热湿作用下三峡库区典型砂岩劣化效应研究

王乐华，金 晶，赵二平，宛良朋，邓华锋

(1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002； 2.武汉大学 水利水电学院，武汉 430072；3.中国三峡建设管理有限公司 乌东德建设部，昆明 651500)

热湿作用下三峡库区典型砂岩劣化效应研究

王乐华1,2，金 晶1，赵二平1,2，宛良朋3，邓华锋1,2

(1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002； 2.武汉大学 水利水电学院，武汉 430072；3.中国三峡建设管理有限公司 乌东德建设部，昆明 651500)

针对取自三峡库区范家坪滑坡砂岩，采用室内模拟高温季节环境条件，研究砂岩在“烘干-吸水”循环作用下的热湿效应，包括砂岩的质量劣化和抗剪强度参数的变化。结果表明：①经历“烘干-吸水”热湿循环作用后，岩石质量劣化速率和吸水率是非线性波动变化的，其波动特征体现出了岩石内部裂隙的动态发育；②砂岩的抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ随着“烘干-吸水”热湿循环次数的增加而不断降低，在循环初期参数折减幅度较大，后期变缓并逐渐趋于稳定，这与岩石质量劣化规律具有相似性；③提出通过岩石直剪破坏裂纹延伸角度，定性判断岩石强度的方法。研究成果对昼夜温差大且气候潮湿的华中地区岩石劣化预测具有实际意义。

砂岩; 烘干-吸水； 直剪试验；裂隙发育；直剪破坏模式；热湿循环；岩石质量劣化

1 研究背景

水和温度是影响岩土体性质的重要因素，对岩土体的作用形式是多种多样的。除了降雨、库水位上升和消落、地下水位波动、高温作用影响外，自然界中还广泛存在着另一种温度和水交替循环作用的影响效应，比如高温季节被烘烤炙热的岩体突遇降雨、夏季高温时节昼夜交替的巨大温差等引起的岩土体热湿循环效应。事实上，这种热湿循环对岩石力学性质及岩体工程稳定性造成的衰减是一种累积发展的过程，比持续浸泡更剧烈[1-3]。

目前，关于干湿交替作用对岩体的劣化效应研究方面已有相当丰富的成果。

王永新等[4-16]基于不同干湿循环作用下砂岩力学试验结果，分析了干湿循环效应对砂岩物理力学特征影响规律。王永新[4]在水对岩石力学性质的劣化试验中得出“饱水-风干”循环过程对岩体强度参数有显著影响。李克钢等[5]通过单轴压缩试验结果发现砂岩的破坏特征在干湿循环试验次数的影响下，呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律。张鹏等[6]通过砂岩的单轴压缩试验指出干湿交替作用对岩石内部结构产生了损伤，在“饱水-风干”过程中，胶结物会不断经历膨胀和收缩作用，导致岩石孔隙率增大，进而使得每次干湿循环作用下水对砂岩的侵蚀程度增加，直至将岩石完全浸透，造成砂岩的强度降低，劣化度高。王莎莎等[7]在研究干湿循环区间间隔逐渐增大对砂岩的渐进性影响的工作中发现随着干湿循环次数增加，砂岩的质量损失率呈递增规律，体现了砂岩内的矿物组成成分和岩石结构性质在不断发生变化，干湿循环作用加速岩石内部裂隙的产生、扩展，影响岩石的力学强度指标。姚华彦等[8-10]通过实验发现经过不同次数的“干-湿”交替作用后，砂岩的弹性模量和破坏脆性均有不同程度的降低。“干燥-饱水”循环作用对砂岩的纵波波速、抗剪强度参数的劣化作用在循环初期的表现比较强烈，随着循环次数的递增，其作用有所减弱，且黏聚力的下降幅度较内摩擦角要大[11-16]。

上述研究工作主要考虑了岩石处于干燥和饱水2种极端状态下的劣化效应，忽略了温度和水的共同作用在循环过程对岩石性质的影响。本文在设计试验“烘干-吸水”流程中，对砂岩质量劣化、吸水率及抗剪强度参数劣化规律及直剪破坏模式进行详细研究，宏观反映边坡内部结构的调整方向。

