基于水-岩劣化作用下的砂岩压缩试验分析

刘浩然

(辽宁省水利事务服务中心，辽宁 沈阳 110003)

1 概述

当水库在建成并投入长期运行后，库区内水体将对周围岩石和土体产生水-岩作用，这将对库岸边坡岩体的物理力学性质造成较大的影响[1]。近几年众多学者设计并进行了模拟库岸边坡水-岩作用的干湿循环试验，如高治国等人[2]为模拟泥岩在遇水后岩体以及岩体结构面的变化，通过岩石软化和崩解试验得到了对应的强度变化规律。在实际的理论分析中，水力学、损伤力学和断裂力学是国内研究者用于分析水-岩作用后岩石力学性质变化规律最常用到的方法。李建林等人[3]研究了砂岩在受到浸泡作用后的力学特性质和劣化机理，研究结果认为导致砂岩断裂破坏等力学参数劣化的主要因素是由岩石内部细小裂纹和缝隙所致。除了水-岩作用次数的影响，砂岩的时间损伤效应也得到相应考虑，如朱敏等人[4]在砂岩力学研究中就考虑了时间因素的影响，试验采用完整砂岩和损伤砂岩进行水-岩循环对比作用，并根据试验得出的岩石损伤变量推导了本构关系。

砂岩渗透性和水体环境对砂岩力学性质的影响也有被不少研究者关注到。刘晓丽等人[5]通过研究岩石在低渗透环境中受到的“浸泡-风干”循环作用得到了岩土体应力变化规律与渗透系数之间关系。刘桃根等人[6]从微观化学方面分析了水-岩作用对砂岩力学性质的影响规律，研究结果认为试样质量、抗压强度和弹性模量等力学参数的变化受到浸泡溶液的离子浓度的影响。王建平等[7]将水-岩相互作用线型规划的模拟方法应用到白鹤滩水电项目中，对库区复杂水文地质条件展开了针对性的分析和评价。

以往的研究表明，砂岩在水的作用下力学性质劣化比较显著，这可能是由于砂岩的孔隙率通常情况下比较大的特点所致。但在实际工程中，不仅仅包括砂岩自身孔隙率大的特性，库区水体作用也会对砂岩力学性质造成影响，许多库岸岩体结构在受到库区水位升降或者长时间的降雨后发生失稳垮塌。本研究主要侧重分析于水-岩循环作用下砂岩压缩的力学特性，定量分析层理砂岩在受到周期性水-岩循环作用后的力学参数的变化规律，研究结果具有重要的工程意义。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料和仪器

本文试验所用试样为某库区库岸边坡层理状(以平行状和垂直状为主)砂岩，经XRD衍射分析，该砂岩沙量高于50%，主要成份为石英、黑长石、云母等。本研究所需主要实验仪器有岩石取芯机、岩芯切割机、岩石打磨仪以及岩石力学试验系统。

2.2 制样与试验操作

为更贴近工程实际，选取某库区岩体沉积面较明显的消落带作为选样点，严格按照现行规范要求以及三轴仪岩石力学试验系统对试样尺寸的规格要求。本试验试样在汛期之前即库区水位较低时进行现场取样并保证试验的完整性。所有试样尺寸均为圆柱体(直径×高度=50mm×100mm)，试样直径偏差不超过0.3mm，端面的不平整度不大于0.05mm。

2.3 试验设计

通过对现有的砂岩力学分析的总结，发现对于受到水-岩循环作用后的层理状砂岩力学性质的研究还有所欠缺，相应的力学损伤效应仍有待进一步明确。本研究选取具有典型代表的不同层理状砂岩作为研究对象，开展砂岩压缩试验，探讨和研究水-岩循环作用对垂直型层理以及平行型层理2种不同层理砂岩力学性质影响规律。试验设计10次水-岩循环(每30d从岩石浸泡容器中取出一组样品进行风干作为一个循环)，将风干后的试样进行三轴压缩试验(试验加载速率为0.005mm/s，围压设置为0、5、10、20和30MPa)。

