干湿循环泥岩强度折减规律与损伤分析

何 叶

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

干湿循环泥岩强度折减规律与损伤分析

何 叶

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

以泥岩为例，设计了干湿循环试验，采用三轴试验与劈裂试验，测试了不同循环次数下岩样的抗压强度、剪切强度与抗拉强度指标．通过对天然状态及不同循环次数下实测强度指标的拟合分析，研究了干湿循环泥岩强度指标的折减规律；基于等效应变假定，结合三轴试验应力-应变关系曲线，对损伤特性进行了分析．研究结果表明：泥岩遇水强度变化明显，循环一次后单轴抗压强度折减率达到了36.6%，随着循环次数的增加，各项强度指标都呈较平稳的下降趋势，折减规律基本符合指数分布；干湿循环过程也是损伤累积的过程，损伤变量的变化规律反映了泥岩的损伤特性与围压大小和循环次数的相关性，干湿循环2次以后累积损伤超过了50%，循环3次试样呈局部松散状．

泥岩；干湿循环；强度折减；累积损伤

岩石强度是评价岩石工程稳定性的重要参数之一，对水域工程岩体，受水位变化影响，难免长期处于干湿循环的环境下，水岩循环作用对岩体强度的影响不可避免，水-岩相互作用研究也是岩土工程中的前沿课题之一．不少学者做了这方面研究：周翠英[1]等对华南地区的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩进行了泡水试验研究，并将岩石软化的试验参数应用到了广东省东深供水改造工程的边坡稳定性分析；黄宏伟[2]等通过扫描电镜与X射线衍射仪研究了泥岩遇水软化过程中微观结构随时间变化的动态特征；曾胜[3]等研究了干湿循环作用下红砂岩的强度衰减规律，并推广应用到了边坡稳定性分析方面；董波[4]等研究了泥岩路基填料的干湿循环效应，对强度衰减规律进行了分析．在外载或环境作用下，由细观结构缺陷(如微裂纹、微孔隙等)萌生、扩展等不可逆变化引起的材料或结构宏观力学性能的劣化称为损伤，因此可以通过研究强度指标的变化来来描述定义岩石的损伤程度．曹文贵[5]等人基于统计损伤理论与应变等效性原理，研究提出了岩石微元强度的表示方法，据此修正了损伤变量D的计算；傅晏[6]等对重庆地区的微风化砂岩进行了泡水试验，试验结果表明，干湿循环对砂岩造成了不可逆的渐进性损伤，并对单轴抗压强度及抗拉强度的损伤程度进行了定量分析；许宝田[7]等结合三轴试验，对不同围压下泥岩的损伤特性进行了研究；谢吉尊[8]等考虑了饱水对泥岩变形强度与破坏形式的影响，从能量变化方面研究了泥岩力学强度随滑带损伤变形的衰减效应．以往研究结果表明，水岩相互作用会劣化岩体强度，给工程带来不利影响，尤其对含有软弱夹层的岩质边坡，更应该考虑水位变化引起的干湿循环作用．基于此，以泥岩为例，设计了干湿循环试验，对长期处于干湿循环状态的临水面岩体的强度折减规律与损伤特性进行了研究．

2 试验设计

2.1 试验目的与选样

根据依托工程地质情况和地勘报告，依托工程的下卧基岩为三叠系中统百逢组第三段及第四段(T2b3、T2b4)砂岩、泥岩地层，由于上覆粘土层分布厚度较小，局部泥岩、砂岩出露，基岩风化差异大，泥岩、砂岩多互层和夹层，岩性变化大．同时，特有的水文地质环境决定了港域内工程环境的复杂性，为了研究水利工程运营期相关结构物长期稳定性，就必须研究受水位变化影响下岩石基础的力学性质，掌握相关指标的变化规律，基于此，选择泥岩来进行干湿循环试验研究．试样采用钻心取样后切割打磨而成，根据规范，将泥岩试样加工成了2种尺寸，见图1﹒其中25个50 mm×100 mm的圆柱体三轴试验试样(a)；15个尺寸为50 mm×30 mm的圆柱体劈裂试验试样(b)．编号以后将岩样按每8个1组(包括5个三轴试件和3个劈裂试件)，共分为5组．

图1 泥岩试样

2.2 干湿循环试验设计

结合依托工程水文气象资料，年水位变化情况如图2所示．以215 m水位为分界点，该区域的岩体年泡水时间与风干时间比约为8︰4，进行室内试验时，将水位变化周期等效为干湿循环周期进行设计．