2 试验方案

为避免岩石材料的不均质性和各向异性[17]带来试验结果的离散性，根据《水利水电工程岩石试验规程》[18]，砂岩试样按50 mm×50 mm圆柱体进行制备，制样直径偏差≤±0.3 mm，端面不平整度≤±0.05 mm。试样加工后，如图1所示。岩样制备完成后，通过质量、高度、直径和超声波纵波波速测试，进行试样筛选，剔除离散性大的试样。

图1 直剪砂岩试样Fig.1 Sandstone specimens for direct shear test

基于库区水文、气候条件，设计烘烤温度为50 ℃，烘烤4 h后岩样1/10高度进行为期1 h的吸水为一个热湿试验循环过程，设计6个期次，其循环次数分别为5，10，20，30，40，50次；进行直剪试验时，考虑到岩石取自于边坡工程露裸岩体，设计法向力分别为5，10，15，20，25 kN，施加速率为1 kN/s；每一法向力下，设计切向力以20 kN为梯度进行逐级加载，施加速率为0.2 kN/s，同时对同步进行热湿循环的岩样G1，G2，G3进行浸泡前后的质量称重和吸水率测量。

图2 岩样质量劣化随循环次数的变化趋势Fig.2 Deterioration trend of sandstone specimens’ quality along with the increase of cycle times

3 试验结果分析

3.1 岩石质量劣化规律分析

岩石质量的劣化与岩石矿物成分发生的物理、化学反应有关，物理作用主要表现在岩石崩解，造成裂隙发育；化学作用主要表现为岩石与水反应过程中，Ca2+，Na+，K+等离子的析出溶解。

对试验组3个试样进行岩样质量劣化Dm统计，如图2所示，岩石质量劣化百分比增量如图3所示。

图3 岩样质量劣化增量趋势Fig.3 Trend of the increment of deterioration after wateradsorption along with the increase of cycle times

岩石质量劣化公式为

(1)

式中：ΔmN为循环N次后岩样的质量；m0为岩样的初始质量。

从图3可以看出：在循环初期，岩石质量劣化速率较快，呈非线性劣化，随着循环次数的增加，逐渐转化成近似的线性变化。从每次循环作用岩石质量劣化百分比增量来看，岩石质量劣化百分比增量是随着循环次数(50次内)的增加而逐渐递减的，说明岩石热湿效应主要体现在前期，随着时间的推移，表面岩石将处于稳步劣化状态。

当岩样在烘箱中烘烤时，其内部水分气化，岩石内部孔隙和裂隙处于膨胀状态，水分汽化外渗的过程，孔隙和裂隙中脆弱的岩桥可能因受拉而发生破坏，随其不断发育，最终导致岩石破裂。当岩石吸水时，岩石表面与空气充分接触，水在岩石吸力作用下，不断攀升，由于岩石温度尚未退却，导致吸入水分温度升高，岩石表面的化学反应充分。由于温度较高，岩石表面与水接触后，再次经历的蒸腾作用，导致化学反应溶解出的离子较多，岩石质量下降快。

岩石质量劣化速率的波动性，说明岩石内部结构的改变是在利于储水和不利于储水2种状态交替发生，进一步体现出了岩石内部裂隙的动态发育。

通过拟合，可得到岩石质量劣化百分比3个试件平均值DmN与循环次数i的关系为

(2)

3.2 岩石裂隙发育宏观判断

水分子进入岩石的孔隙、裂隙中，发生物理、化学反应。吸水过程，是水由岩石毛细管吸力作用吸入，进入岩石内部，其吸水速率一定程度上反映了岩石孔隙和裂隙的发育情况。

由于本试验方案中，以时间控制岩石的“烘干-吸水”循环作用，所以得出的吸水率并非岩石的总孔隙率或者有效孔隙率，根据规范GB/T23561.4—2009[19]中对煤或岩石总孔隙率计算方法的规定，本文以相对强制孔隙率来描述，其表达式为

(3)