3 试验结果与分析

3.1 水-岩循环作用下典型砂岩试样的应力-应变曲线变化特征分析

在实际工程运用中，对于揭示某一种岩石材料的力学特性的最直接和最有效的方法是分析和评价该岩石试样的应力-应变曲线变化关系[8]。通过试验得到的应力-应变曲线可以间接地反映岩石试件在受到外在荷载时的变形、失稳和破坏的整个过程。根据室内试验结果，砂岩试样在受到不同周期的水岩作用后的应力-应变曲线变化过程如图1所示。具体各阶段特征及物理意义如下：

图1 砂岩试样加载过程中应力-应变曲线变化关系图

(1)O-A阶段，此阶段代表试样处于压实阶段。由于试验荷载的增加，试样受到的轴向应力开始逐步增大，应力-应变曲线斜率也随之得到增加，曲线慢慢由水平开始向上弯曲。此过程中的砂岩试样变形是非线性的，这主要是由于砂岩试样内部的结构特征所致。

(2)A-B阶段，此阶段代表试样处于弹性变形阶段。此阶段式样的应力应变曲线斜率几乎为零，曲线近似一条直线，此过程中的砂岩试样变形在撤掉轴向应力后可得到一定程度的恢复。

(3)B-C阶段，此阶段代表试样裂缝扩展阶段。此过程中砂岩试样的应力-应变曲线斜率逐渐减小，曲线慢慢由线性变为非线性，随着试验荷载的进一步加大，试样轴向应力不断增加，试样内部开始出现裂缝，试样变形不可恢复。

(4)C-D阶段，此阶段代表试样裂缝扩展加速阶段。在该段，随着加载应力的增大，试件内部裂缝迅速延伸，裂缝数量明显增多，应力-应变曲线峰值出现。

(5)D-E阶段，此阶段代表试样破坏阶段。该过程中的岩石试件内部裂缝不断发展最终贯通整个试样形成断裂面，试件强度迅速降低。应力-应变曲线斜率为负值，破裂面上的摩擦力是试样在破坏后能继续承载的主要原因。

3.2 水-岩循环作用下不同层理状砂岩抗压强度分析

垂直型层理和平行型层理砂岩试样在受到不同周期水-岩循环作用后，抗压强度变化关系如图2所示。试验结果具体分析如下。

观察图2可以发现：同一围压下，垂直层理砂岩试样的抗压强度要高于平行层理砂岩试样的强度，2种层理的砂岩试样抗压强度均随着围压的升高而增大。同一种层理型的砂岩试样抗压强度与试验所施加的周围压力呈正相关，此过程的岩石试样抗压强度受水-岩循环作用的影响较小；2种层理砂岩的抗压强度随着水-岩循环作用程度的增加呈现出不同程度的弱化趋势。围压从低到高的增加过程中，垂直层理砂岩试样在水-岩循环作用进行到第6次的衰减度达到了32.31%；而相同情况下的平行层理砂岩试样的衰减度达到26.43%，这表明垂直层理砂岩试样在水-岩循环作用下的劣化程度要比平行层理砂岩的劣化程度高；参考和对比前人的研究成果发现有着与本试验结果相似规律：刘新荣等人[9]在分析泥质砂岩受到水-岩循环作用后的力学变化规律后认为岩石试样的抗压强度存在着急剧下降和平稳下降2个阶段，同时认为试样单轴抗压强度会随着水-岩循环作用次数的增加而减小，在水岩作用前期其强度下降急剧，下降幅度达41.49%，但在后期的下降幅度放缓并趋于平稳，并认为岩石的三轴压缩试验强度也满足此规律；同样，傅晏等人[10- 11]在对砂岩试样进行干湿循环作用后开展了加载试验，试验结果表明砂岩试样单轴抗压强度在进行到第8次干湿循环时的劣化度为12.13%，在第10次干湿循环作用时的砂岩强度劣化度达9%。

