水对软质砂岩加卸荷力学特性影响的试验研究

李宏国,　邵　迅,　姚华彦,　吴　平,3

(1.合肥工业大学 土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥　230009; 2.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山　243000； 3.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥　230031)



水对软质砂岩加卸荷力学特性影响的试验研究

李宏国1,2,邵迅1,姚华彦1,吴平1,3

(1.合肥工业大学 土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥230009; 2.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山243000； 3.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥230031)

摘要:文章进行了软质砂岩在饱水和干燥条件下的单轴、三轴加载以及卸围压试验。试验结果表明岩样加卸荷力学特性受水的影响显著。饱水状态下,砂岩的加载及卸荷强度均低于干燥状态岩石的强度;无论是干燥还是饱水状态,卸荷条件下砂岩的黏聚力相对于加载条件有所提高,而内摩擦角却降低。在围压大于5 MPa时,卸荷条件下的岩样峰值强度低于加载条件下的强度;卸荷试验与加载试验相比较,处于饱水状态的岩样,其黏聚力和内摩擦角的变化幅度远大于干燥状态的岩样。

关键词:砂岩;饱水;卸荷;试验;力学特性

在含水的多孔岩石中,由于水的应力腐蚀作用,会导致岩石中原有的微裂纹不断扩展、长大贯通以及新裂纹的产生,并促使裂纹加速扩展[1]。水对岩体介质力学性质的影响已经成为进行深入理论和试验研究的主题[2-4]。

对于加载条件下的岩石变形和破坏机制方面的研究成果很多[5-7],随着深部工程或高应力工程建设增多,人们逐渐发现采用卸荷作用的思想来探讨和解决这些问题可能更符合工程实际的响应[8-9]。

考虑到地下水的作用,一些研究者也开展了卸荷条件下的渗透特性[10-11]研究,结果表明裂隙岩体卸荷过程对渗透系数的影响不容忽视。而有水压时岩石卸荷的强度和破坏特性均有较大变化[12-13]。工程实际中考虑到水对岩石力学性质的弱化作用,也采用注水或喷水防治岩爆[14-15]。但目前,考虑地下水对岩体卸荷影响的研究并不充分。

本文通过对干燥和饱水2种状态下的软质砂岩进行加载和卸荷三轴试验,分析水对软质岩加载和卸荷力学特性的影响。

1试验材料和方法

试验岩样取自三峡库区秭归县千将坪镇侏罗系的砂岩。经安徽省地质试验研究所鉴定为长英质细砂岩，泥质孔隙式胶结结构，其主要成分为:石英,含量73%左右;长石,含量15%左右;白云母,含量2%左右；泥质胶结物，含量8%左右;少量锆石、方解石、独居石、磷灰石、绿帘石等。将岩块加工成直径约为50 mm,高度约为100 mm的圆柱形试样。试验分为如下4组:

(1) 干燥砂岩单轴、常规三轴加载试验。

(2) 饱水砂岩单轴、常规三轴加载试验。

(3) 干燥砂岩三轴卸围压试验。

(4) 饱水砂岩三轴卸围压试验。

其中饱水砂岩是将试件放在蒸馏水自然浸泡至饱和进行力学试验。干燥砂岩在105 ℃下烘干24 h,再冷却至室温之后进行力学试验。

试验在RMT 150试验机上进行。常规三轴加载试验为:将干燥或饱水试件分别先将围压加载至5、10、15 MPa,然后固定围压继续施加轴向应力直至试件破坏。卸围压试验时,采用恒轴压、卸围压应力途径,即先加围压至预定围压(5、10、15、20 MPa),再施加轴压至预定值,然后保持轴压不变将围压减小,直至试样破坏。参照文献[16],采用的卸围压的速率为0.05 MPa/s。

