南宁电厂白垩系碎屑岩的强度和变形特征研究

刘发祥 安源远 唐升贵

(贵州有色地质工程勘察公司，贵州贵阳 550005)

岩石强度是各种岩石分类及其地下工程稳定性计算的主要指标，岩石应力应变关系及其破坏特征是研究岩石本构方程的基础，是岩石变形计算的依据，是数值计算不可缺少的基本数据[1]。由于岩石成因及其本身组构的复杂性，造成了岩石力学性质与其他人工材料相比有着更为显著的不均质性和各向异性[2]，因此，岩石力学性质试验仍是当前工程应用上需要研究的重要内容。岩石的强度和变形特性除受试验条件、试验方法影响外，还与其本身组构，如矿物成分、晶体特征、胶结性质、颗粒大小及联结方式、层理及裂隙的性质和方向等因素密切相关[3，4]，碎屑岩由于物质来源复杂、沉积环境多样[5]，造成其组构更为复杂多样、力学性质差异显著，因此对碎屑岩强度和变形特性的研究仍有实际工程意义以及一定理论价值。本文对广西南宁电厂新建工程场地的白垩系下统泥质粉砂岩、含砾中至粗砂岩和砾岩样品进行单轴抗压强度以及变形破坏特征进行研究，旨在为类似工程应用提供一定的参考。

1 试验样品及其岩性特征

试验样品岩性特征如下:Ⅰ组:共5段岩样，编号为C114-1～C114-5，泥质粉砂岩，黄～紫红色，倾角20°左右的层理发育，间距在1 cm以内，节理裂隙不发育，弱风化状态，以泥质胶结为主，质地均匀，嵌晶结构，层理构造。Ⅱ组:共7段岩样，编号为C116-1～C116-7，含砾中至粗砂岩，浅灰色，发育倾角20°左右的层理，层理间距在2 cm左右，节理裂隙不发育，弱风化状态，以泥质或钙质胶结为主，嵌晶结构，层理构造。Ⅲ组:共8段岩样，编号为C120-1～C120-8，含砾中至粗砂岩，黄～浅灰色，发育倾角20°左右的层理，层理间距1 cm～1.5 cm，节理裂隙不发育，弱风化状态，以泥质或钙质胶结为主，嵌晶结构，层理构造。Ⅳ组:共6段岩样，编号为C207-1～C207-6，砾岩，浅灰色，层理、节理裂隙不发育，弱风化状态，以泥质或钙质胶结为主，母岩主要为灰岩或白云岩，砾石棱角较明显，粒状结构，块状构造。Ⅴ组:共7段岩样，编号为C212-1～C212-7，砾岩，浅～深灰色，层理、节理裂隙不发育，弱风化状态，以泥质或钙质胶结为主，母岩主要为灰岩或白云岩，砾石棱角较明显，粒状结构，块状构造。

2 试验方法及过程

试件制作与试验依据GB/T 50266-99工程岩体试验方法标准规定的方法完成[6]。

2.1 试件制作方法

试验试件经过钻取、切割、磨平三个环节制备而成。试件钻取、切割成型后，置于磨石机上进行打磨加工，在钻取、切割与打磨过程中全程淋水冷却钻石机钻头、金刚石圆锯片及磨石机砂轮。成型后试件直径一般为49.52 mm～71.80 mm，高径比为1.39～2.06，未达标准试件的岩样测试结果采用修正公式的修正结果提出。

2.2 试件的烘干与饱和

将需烘干试件在105℃ ～110℃的恒温下烘24 h，放入干燥容器内冷却至室温后称量试件质量。重复以上操作直至相邻两次称量之差不超过后一次称量的0.1%。采用真空抽气法饱和试件，饱和试件的容器内的水面高于试件，抽气时间控制在4 h以上。经真空抽气的试件在原容器内放置4 h。

2.3 单轴压缩变形及抗压强度试验过程

测试程序为:将试件置于试验机上下加压板之间，使试件的纵轴与加压板的中心一致;开动压力试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使试验机的加压板与试件的端面紧密、均匀地接触;以每秒0.5 MPa～1.0 MPa的加荷速率均匀、连续地加荷。在加载过程中，逐级读取荷载和相应的纵向变形值，待仪器显示荷载峰值出现后，表明试件已受压破坏，即停止试验，并记录破坏荷载值。将试件的破坏荷载除以试件的承压面积即为试件的抗压强度，选取试件应力—纵向应变曲线上的直线段计算岩石弹性模量。

3 强度和变形破坏特征分析

3.1 试验成果

本次研究共制作43个试件，其中，15个做天然抗压强度试验，14个试件做饱和单轴抗压强度试验，14个试件做烘干抗压强度试验，同时测量试件的单轴竖向变形。5组试件的试验成果经统计分析后汇总于表1。