图2 不同围压下水-岩循环作用下砂岩抗压强度值

3.3 水-岩循环作用下层理砂岩压缩试验弹性模量变化规律

根据试验结果，不同围压下的垂直型层理砂岩和平行型层理砂岩试样在受到不同程度的水-岩循环作用后的弹性模量变化特征如图3所示。

图3 不同围压下水-岩循环作用下砂岩弹性模量值

由图3可观察到水-岩循环作用下不同层理砂岩的弹性模量存在着以下变化规律：随着水-岩循环作用次数的增加，层理砂岩试样的弹性模量逐渐降低，垂直和平行2种层理试样的弹性模量曲线均呈现出“log函数”的劣化趋势，该趋势可以得到较好的拟合；平行层理砂岩试样的弹性模量衰减程度要略微低于垂直层理砂岩试样，但是2种层理砂岩试样的弹性模量衰减趋势在整体上较为一致；在经10次水-岩循环作用之后的平行层理试样的弹性模量劣化程度高于垂直层理试样的弹性模量，两者劣化程度的差距随所施加围压的增大而减小；垂直型层理砂岩试样的弹性模量随着施加围压的增加开始降低。

3.4 水-岩循环作用下不同层理状砂岩粘聚力和摩擦角的变化规律分析

分析平行型层理和垂直型层理2种不同类型砂岩试样在经过周期性水-岩循环作用后的粘聚力和摩擦角变化规律如图4—5所示。

图4 水-岩循环作用下砂岩粘聚力变化曲线

图5 水-岩循环作用下砂岩摩擦角变化曲线

由图4—5可发现：在经历水-岩循环作用之后，层理砂岩试样的粘聚力和摩擦角变化规律较为明显，随着水-岩循环作用次数的增加，2种层理砂岩试样的粘聚力和摩擦角均逐渐降低；平行层理砂岩试样的粘聚力要比同等条件下垂直层理砂岩试样的粘聚力约低3～4MPa，同时其劣化速度相较于垂直层理试样的劣化速度更低；垂直型层理的砂岩试样在进行到第10次水-岩循环作用时的粘聚力减小27.56%，相同条件下的平行型层理试样的粘聚力减小20.34%；从层理砂岩的摩擦角来看，垂直层理砂岩试样的摩擦角要比平行层理砂岩试样的摩擦角约低1°～2°左右；在水-岩循环作用进行到第6次时，垂直层理试样摩擦角的劣化度达到16.29%，平行层理试样的劣化度达11.4%，在水-岩循环作用进行到第10次时的垂直层理和平行层理试样摩擦角劣化度趋于平缓，最终劣化度分别达到21.24%和16.08%。

4 结论

为探究库区周围砂质岩体的力学特性，本研究开展了平行层理和垂直层理砂岩在经过10次水-岩循环作用后的三轴压缩试验，重点分析了水平层理砂岩试样和垂直层理砂岩试样在经过浸泡和风干循环作用下的抗压强度、弹性模量、抗剪强度等参数的变化规律，主要试验分析结论如下：

(1)随着水-岩循环次数的增加，平行层理和垂直层理砂岩试样的单轴抗压强度和弹性模量均表现出弱化趋势，但两者弱化程度不同，平行层理砂岩试样的弱化程度低于同等条件下的垂直层理砂岩试样弱化程度。

(2)相同水-岩循环作用周期内，平行层理试样的弹性模量和单轴抗压强度均低于垂直层理试样，表明砂岩的层理方向能直接影响到试样的力学性质。

(3)随着围压的升高，水平和垂直层理试样的抗压强度升高较为明显；试样在同一围压下的抗压强度会随着水-岩循环次数的增加而不断降低。整体上，平行层理的抗压强度低于同等条件下的垂直型层理砂岩试样的强度。

(4)垂直层理试样摩擦角的衰减度要略大于平行层理试样的衰减度，相反，平行层理试样的粘聚力衰减度要高于垂直层理砂岩试样。