干湿循环作用下贵州泥质白云岩的物理特性试验研究

王桂林

摘 要：随着水利水电、采矿、交通运输及建筑等领域大型工程的兴起，地下的大量岩石裸露于地表，处于多雨、干燥的复杂气候环境中。受干湿循环作用的影响，岩石的物理特性发生了较大的变化，进而引发了滑坡、路基坍塌等灾害。泥质白云岩是一类水敏感性岩体，在贵州地区分布较广，因此，研究泥质白云岩的物理特性随干湿循环作用的变化规律对工程设计、施工和运行安全有重要的工程意义。

关键词：泥质白云岩；干湿循环；物理特性；水敏感性岩体

中图分类号：TU452 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.004

1 研究意义

泥质白云岩是一类水敏感性岩体，在贵州地区分布较广，水对其具有强烈的影响，研究泥质白云岩的物理特性随干湿循环作用的变化规律对工程设计、施工和运行安全有重要的工程意义。

泥质白云岩具有岩石所特有的不连续性、不均匀性和各向异性的力学性质。本文采用试验研究的方法，对泥质白云岩的物理特性进行了详细研究。

2 试验岩样备制

2.1 岩样采集加工

在贵州地区某岩质边坡现场采集了试验所需泥质白云岩岩芯，所选岩块必须新鲜、完整，钻取方向垂直于岩块的沉积面，取样工具为水钻机，采集的芯样直径为50 mm。

对采集的岩芯进行切割打磨，加工成50 mm×100 mm的圆柱形标准试样，具体如图1所示。试样精度应符合下列要求：①试样两端面的不平行度偏差不应大于0.05 mm；②试样高度、直径的偏差不应大于0.3 mm；③端面应垂直于试样轴线，最大偏差不应大于0.25°。

图1 岩样加工成品

2.2 岩样筛选与分组

筛选制作好的岩样，以降低试验数据的离散性。筛选时，先剔除某些外观差异较大的岩样，再用RS-ST01C非金属超声波检测仪测定剩余岩样的纵波波速。按照“波速相近”的原则，选出岩性相近的试样共56个。

将筛选后的岩样分组，并使每组岩样的烘干波速平均值相等或相近，共分7组，每组8个试样，具体分组及编号如表1所示。

3 干湿循环试验

将饱和后的第2～7组试样放置在干燥箱中，在105±2 ℃的温度下烘烤12 h；取出浸泡在水槽中，水温保持在20±2 ℃，吸水12 h，此为1次干湿循环，即每个干湿循环的周期为24 h。

最终对第2、第3、第4、第5、第6、第7组试样分别进行了5，10，15，20，25，30次干湿循环试验，岩样烘干和浸泡状态如图2和图3所示。

4 泥质白云岩的物理特性

4.1 干湿循环前的物理参数

在进行干湿循环循环试验前，要测定岩样的主要初始物理参数有天然密度、干密度、饱和密度、饱和含水率、孔隙率和纵波波速等。

4.1.1 岩样天然密度

岩样在自然条件下单位体积的质量称为天然密度，计算公式为：

式（1）中：ρ为岩样的天然密度，g/cm3，精确到0.01；m为岩样总质量，g，精确到0.01 g；A为岩样截面面积，cm2；H为岩样高度，cm，精确到0.01 mm。

用游标卡尺测量试样两端和中间三个断面上相互垂直的两个直径，按平均值计算截面面积；测量端面周边对称四点和中心点的五个高度，取高度平均值；用电子秤测量质量。

4.1.2 岩样干密度

采用量积法计算岩样的干密度，公式如下：

式（2）中：ρd为岩样的干密度，g/cm3，精确到0.01；ms为岩样烘干后质量，g，精确到0.01 g；A为岩样截面面积，cm2；H为岩样高度，cm，精确到0.01 mm。

将所有试样放置在105～110 ℃的干燥箱中烘烤24 h，然后放入干燥器内冷却至室温，测量试验前试样的烘干质量。

4.1.3 岩样饱和密度

岩样达到饱和时单位体积的质量，称为饱和密度，即：

式（3）中：ρsa为岩样的天然密度，g/cm3，精确到0.01；mo为岩样饱和质量，g，精确到0.01 g；A为岩样截面面积，cm2；H为岩样高度，cm，精确到0.01 mm。

将试样放入水槽中，注水至试样高度的1/4处，然后每隔2 h分别注水至试样高度的1/2和3/4处，6 h后全部浸没，试样在水中自由吸水48 h后达到饱和，取出试样并擦去其表面水分测量饱和质量。

4.1.4 岩样饱和含水率

饱和岩样孔隙中含水的质量与固体质量之比称为饱和含水率，即：

式（4）中：w为岩样的饱和含水率，精确到0.1；m为岩样烘干前质量，g，精确到0.01 g；ms为岩样烘干后质量，g，精确到0.01 g。

4.1.5 岩样孔隙率

岩样的孔隙体积与总体积的比值称为孔隙率，即：

式（5）中：n为岩样的孔隙率，精确到0.1；ρsa为岩样饱和密度，g/cm3；V为岩样总体积，cm3；ms为岩样烘干质量，g，精确到0.01 g；ρw为水密度，g/cm3。

4.1.6 岩样纵波波速

纵波的传播方向与质点的振动方向一致，在试样中传播时，波速计算公式为：

式（6）中：L为声波发射与接收器中心点间的距离/岩样长度，精确到0.01 mm；t为声波在岩样中传播时间，μs；V为超声波波速，m/s，精确到0.001.

