隧道石膏质围岩强度特性试验研究

祝艳波，吴银亮，余宏明

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056)

1 研究背景

在建的宜昌—巴东高速公路拟建凉水井、花栎包等隧道，隧道工程穿切了石膏质岩地层，主要为三叠系海相含膏岩层，区域地层水循环交替条件较好，溶蚀通道不封闭，石膏质岩与地下水有直接接触的条件。石膏质岩属于特殊岩体，为确保隧道建设顺利进行，减少和预防隧道建成后的病害，以凉水井隧道区出露的石膏质围岩为研究对象，通过室内不同含水率、不同干湿循环条件下单轴压缩试验以及水岩作用后微观电镜图片对比，探讨其强度软化特性。

国内外学者针对水及干湿循环对岩石强度影响开展了大量的研究，成果颇丰。学者们开展了不同含水状态下岩石的单轴压缩试验，结果表明岩石的各项力学性能指标都随含水率的增加而降低［1－5］。在宏观试验研究方面，陈钢林和周仁德［6］对不同饱和度、不同类型岩样进行了单轴压缩试验，结果表明岩石的含水状态直接影响岩石的力学性质。谢和平和彭曙光［7－8］等通过试验证明了岩石的干抗压强度明显高于湿抗压强度，软化作用显著，并拟合出含水率与单轴抗压强度的关系。刘新荣、傅晏等［9－11］开展了干湿循环作用下砂岩的力学特性试验，得到砂岩在干湿循环作用下强度劣化明显的规律。P.A.Hale 和 A.Shakoor［12］研究冷热、干湿、冻融对岩石单轴抗压强度影响，结果表明冻融循环对强度影响最大。乔丽萍等［13－14］从微观层次上对砂岩及板岩的水物理化学损伤机制及规律进行了研究。陈寿堂［15］模拟了地下水软化作用对隧道围岩稳定性的影响，结果表明隧道洞室围岩越差，水对围岩稳定性影响越大。赵延林、杨春和等［16－21］通过单轴及三轴压缩实验得到了盐岩的力学特性。梁卫国［22］开展了盐水浸泡作用下石膏质岩单轴抗压强度试验，结果表明浸泡后石膏岩变形呈软化趋势。以上研究成果丰硕，而目前针对石膏质岩的研究成果偏少，结合具体隧道工程，探讨水对石膏质岩强度影响，从而指导工程实践是十分必要的，为此通过宏观力学试验及微观试验开展石膏质岩水理性质研究，研究成果为隧道施工提供参考依据。

2 试验对象

试验样品为石膏质岩，取自凉水井隧道穿越的石膏岩岩层。X矿物衍射试验测定其石膏含量高达98%。将岩样加工成直径50 mm、高度100 mm的圆柱标准试样，并进行编号。量测试样质量及尺寸，做好记录，准备试验。试样如图1所示。

图1 石膏质岩试样Fig.1 Samples of gypsum rock

3 试验方法及过程

将试样做好标记，做干燥状态、饱和状态、一定含水率状态、干湿循环状态下的单轴压缩对比试验。

3.1 不同含水率试样单轴压缩试验

分别制备干燥状态、饱水状态、一定含水率状态试样。饱水试样利用真空泵抽真空饱和8 h，然后在此负压下饱和24 h。干燥试样利用烘箱于48℃下烘干72 h制取。一定含水率状态试样制样方法:将选取好的试样先进行吸水试验，一定时间后放入恒温保湿箱里面静置72 h，测定试样含水率。此次试验共制取含水率分别为 0(干燥状态)，1.86%，2.38%，3.39%，4.96%(饱和状态)5 组试样。

3.2 不同干湿循环条件下试样单轴压缩试验

选取试样，利用真空泵抽真空饱和24 h，然后放入烘箱内于48℃下烘干72 h，为1个循环。此次试验共设计干湿循环次数分别为0，5，10，15共4组试样，循环后进行单轴压缩试验。

3.3 石膏质岩微观电镜试验

为了研究水岩作用后石膏质岩的微观形貌特征，从微观上解释石膏质岩软化及强度劣化机理，采用扫描电子显微镜扫描水岩作用前后的石膏质岩试样，观察对比其孔隙特征。对比试样必须来自同一块石膏质岩，观察断面应具有同一层纹构造，以保证微观结构的可比性。选取未经过水浸泡、水浸泡、干湿循环10次后的试样敲碎，取具有新鲜断面的试样小块，利用液氮冷冻装置进行脱水处理，以保证试样水分的脱掉及试样的微观结构不受到破坏，用扫描电子显微镜观察新鲜断面。

