三轴压缩与干湿循环作用下灰岩的力学试验研究

樊德东 ,仇意 ,常乐

(1.中交一公局第三工程有限公司,北京,101102;2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭,411201)

岩石是一种非均质且不完全连续的材料,因外在因素影响,其结构不断发生变化,引起损伤甚至失稳破坏,其中最关键因素之一便是水[1-2]。从地球表层到深部,水对岩石的作用无处不在,特别是干湿循环作用,它对岩体产生的损伤劣化较为明显[3-5]。而实际上,随着雨季与旱季交替等地质原因,岩石经常是经历多次干湿循环,这使得其损伤劣化程度不断加大直至发生破坏;这对公路、铁路等地下工程的安全稳定性影响重大。由此,开展干湿循环作用下岩石力学试验研究具有十分重要的工程意义。

宋朝阳等[6]通过单轴压缩试验和AE 监测技术,分析了不同干湿循环作用次数后的岩样的变形和声发射特征。韩铁林等[7]研究了裂隙岩体在化学溶液和干湿循环共同作用后的力学特性和破坏特征。通过岩石劈裂强度试验和剪切强度试验,曾胜等[8]探讨了干湿循环下红砂岩强度衰减规律。张鹏等[9]分析了干湿循环作用对砂岩的变形破坏和力学性能的影响规律。杜彬等[10]研究了干湿循环作用对岩石的动态拉伸力学性能的影响。基于单轴压缩试验,李克钢等[11]研究了干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型;宋勇军等[12]揭示了砂岩在干湿循环作用下的损伤演化规律。刘新荣等[13]和王子娟等[14]对酸性环境干湿循环下的岩石进行了力学参数的劣化研究。在蠕变力学试验方面,马芹永等[15]研究了干湿循环下粉砂岩的蠕变特性,包括轴向蠕应变、稳态蠕变率和蠕变破坏特征。

目前看来,上述研究主要针对砂岩试样,对其他岩性岩石的干湿循环条件作用下的力学研究较少,基于此,刘鹏程等[16]、朱自强等[17]、谈云志等[18]和李亚等[19]分别对泥质白云岩、泥质板岩、泥岩和石膏岩在干湿循环作用下进行了力学试验研究,探索了岩石的强度、变形等力学特性。然而,在硬岩的干湿循环作用下的研究还远远不够[20-23]。

南京地铁6 号线万寿村站至燕尧路站区间深部主要为灰岩,盾构隧洞贯通后,深部岩体对隧洞维护起至关重要的作用,据此,本文通过该地铁深部灰岩在干湿循环后的常规三轴试验,研究了灰岩在不同干湿循环次数与不同围压条件下的强度与变形特征,为该地铁深部稳定性提供理论指导。

1 干湿循环试验设计

1.1 试样准备

本文所用灰岩岩样取自南京地铁6 号线万寿村站至燕尧路站区间深部,主要成分为方解石和石英,灰黑色,平均纵波波速为6.21 km/s,平均干密度为2.74 g/cm3。取样后到加工厂进行加工制作,根据规范[24],试验所用试件为直径×高度=50 mm×100 mm的圆柱形试件,保证端面平整与光滑,减小试验误差与端部效应。本文所用试件共计12 个,分为4 组,对应于4 种干湿循环次数;每组3 个试件,对应于3 种不同围压水平。

1.2 试验设备

试验设备使用的是由美国MTS 公司生产的三轴伺服刚性试验机MTS815,专门适用于岩石和混凝土,它具有3 套独立的闭环伺服控制功能,分别是轴压、围压和孔隙水压。可开展单轴与三轴压缩试验、流变试验、流—固耦合试验等,能实现最大轴向压力(拉力)4 600 kN(2 300 kN),最大动态围压140 MPa和最大孔隙水压140 MPa。

1.3 干湿循环三轴压缩试验方案

根据国家标准[25],本文试件干湿循环方法为:(1) 将标准岩样放入105 ℃烘箱中干燥24 h,待其冷却至室温后取出;(2) 再放入容器中自由吸水24 h,水为纯净水,中性。上述两步为1 次干湿循环,本文设定干湿循环次数有0、1、5、10 次。

将岩样干湿循环后,通过MTS815 试验机,进行三轴压缩试验。本文试件围压设计为0、2 和4 MPa,试验通过位移加载,加载速率为0.05 mm/min,收据采集为每0.2 s 采集一次。