表1 单轴抗压强度及弹性模量试验成果统计表

3.2 岩石单轴抗压强度特征

根据表1的统计结果，绘制泥质粉砂岩、含砾中至粗砂岩及砾岩的单轴抗压强度条形图如图1所示。

从表1和图1可看出:1)三种岩石尽管其粒度组成不同，但均具有烘干状态的单轴抗压强度大于天然状态的单轴抗压强度、天然状态的单轴抗压强度大于饱和状态的抗压强度这一共同特征，说明三种碎屑岩的单轴抗压强度受岩石含水量的影响很大;2)天然状态下，泥质粉砂岩的单轴抗压强度比含砾砂岩和砾岩的小得多，而含砾砂岩与砾岩的单轴抗压强度差别不大;3)烘干状态下，泥质粉砂岩的单轴抗压强度较天然状态增幅最大，含砾砂岩次之，而砾岩的增幅最小;4)三类岩石的弹性模量大小依次为砾岩＞含砾中至粗砂岩＞泥质粉砂岩。

图1 三类岩石的单轴抗压强度条形图

3.3 岩石单轴竖向变形及破坏特征

本次试验的5组三类岩石的纵向应力应变关系曲线及破坏特征如图2～图11所示。

图2 Ⅰ组泥质粉砂岩的应力应变关系曲线

图3 Ⅰ组泥质粉砂岩试件破坏特征

图4 Ⅱ组含砾中至粗砂岩的应力应变关系曲线

图5 Ⅱ组含砾中至粗砂岩试件破坏特征

对比分析图2～图11可得出以下认识:

1)泥质粉砂岩存在节理面时，主要沿节理面发生剪切破坏(试件114t1)，无节理面时沿纵向发生脆性断裂破坏，呈现拉破坏的特征(试件114t2，114t3)，且前者发生破坏时的应变和峰值抗压强度均比后者小得多，应力应变曲线显示塑—弹性的特征，说明岩石经历层理面和空隙的闭合和压密过程后表现为脆性弹性材料的性质。

2)含砾中至粗砂岩表现为脆性剪切破坏(试件120t1)和纵向脆性断裂破坏两种特征，呈现剪切破坏和拉破坏两种性质，但以拉破坏为主。由于受含砾的影响，破裂面与质地较均匀的泥质粉砂岩相比有一定差异，破裂面往往呈现绕过砾石的起伏弯曲特点，且总应变相对要小。应力应变关系曲线显示塑—弹性的特征，表明该类岩石也经历了层理面和空隙的闭合和压密过程。

3)砾岩的破坏兼有纵向拉裂和横向鼓胀两种破坏特征，拉裂面主要沿砾石间的充填物和胶结物延展，且破裂面不止一个，峰值强度后仍具有一定的承载能力，表现为延性岩石的特征。应力应变关系曲线显示塑—弹—弹塑—塑性的特征，表明该类岩石的破坏经历压密→弹性能集聚→基质或胶结物拉裂→砾石重排列→砾石剪切滑动的复杂过程。

图6 Ⅲ组含砾中至粗砂岩的应力应变关系曲线

图7 Ⅲ组含砾中至粗砂岩试件破坏特征

图8 Ⅳ组砾岩的应力应变关系曲线

图9 Ⅳ组砾岩试件破坏特征

图10 Ⅴ组砾岩的应力应变关系曲线

图11 Ⅴ组砾岩试件破坏特征

4)总体而言，三类岩石相比，达到破坏前，泥质粉砂岩的变形最大，含砾中至粗砂岩次之，砾岩变形最小。

4 结语

通过本文研究得出几点认识:1)碎屑岩的组构不同，其单轴抗压强度受含水量的影响表现出明显差异，因此，工程上应重视水对碎屑岩力学性质的影响研究;2)碎屑岩的组构不同，其力学性质差异较大，呈现不同的破坏特征，泥质粉砂岩和含砾砂岩一般以纵向拉裂破坏为主，当有弱面存在时，可能发生沿弱面的剪切破坏，而砾岩的破坏情况复杂，兼有纵向多面拉裂和横向鼓胀两种破坏特征;3)碎屑岩的组构不同，其变形特征差异显著，总体而言，达到破坏前，泥质粉砂岩的变形量最大，含砾中至粗砂岩次之，砾岩最小;4)泥质粉砂岩和含砾中至粗砂岩的应力应变关系为塑—弹性类，而砾岩的为塑—弹—弹塑—塑性类，前者表现为脆性岩石的性质，而后者则表现出延性岩石的特征。

[1] 贺永年，韩立军，王衍森.岩石力学简明教程[M].徐州:中国矿业大学出版社，2010.

[2] 蔡美峰，何满朝，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社，2002.

[3] 徐志英.岩石力学[M].第3版.北京:水利电力出版社，1993.

[4] 吴德伦，黄质宏，赵明阶.岩石力学[M].重庆:重庆大学出版社，2002.

[5] 孙永传，李蕙生.碎屑岩沉积相和沉积环境[M].北京:地质出版社，1986.

[6] GB/T 50266-99，工程岩体试验方法标准[S].