4 试验成果分析

利用三轴伺服机对不同含水率、干湿循环条件下石膏质岩试样进行单轴压缩试验，得到各试样单轴压缩应力－应变曲线如图2、图3所示。

图2 不同含水率石膏质岩应力－应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of gypsum rock with different moisture contents

由图2，图3可见，含水率为0%(干燥状态)、干湿循环0次的试样的应力－应变全过程曲线更加“紧凑”，可分为峰值前阶段及峰值后阶段，峰值强度之前曲线模型为塑性－弹性－塑性模型［23］，峰值后阶段显示出试样的硬脆性。整个过程经历了裂纹压密阶段、弹性变形、微裂隙发展阶段、裂隙稳定发展阶段、峰值强度后破坏阶段。不同含水状态及干湿循环试样的应力－应变全过程曲线形状差别很大，这主要是不同含水状态及干湿循环次数引起的，随着含水率及干湿循环次数的增加，曲线峰值不断降低，曲线显得更加“宽松”，强度及变形软化趋势明显。也分为峰值前阶段及峰值后阶段，在达到峰值强度之前曲线模型为弹性－蠕变型的曲线［23］，峰值后阶段显示出试样的塑性不断增大。

4.1 含水率对石膏质岩强度与变形特性影响

测试得到不同含水率试样的强度与变形指标，列于表1中。

表1 不同含水率试样的强度与变形指标Table 1 Strengths and deformation indexes of samples with different moisture contents

图4为不同含水率下试样与抗压强度、弹性模量、变形模量、泊松比的试验关系曲线。石膏质岩的抗压强度、弹性模量、变形模量及泊松比分别在2.552 ～ 11.376 MPa，0.936 ～ 12.319 GPa，1.327 ～7.313 GPa，0.301 ～ 0.377之间变化，且存在着一定的变化规律，随着含水率的增高，抗压强度、弹性模量、变形模量都呈下降趋势。经回归分析，发现三者与含水率有良好的函数关系，相关性较好，函数方程见图中。泊松比则随含水率增大而近似呈现先增大后减小的趋势。

图4 含水率与抗压强度、变形指标的关系曲线Fig.4 Relations of moisture content respectively with compressive strength and deformation indexes

根据相应标准［24］与规范［25］，结合石膏质岩抗压强度指标，石膏质岩属于软岩，计算的软化系数为0.224，软化性较强，工程地质性质较差。由图4可见干燥试样的抗压强度最大，饱和试样抗压强度最小，饱和试样较干燥试样强度降低了77.5%，含水率越高，试样抗压强度越低，充分说明水对石膏质岩强度劣化明显，软化性质显著。弹性模量及变形模量随试样含水率的增大而减小。泊松比随着含水率增大而增大，但增大幅度有限。石膏质岩的强度和模量随含水率变化最为敏感。

4.2 干湿循环对石膏质岩强度与变形特性影响

测试得到干湿循环前后试样的强度与变形指标，列于表2中。

表2 干湿循环前后试样的强度与变形指标Table 2 Strengths and deformation indexes of samples before and after drying and wetting cycles

图5为试样干湿循环条件下单轴压缩抗压强度、变形指标与干湿循环次数的关系曲线，可见干湿循环对石膏质岩的力学性质产生了较大的影响。随着干湿循环次数的增加，试样的单轴抗压强度、弹性模量、变形模量不断降低。经回归分析，发现三者与干湿循环次数有良好的对数关系，相关性较好，函数方程见图中。泊松比随着干湿循环次数的增加而增大，但幅度有限。

图5 干湿循环次数与抗压强度、变形指标的关系曲线Fig.5 Relations of drying and wetting cycle respectively with compressive strength and deformation indexes

