不同含水作用下砂岩抗拉强度与能量特征研究

廖安杰，赖 林

(1.成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000；2.国网四川省电力公司自贡供电公司，四川 自贡 643000)

工程岩体赋存于一定的地质环境中，往往都有水的存在[1]，而水是影响岩石物理力学性质的重要因素，大多数工程中岩体的变形破坏都与水有关。因此，不少学者对此进行了大量研究，取得了丰硕的成果[2-6]，邓华锋等[7]对5种含水状态的层状砂岩进行顺层理弱面的劈裂抗拉强度试验，分析了岩样劈裂破坏面的微观形貌特征；尤明庆等[8]对砂岩在干燥、饱和状态进行劈裂抗拉试验，分析水对砂岩抗拉强度的影响；朱朝辉等[9]对砂岩不同含水状态下进行巴西劈裂试验，分析砂岩抗拉强度的劣化规律；闻名等[10]对不同含水率砂岩试样进行了劈裂抗拉试验，分析得到红砂岩的抗拉强度随含水率的增加而降低，有明显的遇水软化现象；李天斌等[11]对5种含水率状态下的砂岩开展常规三轴压缩试验，分析了砂岩能量机制随含水率的变化关系；蒲超等[12]对千枚岩进行不同围压下的三轴压缩试验，研究围压对千枚岩变形破坏特征和能量演化特征的影响。

这些研究成果为分析含水率对岩石抗拉强度的影响奠定了很好的基础，但这些研究主要是分析含水率与抗拉强度的关系，而很少关注含水率变化对岩石能量特征的影响，加之本研究选取的砂岩在工程现场受水影响较为严重，隧道内地下水出露明显，且流量较大。由于地下水的大量发育致使隧道的施工进展缓慢，工期延长，同时严重威胁隧道的施工安全。因此选取成兰铁路柿子园4号横洞典型砂岩为研究对象，考虑不同含水作用，对砂岩进行了劈裂抗拉强度试验，分析了砂岩抗拉强度随含水率的变化规律，并引入能量的观念，进一步分析不同含水状态对砂岩能量特征的影响效应，为工程提供理论基础，同时也为类似工程提供一定的借鉴意义。

1 试验方案

1.1 岩样制备

试验岩样选取成兰铁路柿子园4号横洞典型砂岩，试件采用圆柱体，直径约为50 mm，高度约为50 mm，试件两端面经处理、加工，其精度满足规范要求[13]。

岩样的含水状态分为3种：干燥、天然和饱水状态。其中干燥试样，将试件置于烘箱内，在105～110℃温度下烘24 h，取出放入干燥器内；饱水试样，将试样放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔2 h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6 h后全部淹没试件，试件在水中自由吸水48 h[14]。

1.2 试验方法

试验所用仪器是岩石试验压力机，具有性能稳定、控制精度高、测试数据准确等特点。在试验过程中，采用荷载控制加载方式，加载速率取 0.10 kN/s，直至试件完全破坏。不同含水作用下，砂岩的抗拉强度由下式计算[14]：

(1)

式中σt——岩石抗拉强度,MPa；P——试件破坏荷载,N；D——试件直径,mm；h——试件高度,mm。

2 试验结果分析

2.1 强度特征

根据试验数据，计算得到不同含水状态下砂岩的抗拉强度值见表1，其不同含水状态与抗拉强度的关系曲线见图1。

表1 砂岩抗拉强度统计

图1 含水状态与砂岩抗拉强度关系曲线

从表1和图1可以看出，砂岩天然状态的抗拉强度均值为0.68 MPa，含水率增加到饱和状态其抗拉强度均值为0.49 MPa，降低幅度为27.9%；含水率减小到干燥状态其抗拉强度均值为1.37 MPa，增加幅度为101.5%；表明该砂岩抗拉强度随着含水率的增大而逐渐减小。

砂岩常具有易软化、易风化等工程特性，该砂岩的主要矿物成分有石英、长石、方解石、云母以及大量伊利石等，其中伊利石属于黏土矿物，黏土矿物易溶于水，且与水接触反应生成其他物质，随着含水的增多，从而会削弱了岩石颗粒间的黏结力，从而降低岩石抗拉强度，表明水对岩石有明显的软化现象，使岩石变软。