图2 年水位变化规律曲线

按比例，将一次循环时间设为12 d，其中泡水时间为8 d，风干时间为4 d，设计了五个工况(天然状态取1组，定为工况1，其余4组分别循环泡水1～4次，即工况2至工况5)，每个工况取1组试样进行试验．

2.3 试验方案

岩石材料的力学性质主要体现在其强度指标和变形特性方面，这方面的研究工作也比较多，根据地勘资料可以查找岩石物理力学性质指标建议值．本文对不同循环次数下，岩石抗压、抗拉、剪切强度进行了测试与计算．采用岩石三轴试验方法测试相关力学指标时，每组测试5个试样，围压分别设置为 5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa 5个等级．通过三轴试验可直接获得由轴向应力和侧向应力(围压)绘制的最佳关系曲线，然后可根据系统输出的岩样破坏过程的应力-应变曲线推算各个阶段的黏聚力c和内摩擦角φ等参数，最后根据计算的c、φ值，推算不同工况下岩样的单轴抗压强度．由劈裂试验可以直接测试抗拉强度．通过对试验数据的整理、计算和对比分析，研究岩石力学参数随干湿循环周期的变化规律．试验过程中需要采集的主要力学参数及其对应的测试方法如表1所示﹒

表1 力学指标和测试方法

3 试验结果分析

3.1 抗压强度随循环次数的变化规律

对不同工况下实测三轴抗压强度进行换算以后，得到泥岩试样的单轴抗压强度见表2﹒

表2 单轴抗压强度记录

其中循环4次后泥岩试样已局部松散，不能继续试验．对实测值的拟合分析结果见图3．

图3 抗压强度曲线

对照图3的拟合结果，得到循环次数与单轴抗压强度的拟合关系式如下：

式中：cσ为单轴抗压强度；n为干湿循环次数．

从拟合关系式可以发现，泥岩的抗压强度随干湿循环次数的变化基本上符合指数变化规律．随着循环次数的增加，抗压强度逐渐降低，第1次泡水后强度折减幅度最大，达到36.6 %，后期折减幅度逐渐变小，循环4次后泥岩试样基本成松散状，干湿循环对泥岩强度影响非常明显．

3.2 抗拉强度随循环次数的变化规律

由劈裂试验测得不同工况下的抗拉强度值见表 3，对实测数据进行拟合分析后得到的抗拉强度随循环次数的变化规律曲线见图4．

对应的拟合关系式为

式中：tσ表示抗拉强度．

表3 抗拉强度记录表

图4 抗拉强度曲线

可见，自然状态下泥岩的抗拉强度较小，初次泡水后抗拉强度折减明显，随着循环次数的增加，折减率逐步减小，趋于平缓．整体变化情况也基本符合指数变化规律．

3.3 抗剪强度随循环次数的变化规律

岩石的抗剪强度主要通过黏聚力和内摩擦角来反映，结合三轴试验结果，计算出不同循环次数下泥岩的c、φ值见表4．

表4 抗剪强度参数c、φ值

对表 4的数据进行拟合分析后得到c、φ值随循环次数的变化规律曲线见图5，拟合关系式

式中：c为黏聚力，φ为内摩擦角．

图5 抗剪强度参数c、φ值变化曲线

由图5的关系曲线，可见泡水初期强度参数明显减小，随着循环次数的增加，强度曲线趋于平缓．内摩擦角泡水前后变化幅度小，3次循环后减小了9.7 °；黏聚力泡水前后变化明显，循环3次后累计折减率达到了 52.8%，幅度较大．拟合曲线基本符合指数变化规律．实际工程中，黏聚力大小直接影响岩体抗剪切破坏能力，干湿循环引起岩体抗剪强度快速、大幅度折减现象是工程岩体变形破坏的根本原因，是工程隐患所在．

3.4 损伤特性分析

基于应变等效性原理，假定岩石微元的强度服从 Weibull分布，可以求解其概率密度函数，用来表示损伤变量D，因此，要分析岩石的损伤特性，需要确定岩石微元强度．许宝田[7]等基于文献[5]的岩石微元强度表示方法，假设损伤变量与主应力差呈双曲线函数关系，建立模型方程式

