富水隧道砂岩单轴压缩力学特性试验研究

宁汉章

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

在隧道修建过程中，水是不可避免的客观环境因素[1]。对于富水隧道开挖后围岩的力学特性研究一直是国内外研究的热点课题[2]。通过对于岩石在水环境下力学特性的试验研究，结果表明，抗压强度、弹性模量均随含水率增加逐渐减小，试样含水率越高，其表面红外辐射温度随时间的波动越小[3-4]。

1 试验部分

试样制备：本文岩样为采自隧道施工现场的致密砂岩，无裂隙、节理等天然缺陷，整体呈灰白色。试样在现场粗加工后运至室内实验室进行细加工，经切割、钻孔取芯、打磨，最终加工出直径50 mm、高100 mm的满足国际岩石力学试验标准的圆柱试件。通过X射线衍射仪对试样检测可知，本文所选砂岩的主要矿物成分包括：石英、斜长石、钾长石、方解石和蒙脱石，同时还含有微量白云石、绿泥石、赤铁矿等物质，岩样粒径为0.01～0.43 mm，干容重为28.74 kN/m3。

试验设备：本文为研究富水隧道砂岩的力学特性，对不同含水率砂岩进行单轴压缩试验，试验均在MTS815.02岩石力学试验系统上完成。该试验机是由美国生产的专门针对岩石类材料力学特性测试的多功能全自动伺服试验机，具有独立的围压、轴压和孔隙水压加载系统，可对试样的轴向变形和径向变形进行同步测量。

试验方法与试验方案：首先将制备好的试件全部放入烘干箱内烘干，设置烘干箱温度为104 ℃，时间为24 h。烘干完成后取出试件放于干燥皿中冷却至室温，称重；对其中一部分试件进行浸水处理，根据浸水试验方案(表1)，在不同时刻取出对应编号试件，擦干表面后称重，计算对应时刻试样含水率；为避免试样因水分蒸发而造成的试验误差，称重后的试样立即进行单轴压缩试验，采用位移控制模式施加轴向荷载至试样失稳破坏，设置加载速率为0.2 mm/min。

为研究含水率对砂岩力学性质的影响，首先对砂岩试样进行吸水试验。不同时刻试样含水率计算公式如下：

(1)

式(1)中：wt为t时刻试样含水率；mt为t时刻试样质量，kg；m0为干燥试样质量，kg。

根据式(1)及浸水试验方案，计算得到不同时刻试样含水率见表1，图1为不同时刻试样含水率随时间分布曲线。可以看出，试样含水率在初期变化明显(0～18 h)，试样吸水速率较快；随着时间逐渐发展(18～36 h)，试样吸水速率逐渐变慢，含水率变化逐渐趋缓；当浸水时间大于36 h后，含水率逐渐趋于稳定，试样近似认为达到饱和状态。对含水率随时间变化曲线进行拟合可知，二者满足指数函数分布规律，拟合函数见图1，拟合相关系数为0.9878。

表1 浸水试样含水率

图1 含水率随时间分布曲线

2 试验结果分析

2.1 应力—应变曲线分析

图2为不同含水率砂岩单轴压缩应力—应变曲线。由图2可以看出，不同含水率砂岩应力-应变曲线变化趋势大体相同，均可分为五个阶段：(1)裂隙压密阶段，该阶段曲线呈上凹状，岩石内部初始裂纹不断被压密，随着含水率的逐渐增大，该阶段逐渐弱化；(2)线弹性变形阶段，该阶段曲线呈斜直线状，岩石内部初始缺陷被进一步压密，但该阶段不会产生新裂纹，卸载后变形能够完全恢复，且直线段斜率随含水率逐渐减小；(3)裂隙稳定发育阶段，该阶段曲线开始逐渐偏离直线，岩石内部开始产生新的细微裂纹，且随着应力不断增加，裂纹密度逐渐增大，岩石开始出现塑性变形，但岩石整体结构还能保持稳定；(4)裂隙不稳定发育阶段，该阶段曲线在上一阶段变化的基础上继续偏离直线，呈上凸状，岩石内部裂纹快速扩展、贯通，岩石局部出现破坏，产生不可逆变形，随着应力继续增大，试样达到其峰值强度；(5)峰后阶段，该阶段曲线迅速下降，岩石承载能力迅速减小，应变迅速增大，试样表面产生宏观断裂面，岩石破坏，该过程中可听见岩石破裂时发出的清脆响声。