吸水率百分比统计如图4所示，吸水百分比随循环次数的增量趋势图如图5所示。

图4 岩石吸水百分比随循环次数变化Fig.4 Variation of water adsorption rate alongwith the increase of cycle times

图5 岩石吸水百分比增量随循环次数变化的趋势Fig.5 Trend of the increment of water adsorption ratealong with the increase of cycle times

从图5可以看出：岩石1 h吸水率总体趋势可分为2个阶段：减速增长阶段和稳定增长阶段。对比图3和图5可知，岩石在1 h内的吸水率变化规律与质量劣化规律具有一定的相似性。当吸水率大时，烘烤4 h后，质量的劣化相对吸水率小时要小，这说明4 h的烘烤，岩石并非处于干燥状态，孔隙和裂隙内含有一定水分，这与夏季高温季节下，岩石的实际赋存状态是相似的。

通过数据拟合，可以得出1 h内相对强制吸水率平均值DωN与循环作用次数N的函数关系，即

DωN=0.009 7lnN+0.329 9,R2=0.448 。

(4)

式(4)的拟合精度<0.5，说明每次循环对岩石吸水含量的影响变化大，进一步说明，在该模拟方案下，孔隙和裂隙发育情况发生显著的调整。

3.3 抗剪强度参数劣化规律研究

黏聚力主要取决于颗粒之间的胶结强度，遇水作用后，胶结作用迅速减弱。内摩擦角主要取决于颗粒排列、大小等，在循环作用的过程中，矿物颗粒的收缩膨胀等均对颗粒之间的摩擦特性产生影响[20]。

采用YZW100型微机控制电动应力式直剪仪，对岩石进行直剪试验，通过对试验数据进行拟合，根据上述分析结果统计出每期试样的c,φ值，并对结果进行分析，分析结果如表1和表2所示。

表1 不同干湿循环次数下黏聚力c的劣化分析结果

表2 不同干湿循环次数下内摩擦角φ的劣化分析结果

表1和表2中：期次为0即为空白试验组；总劣化度QN=(c0-cN)/c0×100%；期次内总劣化度ΔQN=QN-QN-1；期次内单次劣化度qN=ΔQN/(Ni-Ni-1)；N为循环次数;i为期数。

在循环作用前期，参数劣化受影响程度较显著；随着干湿循环次数的不断增加，参数劣化程度减小，参数降低趋于平缓。岩样黏聚力在20次循环时的总劣化度为11.67%，占50次循环总劣化度的71.25%；内摩擦角在20次循环时的总劣化度为7.15%，占50次循环总劣化度的80.16%。

循环作用对砂岩的抗剪强度参数有一定的劣化效应，但其劣化效应的大小是有区别的。对比表1和表2中黏聚力和内摩擦角的期次内单次劣化度，不难发现风化作用对砂岩黏聚力的劣化效应较内摩擦角的大。

(5)

(6)

3.4 岩石直剪破坏模式研究

为了研究试样在不同加载方式造成的岩石破坏模式，先设置不同的剪切缝宽度0，3，5mm，以法向力为20kN为例，试件在不同切向力下，其破坏模式如图6所示。

图6 圆柱体试件不同剪切预留缝下的直剪破坏裂纹展开图Fig.6 Direct shear cracks in the presence ofdifferent reserved cut slits

图7 圆柱体试件不同法向力下岩样破坏裂纹展开图Fig.7 Damage cracks of specimens underdifferent normal forces

预留剪切缝越大，在直剪过程中，产生的弯矩越大，故在剪切过程中，剪切面会呈现斜坎，并伴随着一些因应力集中造成的弯曲破坏缝，如图6中剪切缝下方的衍生缝。当剪切缝较小时，由于剪切面不是绝对平的，在中间凹凸不平的地方剪切错动的过程中，会产生一些斜向的剪切甚至张拉的裂缝形成，如图6(a)中剪切缝上方的衍生缝。