2 结果与分析

2.1 相同干湿循环次数不同围压下的强度与变形特征

2.1.1 轴向应力—应变曲线

图1 为相同干湿循环次数不同围压下试件轴向应力—应变曲线图。容易发现,所有试件的应力—应变曲线与不进行干湿循环的围压为0的试件较为一致,均经历了较为明显的孔隙微裂隙压密阶段、较长的线弹性阶段、不太明显的屈服阶段和峰后阶段共4 个阶段,由于各个阶段均比较常规,在此不再详述成因与常规特征。各个试件的应力—应变曲线走势较为一致,说明试件的均质性较好。

图1 相同干湿循环次数下试件轴向应力—应变曲线图

由图1 可知,灰岩试件在相同干湿循环次数、常规三轴压缩下应力—应变曲线特点如下:(1) 灰岩属强度较高的脆性岩石,因而整个破坏过程的变形相对较小,不足1%;(2) 峰值前变形基本为的线弹性变形,且曲线斜率较大,即弹性模量较大;(3) 干湿循环次数相同,围压增加时,试件最大轴向应变逐渐增大,这表明岩样在围压较低时,试件内部损伤较少;(4) 干湿循环次数相同,随着围压的增加,试件的峰值强度逐渐上升,表明围压对干湿循环前后的试件峰值强度均有积极影响作用;(5) 试件没有出现明显的屈服阶段和屈服点,灰岩试件在达到峰值强度后,应力迅速下跌至一个极低的值,大多数难以测得其残余强度,这说明试验灰岩脆性很强。

2.1.2 峰值强度根据试验结果,将所有试件基本力学参数列于表1。

为了更加直观的比较相同干湿循环次数试件峰值强度σc与围压的关系,绘制图2。

由图2 可知,相同干湿循环次数后的岩石试件,随着围压的增大,试件的峰值强度逐渐增大。干湿循环为0 次试件在围压为0时的峰值强度为166.67 MPa,围压为2 和4 MPa试件的峰值强度分别提升了6.21%和9.29%。干湿循环为1次试件在围压为0 时的峰值强度为147.79 MPa,围压为2和4 MPa 试件的峰值强度分别提升了12.52%和18.12%。干湿循环为5 次试件在围压为0 时的峰值强度为140.43 MPa,围压为2 和4 MPa 试件的峰值强度分别提升了11.94%和20.36%。干湿循环为10次试件在围压为0 时的峰值强度为134.57 MPa,围压为2 和4 MPa 试件的峰值强度分别提升了10.94%和24.12%。

图2 相同干湿循环次数试件峰值强度与围压的关系

对于弹性模量,干湿循环为0次试件在围压为0 时的弹性模量为23.07 GPa,围压为2 和4 MPa 试件的峰值强度分别为23.19 和23.23 GPa,分别提升了0.52%和0.69%,提升较小。围压的增大会使灰岩的弹性模量增大,其他试件的提升情况类似,在此不再赘述。

2.1.3 破裂模式

为了探讨相同干湿循环次数试件在不同围压下的破裂模式,绘制了表2。

表2 相同干湿循环次数试件破坏图表

结合表1、2 和试验后的仔细观察,以1 次干湿循环为例,可以发现,相同干湿循环次数下在围压为0的时候,试件的破裂模式为拉伸破坏所产生的裂纹数量遍布整个试件,但只出现一个贯穿整个岩样的纵向破坏面,这其中原因即是在试件周围没有一定的围压限制,导致其破裂主要为拉伸破坏,扩容现象明显。在围压为2和4 MPa 时,试件主要体现为剪切破坏。不同的岩石状态,其破坏形式也不同,这是由岩石本身的性质,此处表现为不同的应力条件引起了不同的破裂模式。围压为2 MPa的试件沿着纵轴也有许多裂隙产生,但破裂形式较为完整,破裂面呈倾斜波浪型,其破裂模式为剪切破坏。围压为4 MPa的试件破裂面也是纵向倾斜型,拉伸裂纹较少,说明此灰岩在低围压便呈剪切破坏。

表1 试件基本力学参数表

2.2 相同围压不同干湿循环次数下的强度与变形特征

2.2.1 轴向应力—应变曲线

图3 为相同围压下试件在不同干湿循环次数下的轴向应力—应变曲线图。

由图3 可知,试件轴向应力—应变主要特点可归纳如下:(1) 围压为0时,试件的孔隙和裂隙的压密阶段较短,且在曲线中的上凹型的凹度较小,这是因为岩样在围压较低时,试件内部损伤较少;(2) 随着循环次数的增加,试件在同一围压水平时,弹性模量有细微降幅,这是由于灰岩属于硬岩,同时较为致密,干湿循环的影响对其弹性模量影响不大;(3) 试件在围压为0 和2 MPa 时,弹性模量几乎一致,即随着围压的增大,灰岩的低次数(≤10 次)干湿循环在此方面的影响可基本不计;(4) 干湿循环作用对灰岩没有造成明显的屈服阶段和屈服点,这进一步说明试验灰岩脆性很强。

