不同含水率的砂化白云岩力学特性研究

张正全

（中铁二局第一工程有限公司，贵州 贵阳 550007）

地下水常常引发岩石物理力学特性的改变，使得岩石在水作用下的变形破坏更加敏感。岩石赋存在地应力和地下水环境中，这种环境一方面影响岩石的承载能力、变形和破坏机制，另一方面也影响岩石中应力传播法则。国内外的众多学者也开展了水-岩作用下岩石的力学特性及损伤特性的试验研究。曹洋兵等[1]开展了不同含水率黑云母二长花岗岩单轴压缩试验，分析破坏特征和应力-应变曲线特征。赵奎等[2]开展了不同含水率条件下红砂岩试件单轴压缩试验，构建了红砂岩的损伤演化模型。陈玉华等[3]开展了不同含水率花岗岩单轴压缩试验，建立了以单轴抗压强度和弹性模量进行量化的损伤演化规律。李安润等[4]以滇中地区粉砂质泥岩为研究对象，提出了含水损伤蠕变本构模型。万亿等[5]以川藏铁路沿线的红砂岩为研究对象，揭示了模型参数及劣化系数随冻融循环次数及含水率的变化规律。李回贵等[6]以神东矿区大柳塔煤矿岩层中的砂岩为研究对象，研究了含水率对弱胶结砂岩力学特征的影响规律。刘坚[7]利用水岩耦合作用下岩石应力-应变曲线极值特点，建立了三轴压缩条件下的岩石损伤本构模型。

滇中引水工程部分隧洞穿越砂化白云岩地层，白云岩砂化导致岩体强度降低，在地下水位以下的隧洞成洞难度增大。针对砂化白云岩，开展不同含水率下的物理及力学试验，分析岩石力学参数随含水率之间的变化规律很有必要。

1 试件制备

本次试验共制备4 组岩样，其中干燥岩样1 组，自然吸水的岩样3 组，每组岩样3 个。设置吸水时间为2 h、4 h、6 h，在不同时刻取出岩样拭干表面水分并称重。岩石的自然吸水率计算公式为：

式（1）中：ωa为自然吸水率，%；ma为试件自然吸水后质量，g；md为试件烘干后质量，g。

在单轴压缩试验前，记录不同浸水时间岩样的试样含水率数据，如图1 所示。

由图1 可知，随浸水时间增加，含水率逐渐提高。本次试验共4 组，分组为1（干燥、含水率0%）、2（浸水2 h、平均含水率0.53%）、3（浸水12 h、平均含水率0.61%）、4（浸水24 h、平均含水率0.73%）。

图1 砂化白云岩含水率随浸水时长的变化曲线图

2 试验结果分析

2.1 应力应变曲线分析

通过试验，得到不同含水率下砂化白云岩的应力-应变曲线，如图2 所示。由图2 可知，不同含水率下的砂化白云岩试样应力-应变曲线发展基本相似，经历了裂隙压缩密实、弹性变形、裂隙扩展、破坏变形4个阶段。随着含水率提高，初始压密阶段明显增长，弹性阶段占比减小，且斜率也逐渐减小。

图2 不同含水率砂化白云岩应力-应变曲线

单轴压缩下不同含水率砂化白云岩的力学参数如表1 所示，不同含水率的砂化白云岩弹性模量和峰值抗压强度随含水率的变化曲线如图3 和图4 所示。

图3 含水率与砂化白云岩弹性模量的关系

图4 含水率与砂化白云岩峰值抗压强度的关系

结合表1、图3 和图4 可知，由于含水率增加，峰值强度和弹性模量随含水率的增加而逐渐减小。其中，含水率为0.53%、0.61%、0.73%的白云岩与干燥时相比，其弹性模量分别下降了13.21%、27.03%、44.51%，峰值抗压强度分别下降了16.85%、26.19%、44.32%。采用线性拟合，求得弹性模量与峰值抗压强度随含水率变化的关系方程式为：

式（2）（3）中：E为弹性模量，GPa；ω为含水率，%；σc为峰值抗压强度，MPa。

2.2 岩样破坏形式

岩石开裂破坏是岩体内部裂隙发展，微裂缝贯通后所呈现的宏观破坏形式，其特征能在一定程度上反映出试样所处的应力状态和物理性质。不同含水率的砂化白云岩试件开裂破坏模式如图5 所示。

图5 不同含水率的岩样破坏模式

由图5 可以看出，干燥状态下白云岩最终破坏形式为单个斜面剪切破坏，岩样整体较为完整。在含水率为0.53%和0.61%时，试件主裂纹附近会伴随产生许多次生裂纹。含水率为0.73%时，次裂纹进一步发展并贯通，破裂程度较为严重。从试件的最终破裂状态来看，含水率的提高会使试件表面产生大量的次生裂纹。次生裂纹增强了水的渗透能力，岩样破坏形态趋于复杂。试件破裂后的块度越小，破碎程度越高。

3 试验过程损伤分析

3.1 损伤参数

根据不同含水率的砂化白云岩应力-应变曲线求得损伤本构方程参数m、F，如表2 所示。含水率与参数m、F的关系如图6、图7 所示。

表2 不同含水率的岩样损伤统计力学参数

图6 含水率与参数m 的关系

图7 含水率与参数F 的关系

采用线性拟合，求得参数m与F随含水率变化的关系方程式为：

参数m为岩石脆性的参数，参数F为岩石的宏观强度，两者共同影响岩石的损伤力学特性。由表2、图6 和图7 可知，随着含水率的增大，参数m、F均逐渐减小，导致岩石的脆性降低，强度降低。

3.2 损伤过程分析

以含水率0.53%的应力应变曲线为例，对砂化白云岩的损伤过程进行分析，如图8 所示。在加载初期，损伤变量增长缓慢。随着加载过程的逐渐进行，裂隙逐渐发育，应力水平还未达到峰值时损伤就开始加速，当白云岩进入裂隙扩展后期，此时损伤变量陡增到0.237，此阶段损伤曲线增长速度加剧；当达到峰值应力时，此时损伤变量达到0.356，此时其大尺度损伤逐渐扩展并最终贯通。

图8 砂化白云岩损伤变量曲线

将峰值应变下的损伤值定义为临界损伤值Dcr，即：

临界损伤值的物理意义是峰荷时材料所具有的塑性应变能力，也可以说是峰荷时的塑性应变占峰荷应变的比例。不同含水率下砂化白云岩的临界损伤值如表3 所示。

表3 不同含水率的砂化白云岩临界损伤值

由表3 可知，随着含水率提高，砂化白云岩的临界损伤值逐渐增大，其压缩变形过程中塑性应变的占比逐渐增大。

4 结论

通过对不同含水率的砂化白云岩进行单轴压缩试验，研究所得结论如下：①砂化白云岩的峰值强度、弹性模量受含水率的影响较大，峰值强度和弹性模量随含水率的增加而逐渐减小。②随着白云岩岩样含水率增大，岩样裂纹发展更加丰富，裂纹扩展总长度增加，破坏形态趋于复杂。试件破裂后的块度越小，破碎程度越高。③随着含水率的增大，损伤本构模型参数m、F均逐渐减小，说明随着含水率的增大，岩石的脆性降低，强度降低。同时临界损伤值逐渐增大，表明其压缩变形过程中塑性应变的占比逐渐增大。