由上述分析可知：剪切缝设置的偏大或者偏小都会影响对岩石直剪破坏模式的分析，因此取剪切缝为3mm时岩石在不同法向力作用下的直剪破坏裂纹图进行分析，如图7所示。

从图7中可以看出：法向力越大时，剪切缝下方的弯曲破坏缝和剪切缝上方的拉剪破坏缝的角度就越大，这主要是方向力的增大致使岩样破坏的切向力增大。

从摩尔-库伦屈服准则的计算公式τ=σtanφ+c可知：

当tanφ>1时，σ的增大速度小于τ的增大速度；

当tanφ=1时，两者增长速度一致；

当tanφ<1时，σ的增大速度大于τ的增大速度。

故当破坏缝角度越大，说明两者的合力方向偏向法向方向发展，因此可判断tanφ<1。该理论判断与结果与试验结果一致，说明破坏模式亦能作为岩石强度的判断标准。

4 结 论

(1) 在“烘干-吸水”循环作用下，岩石质量劣化呈非线性，循环初期的劣化速率较快，后期的劣化速率逐渐变缓并转化成近似的线性变化，岩石质量劣化百分比增量是随着循环次数的增加而逐渐递减的；岩石质量劣化速率的波动表明岩石内部结构的改变势必是利于储水和不利于储水交替发生，进一步体现出了岩石内部裂隙的动态发育。

(2) 在“烘干-吸水”循环作用过程中，岩石内部的孔隙和裂隙发育情况发生显著的调整，烘干的岩石在1h内的吸水率变化印证了岩石内部结构的变化，且吸水率变化规律与质量劣化规律具有一定的相似性。

(3) 砂岩的抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角随着“烘干-吸水”循环次数的增加而不断降低，在循环初期参数折减幅度较大，后期变缓并逐渐趋于稳定，这与岩石质量劣化规律均有相似性，但岩石强度劣化不如质量劣化明显；循环作用对砂岩的抗剪强度参数黏聚力的劣化效应较内摩擦角强烈。

(4) 通过理论结果与试验结果的分析，由提出了岩石直剪破坏延伸角定性判断岩石强度的方法。

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(编辑：赵卫兵)

DegradationofTypicalSandstonefromtheThreeGorgesReservoirundertheActionofAlternateDryingandWettingCycles

WANG Le-hua1,2, JIN Jing1, ZHAO Er-ping1,2, WAN Liang-peng3, DENG Hua-feng1,2

(1.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.School of Water Resource and Hydropower, Wuhan University, Wuhan 430072, China；3.Wudongde Engineering Construction Department, China Three Gorges Construction Management Co., Ltd., Kunming 651500, China)

The degradation of sandstone, including mass degradation and variation of shear strength parameters, under the action of cyclic drying and water adsorption in high temperature season was simulated in laboratory. Sandstone samples were taken from Fanjiaping landslide in the Three Gorges Reservoir. Results indicate that 1) mass degradation rate and water adsorption rate fluctuated non-linearly under drying and wetting cycles, reflecting the dynamic development of fractures in the sandstone; 2) cohesioncand internal friction angleφof sandstone reduced by a large margin in the initial stage of drying-wetting cycles, and then reduced steadily in the later stage, which is similar with the mass degradation law; 3) a method of determining the strength of sandstone in quantitative sense according to the extension angle of direct shear failure cracks was proposed. The research results are of practical significance to predicting rock deterioration in central China with humid climate and large temperature difference between day and night.

sandstone; heating and water absorption; direct shear test; fracture development; direct shear failure mode; drying-wetting cycle; degradation of rock quality

2016-03-18；

2016-04-13

国家自然科学基金项目(51309141)；国家重点研发计划项目(2016YFC0402003)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201401029)；三峡大学土木与建筑学院2015年硕士创新基金资助项目(2015CX031)

王乐华(1977-)，男，安徽怀宁人，教授，博士，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作，(电话)13986811749(电子信箱)lehuatg@126.com。

邓华锋(1979-),男，湖北宜昌人，副教授,博士，主要从事岩土工程和水工结构方面的研究工作，(电话)13872585190(电子信箱)dhf8010@ctgu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160251

2017,34(6):76-80

TU45

A

1001-5485(2017)06-0076-05