由表2可见，未经干湿循环试样的单轴抗压强度为经过干湿循环5次，10次，15次后试样强度的1.5倍、2.1倍、3.1倍;未经干湿循环试样的弹性模量分别为经过5次、10次、15次干湿循环后试样弹性模量的4倍、5.2倍、7.7倍;未经干湿循环试样的变形模量为经过5次、10次、15次循环后试样变形模量的1.6倍、2.6倍、2.7倍。石膏质岩的劣化度，可定义为干湿循环前后试样的强度、模量的变化量，分别与未经干湿循环作用试样的强度、模量的比值，可见随着干湿循环次数的增加，试样的总劣化度不断增大，说明干湿循环对石膏质岩的损伤是渐进式的。干湿循环对石膏质岩强度与变形指标影响的大小顺序为:弹性模量＞抗压强度＞变形模量。

4.3 水对石膏质岩强度劣化机理

图6(a)为干燥石膏质岩微观结构形态，可见明显的解理，晶体多发育成板状，晶面上有可见纹路，板晶间接触紧密，晶面光滑、平整，具有完整性好的特点，未见破坏的迹象。图6(b)及图6(c)分别为石膏质遇水软化及干湿循环10次后微观形态图，可见:由于溶蚀及干湿循环作用，岩样微观晶体遭到溶蚀破坏，晶面溶蚀成毛边状、刀削状，解理面不再明显，板状结构间及晶间孔隙度增加，晶格之间的一些物质被溶蚀、崩解、冲刷掉。石膏质岩遇水及干湿循环后结构松散，整体结构遭到了破坏，岩体单元强度降低，软化系数增加，强度性质变差。

图6 石膏质岩微观形态Fig.6 Microstructure of gypsum rock sample

水对石膏质岩强度影响主要包含以下几个方面:①物理化学效应。石膏质岩成分被水溶解和溶蚀，易溶物质被溶出，使孔隙结构及岩体结构骨架性质发生改变，石膏质岩强度变差。②石膏质岩内的自由水运动在颗粒间产生孔隙水压力作用，作用在微裂隙上则会产生劈裂作用，宏观上表现出试样强度参数的降低。③吸附降低硬度效应。石膏质岩颗粒表面吸附水分子，润湿矿物颗粒，软化石膏质岩的物理状态，削弱了颗粒之间的关系，增加颗粒间的润滑作用，降低了力学参数。④水对石膏质岩裂隙扩张效应。由于水浸入石膏质岩内部，溶蚀部位呈软塑特性，试样局部内应力产生集中，同时水分子的浸入也加速了裂纹产生及裂隙扩张，改变了矿物的物理状态，削弱了矿物颗粒间联结力，使其强度降低。⑤水对石膏质岩风化作用。在干湿循环过程中，水从试件表面的裂隙、孔隙渗入岩石内部，加上干湿循环作用都会对试样产生风化作用，使试样内部及表面产生了宏观微裂隙及裂纹，使其强度降低。

5 结论及建议

(1)石膏质岩强度较低，属于软岩，石膏质岩强度指标随含水率变化十分敏感，遇水软化特征显著。试样的抗压强度、弹性模量、变形模量随着含水率的增大而降低，泊松比随之增大。干湿循环作用对石膏质岩强度及变形参数劣化明显，试样的抗压强度、弹性模量、变形模量随着干湿循环次数的增加而降低，泊松比随之增大，但幅度有限。

(2)研究区隧道内出露石膏质围岩，其工程性质较差，会产生如下危害:石膏质围岩遇水软化强度降低，变形增大，从而降低隧道围岩的稳定性。当石膏质岩在隧道拱底以下赋存时，遇水软化后，拱脚最危险，因支护形成的土拱效应使拱脚出现应力集中，导致拱脚处大量单元体屈服，进而由于地基承载力不足而导致拱脚处地基失稳下沉。石膏质岩遇水软化后，被地下水溶蚀带走，会在隧道背后产生空洞。当隧道拱顶存在空洞时，上方围岩有松动掉落的危险，会对隧道衬砌结构产生毁坏。隧道边墙两侧的石膏质围岩软化变形、溶蚀后也会导致整个衬砌结构受力不均，产生应力集中，破坏衬砌的整体结构。

(3)为避免水对石膏质岩强度及变形的劣化，防止隧道产生工程病害，在隧道施工时，注意做好防水及排水措施，同时应考虑设置拱脚锚杆、增加初期支护拱脚面积、增加横支撑、地基注浆预加固等措施。

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