2.2 破裂特征

图2给出了砂岩试样的宏观破坏形态。由图可知，不同含水状态下，砂岩试样均发生了明显的张拉破坏，在加载一侧最先出现裂纹，主裂纹主要通过上下两加载点与圆心连线。试样在干燥状态和天然状态下，裂纹贯通时伴随的声响较大，破裂面较为光滑平顺，而饱和状态下试样破裂时发出的声音相对较哑，破裂面粗糙，裂纹较为曲折。

a)饱和状态 b)天然状态 c)干燥状态

3 能量特征分析

不同含水状态对砂岩的抗拉强度的影响较大，因此引入能量的观念，从能量的角度进一步分析不同含水状态对砂岩的影响。

3.1 能量分析原理

考虑岩体单元在外力作用下产生变形，假设岩石在抗拉试验过程中与外界没有热交换，在荷载作用下，对岩石所做的功可认为被岩石吸收，则岩石吸收的总能量U可以根据热力学第一定律计算[2]，计算公式如下：

U=Ue+Ud

(2)

式中Ue——可释放弹性应变能；Ud——耗散能。

图3为岩体单元总能量、弹性应变能和耗散能的关系，总能量为应力-应变曲线下的总面积；面积Ud表示消耗能，面积Ue表示弹性应变能。

图3 岩体单元能量量值关系

由于本次试验为单轴抗拉试验，岩体单元各部分的总能量和弹性应变能可表示为[15]：

(3)

(4)

式中σ1i、ε1i——应力-应变曲线每一点的应力、应变值。

3.2 砂岩抗拉试验全过程能量分析

从能量角度来看，岩石的受力变形破坏是一个能量输入、弹性能积聚、能量耗散和能量释放的过程，岩石在能量驱动下引发损伤直至宏观失稳破坏[11]。图4为不同含水状态下砂岩抗拉试验应力-应变-能量变化曲线。从图4可知：在弹性变形阶段，岩石在外力作用下吸收的能量，主要以弹性应变能的形式储存在岩石内部，而耗散能相对较小；进入裂纹扩展阶段，弹性应变能进一步增加，但增速变缓，由于此时岩石内部发生塑性变形和微裂纹扩展，造成岩石内部损伤，耗散能开始增加；到岩石取得峰值点，弹性应变能达到最大值，然后急剧下降，而耗散能快速增加，岩样内部微裂纹扩展加剧，直到岩石破坏。弹性应变能曲线和耗散能曲线的交点称为能量分界点，在该点之前主要表现为能量积聚，之后主要表现为能量耗散。

a)3-1试样

3.3 含水状态对能量特征影响

对砂岩应力-应变-能量变化关系曲线进行统计分析，得到岩样能量参数与含水状态的关系曲线见图5，弹性应变能和耗散能占总能量比例见图6。

图5 能量参数和含水状态相关关系

图6 不同含水状态下的能量分配

从图5、6可以得出如下结果。①砂岩在干燥、天然和饱和状态的总能量U分别为8.023、6.089、3.646 J，表明岩样吸收的总能量随着岩样含水的增大而逐渐减小，与岩样的抗拉强度随含水情况变化规律一致。②砂岩从干燥、天然到饱和状态，岩样的弹性应变能从6.989 J 降低到 2.474 J，与总能量的变化规律基本一致；而耗散能随着含水的增大呈现增大趋势，从1.034 J增大到1.172 J。③随着含水的增多，砂岩的弹性应变能占总能量的比例0.87降低到0.67，而耗散能占总能量的比例从0.13 增加到0.33，表明含水增大的过程中，岩石裂隙中的水分逐渐增多，在荷载作用下，孔隙水压力会造成应力集中，促使岩石微观裂缝的扩展，耗散的能量增多，导致耗散能所占总能量的比值会增大。

4 结论

本文对不同含水状态的砂岩开展了抗拉强度试验，分析不同含水作用对砂岩抗拉强度和能量特征的影响，得到以下结论。

a)随着含水率的增加，砂岩抗拉强度逐渐减小，表明水对岩石有明显的软化作用，使岩石变软，导致砂岩的力学性质劣化，从而降低岩石的抗拉强度。

b)随着含水率的增加，砂岩吸收的总能量和弹性应变能减小，而耗散能呈现增大趋势；砂岩在能量分界点之前主要表现为能量积聚，之后主要表现为能量耗散。

c)随着含水率的增加，砂岩弹性应变能占总能量的比值降低，岩石裂隙中的水分增多，在荷载作用下，孔隙水压力会造成应力集中，促使岩石微裂缝的扩展，耗散的能量增多，导致耗散能所占总能量的比值增大。