图2 不同含水率砂岩应力—应变曲线

根据不同含水率单轴压缩试验得到砂岩试样的峰值强度、弹性模量，如表2所示。

表2 单轴压缩试验结果

2.2 峰值强度与弹性模量分析

本文引入强度折减系数λσ和弹性模量折减系数λE来对单轴抗压强度、弹性模量随含水率的弱化程度进行定量分析，表达式如下：

(2)

式(2)中：λσ、λE分别为强度折减系数和弹性模量折减系数；σ0为干燥状态砂岩试样的峰值强度，MPa；σw为对应含水率状态砂岩试样的峰值强度，MPa；E0为干燥状态砂岩试样的弹性模量，GPa；Ew为对应含水率状态砂岩试样的弹性模量，GPa。

图3(a)为峰值强度随含水率分布规律，可以看出，峰值强度随含水率增大逐渐减小。其中，干燥状态下砂岩峰值强度为114.82 MPa，随着含水率的逐渐增大(0.36%～2.39%)，峰值强度减小了5.10～11.35 MPa，减幅为4.65%～10.97%。当含水率小于0.82%时，峰值强度降幅较大，当含水率大于0.82%时，峰值强度降幅逐渐减小，当含水率接近饱和时，峰值强度趋于稳定。根据强度折减系数随含水率分布曲线可知，随着含水率的逐渐增大，岩石强度折减系数逐渐趋于稳定，即岩石强度变化率逐渐减小，岩石强度逐渐趋于恒定值，且强度折减系数与含水率之间满足指数函数分布规律，拟合公式见图3(a)，拟合相关系数为0.9824，表明二者具有较强的相关性，且根据拟合公式可对任意含水率下岩石峰值强度进行预判。

图3 峰值强度、弹性模量随含水率分布规律

图3(b)为弹性模量随含水率分布规律。可以看出，弹性模量随含水率增加逐渐减小。其中，干燥状态下砂岩弹性模量为16.61 GPa，随着含水率的逐渐增大(0.36%～2.39%)，弹性模量减小了0.52～1.39 GPa，减幅为3.23%～9.13%。当含水率小于0.82%时，弹性模量降幅较大，当含水率大于0.82%时，弹性模量降幅逐渐减小，当含水率接近饱和时，弹性模量趋于稳定。根据弹性模量折减系数随含水率分布曲线可知，随着含水率的逐渐增大，弹性模量折减系数逐渐趋于稳定，即弹性模量变化率逐渐减小，弹性模量逐渐趋于恒定值，且弹性模量折减系数与含水率之间满足指数函数分布规律，拟合公式见图3(b)，拟合相关系数为0.9873，表明二者具有较强的相关性，且根据拟合公式可对任意含水率下岩石弹性模量进行预判。

2.3 特征应力随含水率变化分析

为进一步研究富水环境砂岩的力学特性，本文基于应力—应变曲线来确定各特征应力具体值，并对各特征应力值随含水率分布规律进行分析。典型应力—应变曲线及各特征应力值确定方法如图4(a)所示。

图4 应力—应变曲线特征应力示意图及各特征应力

(a) 应力—应变曲线及各特征应力值示意图; (b) 裂隙闭合应力及应力比; (c) 裂隙起裂应力及应力比; (d) 裂隙扩容应力及应力比

图4(a)中σcc为裂隙闭合应力，对应线弹性变形的起始值；σci为裂隙起裂应力，对应线弹性阶段的结束值；σcd为裂纹扩容应力(或损伤应力)，对应裂隙稳定扩展与不稳定扩展分界点，可通过体积应变拐点对应的应力—轴向应变曲线来确定；σpk为峰值应力(或破坏应力)，对应应力—轴向应变曲线峰值点。在岩石受压破坏过程中，裂隙起裂应力至关重要，本文基于LSR法来确定裂隙起裂应力。首先，过应力—轴向应变曲线上扩容应力点A做水平线交应力—径向应变曲线与B点，连接B点与坐标原点O得到割线BO，将对应横坐标的应力—径向应变曲线与割线BO相减，得到的差值即为LSR值，再做LSR值随应力分布曲线，该曲线峰值点即对应裂隙起裂应力σci。