2试验结果分析

试验结果见表1所列，计算出试件的剪切强度参数c和φ值。

由试验结果可知,岩样干燥时单轴抗压强度为35.94 MPa,饱水单轴抗压强度为20.2 MPa,根据文献[17]的分类,属于较软岩，软化系数为0.56,是一类工程性质较差的岩石。

表1　试验结果　MPa

2.1饱水与干燥砂岩常规三轴试验研究

图1所示为砂岩峰值强度与围压的关系,可以看到无论是在干燥还是饱水条件下,随着围压的增加,其峰值强度都有明显的升高,干燥试件比饱水试件升高得更快。在相同的围压下,干燥试件的峰值强度大于饱水试件，表明饱水条件下,砂岩的抗压强度显著降低,这与很多学者研究结果一致[18-19]。本文所用岩样为孔隙式泥质胶结,泥质胶结物一般含有膨胀性黏土矿物,遇水作用后,胶结作用迅速减弱，因而饱和砂岩相对于干燥状态砂岩,强度下降。

图1　常规三轴饱水与干燥砂岩的峰值强度与围压的关系

用Mohr-Coulomb准则来描述砂岩的强度规律。峰值强度σ1和围压σ3基本上呈线性关系。采用公式σ1=a+bσ3(其中a、b均为拟合系数)线性拟合。干燥砂岩:

σ1=5.992σ3+40.71，R2=0.968 5

(1)

饱水砂岩:

σ1=4.538σ3+23.19，R2=0.988 1

(2)

抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ计算公式为:

(3)

(4)

计算得到饱水砂岩的c值、φ值分别为5.4 MPa、39.7°,而干燥砂岩分别为8.3 MPa、45.6°。相比于干燥砂岩的参数,在饱水的条件下,岩样的c值、φ值分别降低了34.9%、12.9%,黏聚力c值降低幅度比内摩擦角显著。

在加载过程中,岩样在围压作用下都有一个压密的阶段。尤其是软岩,其内部的空隙、裂隙等较大,这种现象更为突出[7]。计算不同围压作用下的砂岩弹性模量,其与围压的关系如图2所示。可以看到,相同围压条件下饱水砂岩弹性模量低于干燥岩石;在干燥和饱水2种情况下,弹性模量均随着围压而增大,围压低于10 MPa时,增大的趋势显著,但大于10 MPa时,只有小幅度的增加，表明水对该岩样变形特性也有显著影响。

图2　砂岩弹性模量与围压的关系曲线

2.2饱水砂岩与干燥砂岩卸围压试验研究

卸围压情况下,砂岩的峰值强度与围压的关系如图3所示。在卸围压状态下,无论干燥还是饱和砂岩,其峰值强度与围压基本也呈线性关系,峰值强度随着围压的增加而增加,这与上述常规三轴试验的情况是类似的。

图3　饱水与干燥砂岩的破坏时峰值强度与围压的关系

卸围压状态下饱水岩样的强度参数也比干燥岩样有所降低。干燥岩样的抗剪强度参数c、φ值分别为9.7 MPa、41.9°,饱水岩样分别为9.1 MPa、29.8°,分别降低了6.2%、28.9%,表明内摩擦角降低的幅度更大。

2.3干燥砂岩的加载和卸荷试验研究

干燥岩样在加载和卸围压2种情况的峰值强度与围压关系如图4所示。由强度参数计算结果可知，与常规三轴加载相比,卸围压下c值增加了16.9%,而φ值则降低8.1%。

关于卸荷对岩石强度的影响,不同学者的观点不尽一致。如文献[18-19]对花岗岩、大理岩的卸围压试验表明,相对于加载情况,卸荷得到的岩石的内聚力降低,而内摩擦角增大;文献[20]的研究表明,对于各种卸荷应力路径,如果卸荷点处于弹性范围内,当接近破坏时的屈服接近速率一定时,应力路径对强度影响不明显。