岩石超声波波速检测技术是通过测定超声波穿透岩石后声波信号的波速变化，间接地反映岩石的物理力学特性及结构特征。声波在传播速度较慢的介质中通过或在传播中遇到层理、节理、裂隙及软弱夹层等结构面需要绕过时，声波将发生衰减，使声时延长，波速降低。

4.1.7 岩样物理参数计算结果

干湿循环试验前，泥质白云岩试样的物理参数（包括天然密度、干密度、饱和密度、饱和含水率、孔隙率、烘干波速及饱和波速）的计算结果如表2所示。

试验过程中，先对泥质白云岩试样进行了烘干，再对其进行泡水饱和。从表2的数据结果可以看出，岩样从烘干状态到饱和状态波速有明显减缓，平均降低波速13.62%，说明水对泥质白云岩性质影响较大。

4.2 干湿循环后物理特性

对泥质白云岩试样进行了干湿循环试验，分析试验后岩样的质量、体积及纵波波速等物理特性的变化规律。

4.2.1 质量变化

质量变化率反映了岩样的质量变化情况，计算公式为：

. （7）

式（7）中：M为岩样质量变化率，精确到0.01；ma为干湿循环后饱和岩样质量，g，精确到0.01 g；mb为干湿循环前饱和岩样质量，g，精确到0.01 g；ms为试验前烘干岩样质量，g，精确到0.01 g。

跟踪测量干湿循环试验最后一组（第7组）试样分别进行0～30次干湿循环试验后的质量，得出的岩样质量变化率如图4所示。

从干湿循环试验过程看，岩样质量变化率在0.10%～0.45%.从1～11周期，质量变化率为0.10%～0.40%；从11～21周期，质量变化率为0.40%～0.45%；从21～30周期，质量变化率为0.45%～0.41%.

4.2.2 体积变化

体积变化率反映出岩样的体积变化情况，计算公式为：

式（8）中：V为岩样体积变化率，精确到0.01；va为干湿循环后饱和岩样体积/cm3；vb为干湿循环前饱和岩样体积，cm3；vs为试验前烘干岩样体积，cm3。

跟踪测量干湿循环试验最后一组（第7组）试样分别进行0～30次干湿循环试验后的体积，得出岩样体积变化率（绝对值）如图5所示。

从干湿循环试验过程看，岩样体积变化率在0.01%～0.60%之间；干湿循环试验后，岩样体积变化不明显，个别岩样测量尺寸基本没有变化。

4.2.3 纵波波速变化

波速与岩石固体的压实程度和连续程度有关，波速的变化（降低）可以间接反映岩石材料的损伤程度，纵波波速变化率公式为：

式（9）中：Vp为岩样纵波波速变化率，精确到0.01；vpa为干湿循环前饱和岩样波速，m/s；vpb为干湿循环后饱和岩样波速，m/s；vps为试验前烘干岩样波速，m/s。

跟踪测量干湿循环试验最后一组（第7组）试样分别进行0～30次干湿循环试验后的纵波波速，得出岩样纵波波速及其变化率如图6和图7所示。

从图6中可以看出，干湿循环试验后，岩样纵波波速下降明显；从图7中可以看出，干湿循环到30周期时，岩样纵波波速变化率在14.39%～21.15%之间。从干湿循环试验过程来看，岩样纵波波速平均下降了18.01%.

5 结论

由干湿循环试验泥质白云岩试样的质量、体积和纵波波速等物理特性随循环次数的变化情况，将其规律总结如下：①干湿循环试验30周期后，岩样的平均质量有所增加，岩样的纵波波速下降较多，说明干湿循环作用对岩样质量及纵波波速影响较大；②从干湿循环试验可以看出，岩样体积变化不明显，说明干湿循环作用对岩样的体积影响不大；③随着循环周期的增加，干湿循环试验岩样质量变化率的变化趋势为先快速增加，后缓慢增加，最后缓慢降低；④随着循环周期的增加，纵波波速的变化趋势为干湿循环开始时降低较快，后降低缓慢，最终降低再次增快。

本文对干湿循环试验前泥质白云岩试样的天然密度、干密度、饱和密度、饱和含水率、孔隙率和纵波波速进行了测定，并得到了相应数据，进而对干湿循环试验前后岩样的质量、体积和纵波波速等物理特性的变化情况进行了详细描述，得出了干湿循环作用下岩样的物理特性变化规律，为固体力学、岩石力学的研究及工程设计、施工等方面提供理论依据。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