干湿循环作用下砂岩力学劣化特性分析

2023-08-31 06:53:54龙朝辉
水科学与工程技术 2023年4期
关键词:黏聚力风干摩擦角

龙朝辉

(广东东水工程项目管理有限公司,广东 东莞 523000)

目前,众多学者纷纷展开研究,徐千军等[1]指出通过室内试验来研究坡体内部岩石的损伤机理,并总结水岩作用的增强会导致岩石的力学性质呈下降趋势。傅晏等[2]指出岩石在地下水渗流过后会产生蚀变现象,从而弱化岩石的力学性能。姚华彦等[3]指出砂岩会随干湿循环次数的递增产生一种由脆性破坏向延性破坏转换的趋势,同时,也指出大理岩、花岗岩等岩石具有相似的劣化趋势。宋勇军等[4]为探究红砂岩在动态干湿循环作用下是否会在抗拉强度上存在显著的劣化效应,通过动态拉伸力学试验,设定不同的加载速率和干湿循环次数来量化对红砂岩力学性能的影响。柴肇云等[5]基于单轴冲击压缩试验来分析煤矿砂岩在干湿循环作用下的力学动态演化趋势,发现砂岩在首次干湿循环中其动态抗压强度产生一个显著的增强效应,但随循环次数递增,其单轴抗压强度逐渐转化成递减趋势。邓华锋等[6]利用高速摄像机来探究在动态冲击作用下,砂岩的破坏特征和变形演化趋势。柴少波等[7]以三峡库区的砂岩为试验对象,分析饱水-风干循环对其影响,发现随循环次数的增加,砂岩的损伤越显著。

本文以某水库水位波动对库岸边坡的影响为工程背景,将试验对象设定为水库水位幅变区域带的砂岩,通过岩石三轴压缩仪器来研究砂岩在水岩作用下的力学劣化特性及演化规律。干湿循环分别采用饱水和风干砂岩试样来展开试验研究,量化砂岩的力学演化规律和劣化特性,并引入劣化率的概念来阐述水位波动时的砂岩力学性质,旨在还原工程实际中水位波动对库岸砂岩力学性能的影响。

1 试验设计

水库库岸边坡内部广泛分布砂岩,其力学特性是库岸边坡安全稳定性的关键因素。本文试验所用砂岩选自某地区某水库边坡内部岩体,由云母、斜长石和石英等构成,具有典型的代表性,天然密度2.7 g/cm3。试验前基于《水利水电工程岩石试验规程》[8]对试样进行预处理,规范规定岩石试样尺寸应为r=25 mm(半径)、l=100 mm(高度)的圆柱体,并在试验前,对预处理好的岩石试样展开回弹值和纵波波速检测,选取达到规范标准的试样进行三轴压缩试验。试验分为4 个试验组,每个试验组再设置4 个岩石试样进行对照分析;将试样按15,5,1,0 循环次数展开干湿循环试验(通过设定饱水条件来模拟湿润工况及设定风干条件来模拟干燥工况)。一次饱水-风干循环试验包含试样浸泡和浸泡风干程序,其中浸泡程序是对试样浸泡25 d,模拟水位上升阶段,以期达到砂岩试样饱和状态;浸泡风干程序是将试样放置在风干试验箱里进行5 d 的风干,模拟库区水位下降现象。然后将浸泡和浸泡风干后的试样按照20,10,5,0 MPa 围压强度进行三轴力学试验,通过轴向逐级加载向试样施加垂直荷载,直至试样产生断裂破坏现象,在此期间通过计算机实时记录试样的应力-应变演化数据,并基于试验后的试样测算出试样破坏时其破坏面与最大轴向作用面夹角,为推算内摩擦角提供校核参数。

2 试验结果与分析

2.1 砂岩试样峰值抗压强度的变化规律

不同围压强度下饱水-风干循环作用下的峰值抗压强度,其峰值抗压强度数值主要受循环次数和围压强度影响显著,峰值抗压强度与围压强度呈正比;与循环次数呈反比。峰值抗压强度在围压强度为20 MPa,循环次数为0 次时,其达到试验最大峰值抗压强度,即185.02 MPa。不同饱水-风干循环作用下砂岩应力-应变拟合曲线如图1。由图1 可知,循环次数与砂岩的峰值强度呈反比,循环次数越多,会引起峰值强度产生更大的应变现象。

图1 不同饱水-风干循环作用下砂岩应力-应变拟合曲线

基于围压强度的演化和饱水-风干循环次数显著的影响峰值抗压强度数值,试验将自变量定义为不同围压强度值和不同饱水-风干循环次数N,将因变量定义为峰值抗压强度,而后展开试验量化分析峰值抗压强度所受的影响,其动态演化关系曲线如图2。