根据上述方法计算各特征应力如图4(b～d)所示，可以看出，各特征应力随含水率增加均逐渐减小，当含水率达到2.39%时，砂岩试样近似达到饱和状态，其裂隙闭合应力、裂隙起裂应力及裂隙扩容应力分别为33.81、55.58和79.29 MPa，与干燥状态相比分别减小了9.41%、9.34%和8.98%，各特征应力与含水率之间均满足负指数函数分布规律：

σ=y0+Aexp(-Bw)

(3)

式(3)中：w为岩石试样含水率；y0、A、B为拟合参数，可通过试验确定。各特征应力拟合结果如图4(b～d)所示，拟合相关系数均大于0.98，拟合效果良好。参数B表示各特征应力随含水率的衰减速率，由特征应力拟合参数可知，裂隙扩容应力、裂隙起裂应力、裂隙闭合应力B值分别为0.98、2.22、2.30，表明砂岩裂隙闭合阶段对水的作用更为敏感。根据图4(b～d)可知，各特征应力比随含水率增加整体呈递增趋势，当含水率接近饱和时，应力比逐渐趋于稳定。

实际上，水对岩石的力学性能的影响还可以理解为岩石浸水时间对其力学性能的影响。根据前文含水率随时间的分布规律可知，含水率与岩石浸水时间一一对应，如：浸水时间为2 h时，砂岩试样含水率为0.36%，对应的裂隙扩容应力为83.86 MPa、裂隙起裂应力为87.82 MPa、裂隙闭合应力为35.25 MPa，与浸水时间为0 h相比，各特征应力减幅分别为3.45%、5.09%和4.51%。通过计算不同时刻各特征应力与干燥状态比值可知，在砂岩试样浸水时间为18 h时，各特征应力减幅分别为8.07%、8.79%和8.62%；当浸水时间为120 h时，即试样达到饱和状

态，各特征应力减幅分别为9.41%、9.34%和8.98%，18 h内的特征应力减幅占总减幅的85.23%、94.20%和95.95%。可见在岩石最初浸水时间18 h内，其劣化程度显著，其原因是由于，干燥砂岩试样内部孔隙相对较大，水分能够快速从试样表面运移至试样内部，致使含水率迅速增大，岩石试样的力学性能显著下降。

3 结语

本文针对富水区隧道围岩的变形破坏问题，通过对不同含水率砂岩试样进行单轴压缩试验来分析水环境下砂岩的力学特性分布规律，具体结论如下：

(1)砂岩含水率随时间呈指数函数递增分布，浸水时间在0～18 h内，试样的含水率迅速增大，变化速率较快；浸水时间在18～36 h内，试样含水率缓慢提升，变化速率趋缓；当浸水时间大于36 h时，试验试样含水率逐渐趋于稳定。

(2)砂岩试样峰值强度、弹性模量均随含水率增加逐渐减小，含水率由0%上升至2.39%，峰值强度、弹性模量分别减小了10.97%和9.13%，二者折减系数均随含水率逐渐增大，并逐渐趋于稳定，折减系数与含水率之间满足指数函数分布。

(3)砂岩试样的裂隙闭合应力、裂隙起裂应力和裂隙扩容应力均随含水率逐渐减小，并趋于稳定；砂岩试样在裂隙闭合阶段对水更为敏感；在岩石浸水初期(0～18 h)，砂岩试样的裂隙扩容应力、裂隙起裂应力和裂隙闭合应力的降幅占总降幅的85.23%、94.20%和95.95%，试样受水劣化程度显著。