本文砂岩的加卸荷试验得到的强度变化规律与上述文献不一致。究其原因在于应力路径(加载、卸荷)是影响强度的外因,而岩石本身的结构是岩石强度的内因。文献[18-19]都是强度较高的岩石,结构致密,具有明显的脆性特征。本文的岩样属于较软岩,孔隙度较大,在围压的作用下一些原来张开的微裂隙闭合或垮塌而压密(这可以从图2所示砂岩弹性模量随围压的变化中得到验证),而且围压越高这种压密作用也越强。卸围压过程与加载过程相比,如果破坏时的围压相等,由卸围压达到破坏的试样经历了一个更高的围压作用过程,在这种压密过程中,岩石内部结构已经受到损伤或破坏,在围压较低情况下,这种损伤破坏可以忽略,而在较高围压(如本文大于10 MPa时)下,则使岩样的力学性质发生较大变化。从图4中可以看到,围压较高时,卸荷破坏的岩样强度位于三轴加载拟合曲线下方。因而卸围压试验相对三轴加载试验时c值增加,φ值减小。

图4　干燥砂岩加载和卸荷破坏时峰值强度与围压关系

2.4饱水砂岩的加载和卸荷试验研究

图5所示为饱水砂岩加载、卸荷破坏时峰值强度与围压的关系曲线。与上述干燥砂岩的试验结果类似,围压较高时,卸荷破坏的岩样峰值强度位于三轴加载拟合曲线下方。与常规三轴加载相比较,卸围压情况下c值增加68.5%,而φ值则降低24.9%，其原因也类似于前文所述。

图5　饱水砂岩加载和卸荷破坏时峰值强度与围压关系

值得注意的是,在饱水情况下,内聚力和内摩擦角的变化幅度远大于干燥条件下的岩石。其原因在于,由于水的软化作用,导致岩石内部微裂隙更容易闭合或坍塌,岩石结构的损伤更严重,其最终结果是在围压较高时，卸围压条件下砂岩的强度有更大幅度的降低。

3结论

试验结果表明,本文所用岩样为较软岩,其力学特性受水的影响显著,饱水状态下,砂岩的常规三轴加载及卸荷强度均低于干燥岩石的强度。无论是干燥还是饱水状态,卸荷状态下砂岩的黏聚力c值与加载状态下的比较有所提高,而内摩擦角φ值却降低。在围压作用下,卸荷条件下的岩样强度低于加载条件下的强度。上述研究表明软质岩与一般硬岩卸荷破坏规律存在差别。卸荷试验与加载试验的强度相比较,在饱水情况下,砂岩的内聚力和内摩擦角的变化幅度远大于干燥条件下的岩石。

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(责任编辑马国锋)

Research on the effect of water on mechanical properties of soft sandstone under loading and unloading conditions

LI Hong-guo1,2,SHAO Xun1,YAO Hua-yan1, WU Ping1,3

(1.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine, Ma’anshan 243000, China； 3.Anhui Institute of Building Research and Design, Hefie 230031, China)

Abstract:The uniaxial loading, triaxial loading and confining pressure unloading tests were carried out on dry or water-saturated typical soft sandstone. The tests results show that water has great influence on the mechanical properties of soft sandstone under loading and unloading conditions. The strength of water-saturated sandstone is lower than that of the dry sandstone under either loading or unloading conditions. For both the dry and water-saturated sandstone samples, the cohesion under unloading condition is higher than that of loading condition, and on the contrary, the internal friction angle is lower. When the confining pressure is greater than 5 MPa, the strength of the sample under unloading condition is lower than that of loading condition; the results of unloading test and loading test show that the variations of cohesion and internal friction angle of water-saturated sandstone samples are greater than those of dry samples.

Key words:sandstone; water saturation; unloading; test; mechanical property

中图分类号:TU45

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)03-0360-04

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.015

作者简介：李宏国(1975-),男，河南商城人,合肥工业大学博士生.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078123；51179043);金属矿山安全与健康国家重点实验室开放课题基金资助项目(ZDSYS001)

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-05-19