不同载荷水平砂岩吸水特性实验研究

赵二平 贾小兵，2 龚章龙

(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. 三峡电力职业学院，湖北 宜昌 443000)

岩体与水的相互作用是导致众多边坡工程失稳的主要原因之一．水通过进入到岩石内部使得天然状态下坚硬的岩石逐步劣化，抗剪、抗变形能力大幅降低，最终导致工程滑坡、崩塌等地质灾害．因此对损伤岩体吸水特性的研究很有必要．

国内外学者对此作了多方面的研究．如吴勇等[1]通过对白云岩进行粉晶X-衍射成分分析、浸水试验及直剪试验，发现白云岩自然吸水率偏低，且与时间呈良好的对数关系，白云岩吸水率与明显湿度百分比关系密切，以明显湿度百分比表示岩石吸水率，两者有良好的二次函数关系；周莉等[2]、柳培玉等[3]、郭宏云等[4]利用深部软岩水理测试仪结合对砂岩进行吸水试验来研究砂岩吸水随时间变化的规律，研究表明吸水过程有明显的时间效应，吸水速率随时间改变；何满潮等[5]、王桂莲等[6]利用水理测试仪，并结合SEM和X-衍射对深井泥岩进行吸水试验研究，结果表明吸水特性在时间上分为减速和等速两个阶段，同时发现孔隙率大小、矿物含量与种类等是影响泥岩吸水的主要因素；郭志飚等[7]以鹤岗矿区南山煤矿深部软岩为研究对象，进行了岩石室内吸水试验和强度软化试验，得出结论：深部砂岩吸水量随时间变化分为3个阶段，强度软化随时间也分为3个阶段，砂岩强度衰减与吸水时间呈指数关系；贾志刚等[8]通过推导岩石毛细吸水模型，提出了一种新的吸水试验方法，并证明了新方法的试验数据更加稳定与可靠；刘新荣等[9]利用螺旋CT机和智能超声波测速仪对5种尺寸的砂岩进行干燥及不同饱和条件下的无损检测试验，得出砂岩的吸水效果与纵波波速的平方和CT数呈反比例关系；邓华锋等[10，11]通过对三峡库区典型砂岩的大量水岩作用试验，结果表明水岩作用对完整岩样的抗压、抗拉强度等各种力学指标有着显著的劣化效应；吕海刚[12]对岩石在不同湿度条件下对水的吸收程度，探讨了孔隙连通性特征和影响泥页岩吸水的主控因素；张娜等[13]利用自主设计的深部软岩吸附水测试装置对深部钙质页岩进行了研究，结果表明岩石吸水具有明显的时间效应，吸水量随时间的动态变化曲线可以用幂函数来拟合；并通过对岩石物理化学参数的分析初步揭示了钙质页岩吸水特性的影响因素．但是，这些关于岩石的吸水特性的研究主要侧重于自然状态下完整岩样吸水特性，而对于不同载荷水平下损伤岩体吸水特性的研究较少涉及．因此，本文以三峡库区典型砂岩为研究对象，对不同载荷水平下砂岩的吸水特性进行了详细的研究．

1 实验设计

1.1 试样选取

实验所用岩样取自三峡库区典型库岸边坡，岩石微风化，主要由石英、云母、长石等组成．试样高度100 mm，直径50 mm，如图1所示．试样制作完成后，首先测试岩样质量、直径、高度和波速(通过声时反应)等基本物理参数．然后，为减小离散性，选取各项参数相近的岩样进行实验[14]．

图1 典型砂岩试样

1.2 实验方案

利用RMT150岩石力学实验系统对选取的岩样进行不同围压(5、10、15、20 MPa)下的三轴加载实验．吸水实验时，先将岩样低温(45℃)烘干，将岩样放在水面高度为10 mm的水箱中进行自由吸水，并对各时间点(自由吸水10 min、60 min、吸水稳定)岩样水位上升高度进行观察记录，至水位高度基本不发生变化为止．表1中的最低、最高水位高度指的是一定区域内的水位高度．具体实验方案如下：①逐步施加围压至预定值，保持围压不变，施加轴压至岩样破坏．②逐步施加围压至预定值，保持围压不变，施加轴压至同围压下三轴抗压强度的30%、50%、70%；取出试样，进行吸水实验．

2 实验结果分析

2.1 实验结果

不同加载方式不同损伤程度岩样的吸水特性如表1及图2～5所示．

表1 不同载荷水平砂岩水位高度与时间关系(单位：mm)

图2 围压5 MPa加载损伤吸水曲线图

图3 围压10 MPa加载损伤吸水曲线图

图4 围压15 MPa加载损伤吸水曲线图

图5 围压20 MPa加载损伤吸水曲线图

2.2 实验结果分析

1)不同载荷水平砂岩吸水曲线特性分析

从表1以及图2～5中可以看出，同一围压，同一载荷水平岩样，随着时间的增加，吸水曲线的最低点高度逐渐增加，吸水曲线的最高点的高度亦是逐渐增加，并最终趋于一稳定值．但是，前期水位上升速度很快，而后慢慢降低并趋于稳定．这是由于水对岩样有附着力，岩样内部存在表面张力，同时又有许多孔隙及微裂隙，这些孔隙、微裂隙相互连接、贯通，形成了水力通道．根据力平衡原理，前期附着力和表面张力远大于水的重力，水沿着这些水力通道快速侵入到岩石内部，表现为水位高度迅速上升，随着它们之间的力逐渐趋于平衡，水位高度上升慢慢变缓，最后在力平衡时水位高度也稳定下来．损伤岩样自由吸水过程中水位上升高度随着吸水时间的增加而不断变化，但吸水稳定所用时间与围压没有明显关系．

