鄒 翀，雷勝友，岳喜軍，宋 妍，高 攀

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471009;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

富水全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖強(qiáng)度特性試驗(yàn)及本構(gòu)關(guān)系探討

鄒 翀1，雷勝友2，岳喜軍2，宋 妍1，高 攀1

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471009;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

針對富水全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖的特點(diǎn)，進(jìn)行了該砂巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)成分實(shí)驗(yàn)，然后通過單軸、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究了爆破擾動(dòng)、含水量、試樣層理對砂巖應(yīng)力－應(yīng)變強(qiáng)度特性的影響。發(fā)現(xiàn)砂巖遇水軟化，粘聚力大幅度降低，表現(xiàn)出顯著的各向異性;爆破擾動(dòng)后，巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度減低，彈模減小，泊松比增大;由于砂巖具有明顯的節(jié)理性，按兩種方向加載所得到的巖石試樣強(qiáng)度明顯不同;根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得應(yīng)力－應(yīng)變曲線特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)用修正的Duncan－Zhang模型可以很好地描述砂巖的前應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

砂巖;含水量;強(qiáng)度;爆破擾動(dòng);節(jié)理;本構(gòu)關(guān)系

1 前言

某新建鐵路隧道圍巖屬強(qiáng)風(fēng)化砂巖，隧道巖層產(chǎn)狀310°∠3°～280°∠7°，巖層主要發(fā)育三組節(jié)理:①103 °∠78 °張節(jié)理，節(jié)理間距為0.5 ～0.6 m，裂隙寬度為1.5～2.0 mm，充填泥質(zhì)，延長2～3 m;②153 °∠80 °張節(jié)理，節(jié)理間距為 0.4 ～0.5 m，裂隙寬度為1.5 ～2.0 mm，充填泥質(zhì)，延長 4～5 m;③250°∠66 °張節(jié)理，節(jié)理間距為 0.7～0.8 m，裂隙寬度為0.8～1.0 mm，充填泥質(zhì)，延長5～8 m。

隧道頂部標(biāo)高位于地下水穩(wěn)定水位以下，地下水儲(chǔ)量充沛，圍巖裂隙發(fā)育，裂隙水流通性好，測得開挖面最大涌水量為322 L/min，靜水壓力最高達(dá)到0.7 MPa。全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖遇水后迅速軟化，呈流砂狀，圍巖自穩(wěn)能力極差，隧道變形不易控制，加之隧道開挖采用爆破法，給隧道施工帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，目前該類研究多集中在砂巖強(qiáng)度參數(shù)等方面，未見對風(fēng)化富水砂巖力學(xué)特性的系統(tǒng)研究，對其研究多集中在風(fēng)化程度的分級上，并無針對隧道施工的相關(guān)量化指標(biāo)的研究。因此很有必要對強(qiáng)風(fēng)化砂巖在富水情況下及考慮爆破作用下的力學(xué)強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，為該新建鐵路隧道施工起指導(dǎo)作用，同時(shí)為其他同類工程積累規(guī)律性資料。

2 巖樣化學(xué)成分分析與物理參數(shù)測試

筆者對該處砂巖化學(xué)成分進(jìn)行了X射線衍射分析、pH值測定。得出成分名稱及含量如表1所示。

表1 砂巖化學(xué)成分表Table 1 Chemical composition of the sandstone %

通過成分鑒定可以得知，砂巖的主要成分為石英和各種長石、滑石、綠泥石等，石英和長石莫氏硬度處于礦物硬度的中等級別，而像綠泥石、滑石這樣莫氏硬度很低的礦物雖然所占比例很小，但其強(qiáng)度低的性質(zhì)致使整體巖樣強(qiáng)度較低。另外，砂巖試樣中存在綠泥石、滑石等礦物成分，一方面這些巖石易于風(fēng)化和軟化，降低巖石本身強(qiáng)度;另一方面這些具有滑感的礦物分布在結(jié)構(gòu)面上，使結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度大大降低，巖體易于沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生變形，使巖體失穩(wěn)［1］。