图2 饱水-风干循环作用下峰值抗压强度变化曲线

图2(a)显示,不同围压强度下,总体呈现随循环次数的增加产生应力递降趋势,其中峰值抗压强度在前两个循环周期内,产生较为显著的应力沉降,而后随循环次数的递增,其峰值抗压强度逐渐趋于平缓,循环次数对峰值抗压强度的劣化特性逐渐趋于弱化。

图2(b)显示,在不同饱水-风干循环次数下,随围压强度的递增,峰值抗压强度总体呈现上升趋势,循环次数越大,峰值抗压强度增幅越显著。说明砂岩峰值抗压强度受围压演化规律的显著影响,砂岩的峰值抗压强度降幅与围压强度值呈反比例关系。

图2(c)显示,不同围压强度下,饱水-风干循环次数和峰值抗压强度的关系,与指数分布相似,同时,两参数可通过指数函数关系式来表达,即:

式中N 为干湿循环次数(饱水-风干工况下);A,B,C 均为试验拟合的常数。

2.2 砂岩试样黏聚力c 和内摩擦角φ 的演化规律

图3 显示三轴试验获得的抗剪强度基本参数,基于规范提出的摩尔-库伦基本准则,可绘制出砂岩试样的内摩擦 角φ 和 黏聚力c,并通过 Origin 进行线性拟合得到关系曲线,如图3。表1 显示不同饱水-风干循环作用下内摩擦角φ、黏聚力c 计算结果,由表1 可知,饱水-风干循环次数N 与抗剪强度基本参数黏聚力c 和内摩擦角φ呈反比例关系。

表1 饱水-风干循环作用下内摩擦角φ、黏聚力c 计算结果

图3 黏聚力c 和内摩擦角φ 值随饱水-风干循环次数变化拟合曲线

基于图3的演化曲线和表1 的抗剪强度基本参数,可推导出砂岩试样在饱水-风干循环作用下,随循环次数的递增,内摩擦角φ、黏聚力c 均呈总体数值降低趋势,但劣化趋势呈差异性,其演化关系符合指数分布规律,也可用函数关系进行表示,即:

内摩擦角φ 为:

黏聚力c 为:

在经过干湿循环15 次后,内摩擦角φ 和黏聚力c 分别降低15%和30%;由45.75°变为38.72°和由18.39 MPa 变为12.76 MPa;即为初始值的84.63%和初始值的69.39%。在同一循环次数下,内摩擦角φ降幅均低于黏聚力c,说明饱水-风干循环作用更加显著的影响黏聚力c 的数值。

2.3 岩石力学性质劣化的变化分析

基于上述试验数据可知,砂岩力学性质在饱水-风干循环作用下产生显著的劣化现象。为定量分析劣化发展规律,通过内摩擦角φ、黏聚力c 和砂岩峰值抗压强度τ 参数来拟合构建劣化率函数关系式,如式(4):

式中F(N),f(N),f(0)分别为循环N 次后的劣化率;循环N 次后的力学参数值和砂岩的初始力学参数值。

表2、图4 和图5 显示三轴压缩试验获得的砂岩力学参数和推导出的各工况下的劣化率。内摩擦角φ、黏聚力c 和砂岩峰值抗压强度τ 的劣化率随饱水-风干循环次数的递增而逐渐增大,前期增幅显著,后期趋于平缓,说明在干湿循环作用下,其砂岩劣化特性主要集中在试验初期。峰值强度劣化率因围压强度不同而呈现差异性,同一循环次数下,峰值抗压强度劣化率随围压的增大而减小,说明可通过提高围压强度来降低劣化率。

表2 砂岩力学参数劣化率

图4 不同围压作用下峰值抗压强度劣化率拟合曲线

图5 黏聚力c、内摩擦角φ 劣化率拟合曲线

3 结语

(1)在水岩作用下,砂岩峰值抗压强度随围压增大而增大;若围压强度相同,内摩擦角、黏聚力、砂岩峰值抗压强度与循环次数呈反比例关系,且在试验初期,其参数数值降低幅度较大,后期受水岩作用影响逐渐趋于平缓。

(2)饱水-风干循环次数N 与内摩擦角φ、黏聚力c 和砂岩峰值抗压强度τ 的演化关系遵循指数分布规律。在同一循环次数下,其参数数值降低按小到大排列,依次为内摩擦角φ、黏聚力c 和砂岩峰值抗压强度τ。说明内摩擦角φ 受水岩作用影响显著最小。

(3)在试验初期,水岩作用导致劣化率出现较大增幅趋势,而后劣化率逐渐趋于平缓,趋于某一定值,受水岩作用微弱;在同一饱水-风干循环次数下,峰值抗压强度劣化率与围压强度呈反比,说明围压强度的增强可有效降低砂岩的劣化率;内摩擦角φ、黏聚力c 和砂岩峰值抗压强度τ 随饱水-风干循环次数的递增,其劣化率呈现内摩擦角φ 劣化率最小,砂岩峰值抗压强度τ 劣化率最大趋势,说明水岩作用显著影响砂岩峰值抗压强度τ。

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