从图2～5可以看出，与载荷水平30%和70%的岩样吸水曲线相比，载荷水平为50%时吸水曲线的最低点(最高点)对应的数值最低，岩样吸水区域最小．此时由于竖向荷载的施加，导致岩样内部结构发生了变化，岩样被压密，水力通道变窄．载荷水平为70%时，岩样出现裂缝，吸水曲线起伏度较大．由于裂缝的出现使得岩样内部产生了更多的水力通道，同时存在延伸到岩样顶部的裂缝，水沿着这些水力通道侵入岩石内部，水位高度在很短时间内迅速上升并在稳定后达到很高的地方．岩样吸水过程中水位高度有局部较高区域，吸水稳定后水位高度线分布散乱．通过观察岩样破坏形态与吸水曲线发现，载荷水平为70%时，岩样存在几条主要裂缝和较多小裂缝，局部较高区域恰好在主裂缝附近，而较多的小裂缝处的水位高度线分布散乱．

2)不同载荷水平砂岩吸水率变化规律

岩石的吸水率是指岩石在标准大气压吸水能力的大小，它一定程度上反映了岩石的内部结构(如孔隙大小、裂隙长度等)．本文特指损伤砂岩在水面高度为10 mm下的吸水率，计算公式如下：

(1)

式中，w为吸水率，ms为吸水稳定后损伤砂岩试样的质量，md为干燥状态下损伤砂岩试样的质量．

对损伤砂岩进行吸水实验后，由式(1)得出其吸水率变化表见表2，吸水率变化曲线图如图6～7所示．

表2 不同载荷水平损伤砂岩吸水率

图6 砂岩吸水率与载荷水平关系

图7 砂岩吸水率与围压关系

从载荷水平与吸水率的关系可以看出，施加轴压后，岩样逐渐被压密，吸水率变小．之后，岩样内部裂纹扩展，吸水率又逐渐升高，说明裂纹出现会极大提高砂岩试样的吸水率．同一载荷水平下，从围压与吸水率的关系可以看出，随着围压的逐渐增大，吸水率逐渐减小．同时可以看出，裂纹扩展后，围压对吸水率的影响不再显著．吸水率w，载荷水平x，围压σ3之间的拟合关系如下式(2)所示，相对误差0.016 9．

w=3.803 1x2-3.22x-0.003 1σ3+1.005 5

(2)

3 结 论

通过对不同载荷水平损伤砂岩吸水特性实验研究，得出以下主要结论：

1)随着时间的增加，吸水曲线的最低点高度逐渐增加，吸水曲线的最高点的高度亦是逐渐增加，并最终趋于一稳定值．但是，前期水位上升速度很快，而后慢慢降低并趋于稳定．

2)随着砂岩载荷水平的逐渐增加，砂岩吸水率先减小后增加．当载荷水平较高导致岩样出现裂缝后，砂岩吸水曲线存在局部水位高度明显较高区域，与出现裂缝的同一批岩样对比发现，在该区域段产生的裂缝数量及裂缝的长度均大于其他区域．

3)岩样出现裂缝后，水沿着裂缝迅速上升，并且裂缝附近区域水位高度也以较快的速度上升．砂岩吸水曲线局部较高区域恰好在主裂缝附近，而较多的小裂缝处的水位高度线分布散乱．

4)同一围压，不同载荷水平砂岩吸水率随着围压的升高逐渐减小．同一围压，吸水率的变化随载荷水平的增加先减小后增加，其临界点为岩样内部裂纹扩展处的载荷水平．

参考文献：

[1] 吴 勇，王景环，梁 威，等．白云岩自然吸水特性实验研究[J]．工程勘察，2014(6)：1-4．

[2] 周 莉，何满潮，李京阳，等．砂岩吸水特性实验[J]．解放军理工大学学报(自然科学版)，2009(6)：580-585．

[3] 柳培玉，张 娜，何满潮，等．平庄煤矿砂质泥岩吸水特性实验研究[J]．金属矿山，2011，28(6)：43-46．

[4] 郭宏云，李 兵，孙崇华，等．深部矿井钙质页砂吸水特性实验[J]．煤炭科学技术，2013，41(11)：103-107．

[5] 何满潮，周 莉，李德建，等．深井泥岩吸水特性实验[J]．岩石力学与工程学报，2008，27(6)：1113-1120．

[6] 王桂莲，李德建，何满潮．岩石吸水特性及其孔隙结构变化研究[J]．中国软岩工程与深部灾害控制研究新进展，2009．

[7] 郭志飚，王 炯，邓小卫，等．深部软岩巷道围压吸水后抗压强度变化规律研究[J]．煤炭科学技术，2015(3)：40-42．

[8] 贾志刚，齐 平，李 科，等．岩石毛细吸水实验新方法[J]．长江科学院院报，2015，32(5)：95-99．

[9] 刘新荣，王子娟，傅 宴，等．不同含水率砂岩无损检测参数参数的尺度效应研究[J]．岩土力学，2016，37(增1)：192-200．

[10] 邓华锋，李建林，朱 敏，等．饱水-风干循环作用下砂岩强度劣化规律实验研究[J]．岩土力学，2012，33(11)：3306-3312．

[11] 邓华锋，原先凡，李建林，等．饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的实验研究[J]．岩石力学与工程学报，2013，32(8)：1625-1631．

[12] 吕海刚．四川盆地志留系龙马溪组页岩吸水模拟实验及对孔隙连通性的指示意义[D]．兰州：兰州大学，2015．

[13] 张 娜，柳龙标，侯东文，等．深部煤矿钙质页岩吸水特征实验研究[J]．矿业研究与发展，2014，34(5)：10-15．

[14] 邓华锋，李建林，邓进成，等．岩石力学实验中试样选择和抗压强度预测方法研究[J]．岩土力学，2011，32(11)：3399-3403．