的重点。饱水-风干循环作用对岩体的损伤是一种累积性发展的过程，即每一次的效应并不一定很显著，但多次重复发生，却可使效应累进性增大，导致岩体质量逐渐劣化。

（3）本文设计的试验方案相对于以往的类似水-岩作用试验，不仅考虑了饱水-风干循环的过程，而且考虑了水-岩作用的时间效应和水压力的升、降变化对岩石试样的影响，试验条件更趋近于现实情况，相关的试验方法、试验结果和结论也可以为其他岩体的劣化规律研究提供有益的参考。

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