式中，a、b为试验常数；为主应力差．

利用以上公式，对文献[7]的拟合公式进行修正，结合本文三轴试验结果，可以计算分析不同围压及干湿循环次数下泥岩试样的损伤指标D．计算结果如表5所示．

表5 泥岩损伤变量计算值

结果表明，随着干湿循环次数的增加，泥岩损伤积累速度快，呈线性增长趋势，循环3次后局部松散，基本失去承载能力．泥岩的损伤特性与围压大小相关，围压增大泥岩脆性减弱，非线性增强，同一工况下，围压增大，主应力差增大，损伤指标随围压增大而有所提高；同一围压对应不同干湿循环次数时，损伤指标呈增大趋势．可见水-岩循环作用一定程度改变了岩石内部结构的完整性，干湿循环2次以后累积损伤超过50%．

4 结语

(1)通过干湿循环和参数测试试验，对不同循环次数下泥岩的抗压强度、抗拉强度、c、φ值等力学指标进行了测试、计算，并对实测参数进行了拟合分析．研究结果表明：干湿循环对泥岩强度指标影响明显，循环一次后单轴抗压强度折减率达到了36.6 %，随着循环次数的增加，各项强度指标都呈较平稳的下降趋势，折减规律基本符合指数分布；

(2)干湿循环过程也是损伤累积的过程，损伤变量的变化规律反映了泥岩的损伤特性与围压大小和循环次数相关．围压增大泥岩脆性减弱，非线性增强，水-岩循环作用一定程度改变了岩石内部结构的完整性．

(3)对于水域岩体而言，水位变化会导致工程岩体长期处于干湿循环状态，这种现象将引起工程岩体的强度折减与损伤累积，危及上部结构物，带来工程隐患，应该予以高度重视．

[1]周翠英, 邓毅梅, 谭祥韶, 等. 饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(1): 33-38.

[2]黄宏伟, 车平. 泥岩遇水软化微观机理研究[J]. 同济大学学报:自然科学版, 2007, 35(7): 733-733.

[4]曾胜, 李振存, 陈涵杰, 等. 干湿循环下红砂岩强度衰减规律及工程应用[J]. 长沙理工大学学报: 自然科学版, 2011, 8(4):18-23.

[4]董波, 汪洪星, 左清军, 等. 泥岩路基填料强度的干湿循环效应[J]. 三峡大学学报: 自然科学版, 2016, 38(1): 37-40.

[5]曹文贵, 赵明华, 刘成学. 基于统计损伤理论的莫尔-库仑岩石强度判据修正方法之研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005,24(14): 2403-2408.

[6]傅晏, 刘新荣, 张永兴, 等. 水岩相互作用对砂岩单轴强度的影响研究[J]. 水文地质工程地质, 2009, 36(6): 54-58.

[7]许宝田, 钱七虎, 阎长虹, 等. 泥岩损伤特性试验研究[J]. 工程地质学报, 2010, 18(4): 534-537.

[8]谢吉尊, 冯文凯, 胡云鹏, 等. 天然和饱水状态下泥岩力学性质及损伤变形能量特征分析[J]. 水文地质工程地质, 2016,43(3): 66-72.

(责任编校：徐赞)

Strength Reduction and Damage Analysis of Mudstone in Dry and Wet Circulation

HE Ye
(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

Taking the mudstone as an example, the wet and dry cycle test was designed. The compressive strength, shear strength and tensile strength of the rock samples were tested by triaxial test and splitting test.the reduction law of the wet and dry mudstone strength index is studied, with the fitting analysis of the natural strength and the measured strength index under different cycles. Based on the equivalent strain assumption,the damage characteristics are analyzed combining with the stress - strain curve of the triaxial test. The results show that: The strength index of the mudstone changes obviously after encountering water, the uniaxial compressive strength reduction rate reached 36.6% with the first cycle. With the increase of the number of cycles, the intensity indexes showed a declining trend, and the reduction law basically accorded with the exponential distribution. Dry and wet cycle process is also the process of damage accumulation, the variation of the damage variable reflects the correlation between the damage characteristics of the mudstone and the size of the confining pressure and the number of cycles. After the second wet and dry cycle, the accumulated damage is more than 50%, and then the sample is loose.

mudstone; dry- wet cycle; strength reduction; cumulative damage

TU45

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0006

1672–7304(2017)03–0025–04

2017-04-27

湖南城市学院科技计划项目(2015xj03)

何叶(1984-)，女，湖南益阳人，讲师，主要从事水工结构与岩土基础研究﹒E-mail: heye.1984@163.com.