图3 相同围压下试件轴向应力—应变曲线图

2.2.2 峰值强度

根据表1,将相同围压试件峰值强度σc与干湿循环次数的关系如图4。

由图4 可知,相同围压下的灰岩试件,随着干湿循环次数的增加,试件的峰值强度逐渐减小。围压为0 试件在干湿循环次数为0 次时的峰值强度为166.67 MPa,干湿循环次数为1、5 和10 次的试件的峰值强度分别减小了11.33%、15.75%和19.26%。围压为2 MPa 试件在干湿循环次数为0次时的峰值强度为177.03 MPa,干湿循环次数为1、5 和10次的试件的峰值强度分别减小了6.06%、11.20%和15.66%。围压为4 MPa 试件在干湿循环次数为0 次时的峰值强度为182.15 MPa,干湿循环次数为1、5 和10 次的试件的峰值强度分别减小了4.16%、7.20%和8.30%。

图4 相同围压试件峰值强度与干湿循环次数的关系

通过分析发现,试件峰值强度在第1 次干湿循环后的劣化较第5 次和第10 次干湿循环后明显,尤其是围压为0的试件,劣化程度达到了11.33%。本文设置最高的干湿循环次数为10 次,在10 次干湿循环后,试件的峰值强度的劣化最高达到19.26%,可谓劣化明显。可见在地下工程中,干湿循环作用对岩体的影响值得重视。

对于弹性模量,围压为0 试件在干湿循环次数为0 次时的弹性模量为23.07 GPa,干湿循环次数为1、5 和10 次的试件的分别减小了3.77%、6.33%和1.47%,减幅较小。干湿循环次数的增加会使灰岩的弹性模量减小,就本文来说其他没有明显规律,对于其他围压情况与上文类似。

2.2.3 破裂模式

相同围压试件在不同干湿循环次数下的破裂模式如表3 所示。

表3 试件破坏图表

结合上述表格和试验观察,以围压为2 MPa为例,相同围压下,无干湿循环的试件裂纹不太复杂,基本是剪切裂纹延伸成为破裂面,有少量岩屑剥落,基本没有大量岩块崩坏、脱落的情况,破裂模式属于剪切型破坏;干湿循环次数为1 次时,同样是剪切裂纹贯穿成为整个试件的破裂面,沿着岩样纵向同时有许多裂隙产生,其破裂模式仍属于剪切型破坏;干湿循环次数为5 次时,破裂模式不变,裂纹产生与前面几乎保持一致,同样有少量岩屑剥落,破裂面倾斜度不大;干湿循环次数为10 次时,试样在加载破坏过程中会沿着破坏面发生滑动,且有大块岩屑脱落,剪切破裂面倾斜度较大。不难发现,干湿循环作用会使试验的剪切破坏较为明显,岩屑剥落较为严重。

3 结论

本文通过南京地铁6 号线万寿村站至燕尧路站区间深部灰岩在干湿循环后的常规三轴试验,研究分析了灰岩在不同干湿循环次数与不同围压条件下的强度与变形特征,得出以下几点结论。

(1) 受干湿循环作用前后的试件的应力—应变曲线较为一致,均经历了较为明显的孔隙微裂隙压密阶段、较长的线弹性阶段、不太明显的屈服阶段和峰后阶段共4 个阶段。

(2) 相同干湿循环次数后的灰岩试件,随着围压的增大,试件的峰值强度和弹性模量逐渐增大,弹性模量增幅不明显。试件峰值强度在第1 次干湿循环后的劣化较第5 和第10 次干湿循环后明显,在10次干湿循环后,试件的峰值强度的劣化最高达19.26%。干湿循环次数的增加会使灰岩的弹性模量减小,在10 次干湿循环以内减幅较小。

(3) 相同干湿循环次数下在围压为0 时,试件的破裂模式为拉伸破坏,扩容现象明显。在围压为2和4 MPa 时,试件主要体现为剪切破坏。相同围压下,随着干湿循环次数的增加,试件裂纹不太复杂,基本是剪切裂纹延伸成为破裂面,破裂模式属于剪切型破坏,剪切破裂面倾斜度逐渐增大,剪切破坏逐渐明显,岩屑剥落逐渐严重。