為了解富水砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)，研究中進(jìn)行了密度、吸水率、含水率以及耐崩解指數(shù)試驗(yàn)。測得富水砂巖的密度為2.172 g/cm3，與巖石力學(xué)上砂巖密度的取值(2.10～2.65 g/cm3)進(jìn)行比較，可知在砂巖中，本試驗(yàn)所取樣的砂巖密度值較小，試驗(yàn)測得砂巖干密度 ρd=1.993 g/cm3，土顆粒密度為 ρs=2.635 g/cm3，由公式 e= ρs/ρd－ 1可得到孔隙比e=0.322的土粒間孔隙大、接觸不緊密，粒料間的咬合作用較弱，分子間引力小，剪切時(shí)克服的咬合作用小，因此原始內(nèi)聚力就小。

巖石的吸水率是由其中空隙的數(shù)量和大小、顆粒相互排列的方式、巖石是否容易潮濕和從空隙中排除空氣的情況等因素而定［2］。吸水率愈小、巖石愈緊密堅(jiān)硬，巖石的吸水率愈大，則其工程性質(zhì)就愈差。飽和吸水率試驗(yàn)程序是先將巖石試樣充分浸水再烘干，浸水是通過煮沸浸水。由試驗(yàn)結(jié)果可知，取樣砂巖的充分吸水率為7.38%，飽和吸水率為9.24%，值比較大，說明水對其影響明顯，工程性質(zhì)較差。

試驗(yàn)得到的砂巖的原狀含水量為9.02%，而測得的充分吸水率僅為7.38%，這一方面與巖石在不同位置沉積的成分差異性有關(guān)，另一方面也從側(cè)面證明了從工地現(xiàn)場取來的巖石試樣幾近飽和。況且在做吸水率實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于有些試樣在泡水的過程中已經(jīng)沿著夾泥層散落掉了，而這些夾泥層中的粒徑較小，更容易吸水，以上兩個(gè)原因?qū)е略瓲詈勘瘸浞治看蟆Ａ硗?，測得試驗(yàn)砂巖飽和吸水率為9.24%，也可以看出試驗(yàn)砂巖在原狀情況下含水量大，受水的影響肯定很大。

巖石的崩解性是指巖石與水作用時(shí)失去粘結(jié)性，變成完全喪失強(qiáng)度的松散物質(zhì)的性能。這種現(xiàn)象是由于水化過程中削弱了巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)引起的，巖石的崩解性一般用耐崩解性指數(shù)表示。耐崩解性指數(shù)是通過對巖石試樣進(jìn)行烘干、浸水循環(huán)試驗(yàn)所得到的指數(shù)，它直接反映了巖石在浸水、溫度變化和外界力的作用下抵抗風(fēng)化作用的能力。較真實(shí)地模擬了巖石在自然條件下的風(fēng)化過程。一般情況下，耐崩解指數(shù)與巖石成巖的地質(zhì)年代無明顯關(guān)系，而與巖石的密度成正比，與巖石的含水量成反比［3］。經(jīng)過一次循環(huán)試驗(yàn)求得的耐崩解性指數(shù)是56.9%，兩次循環(huán)試驗(yàn)求得的耐崩解性指數(shù)是38.2%。所以，可以將富水風(fēng)化砂巖劃分到低耐久性巖石類。

3 富水砂巖變形、強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

3.1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從微觀上說是水使砂巖顆粒間自由水增加，結(jié)合水膜變厚，分子引力減小，從而使得顆粒之間更容易發(fā)生相對錯(cuò)動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為粘聚力降低，使得試驗(yàn)砂巖更容易變形［4］。在原狀含水量和干燥情況下，軸向加載方向平行于試樣層理和垂直試樣層理所得的泊松比不一樣。

表2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of uniaxial compression resistance test

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，原狀含水量時(shí)，加載方向平行于試樣層理的單軸抗壓強(qiáng)度比垂直于試樣層理的小，前者與后者之比為38%;而在干燥情況下，二者之比為85.63%。在原狀含水量下，加載方向平行試樣層理時(shí)所得的彈性模量是垂直于試樣層理的44%，在干燥情況下兩者之比為81%。在原狀含水量、干燥情況下，加載方向?qū)λ鶞y得砂巖試樣的泊松比影響不很顯著。

3.2 砂巖爆破擾動(dòng)特性試驗(yàn)

鉆爆法是山嶺隧道修建中普遍采用的一種方法，對于軟弱圍巖來說，爆破擾動(dòng)使圍巖強(qiáng)度指標(biāo)顯著降低［5］。在本次試驗(yàn)中，通過對爆破擾動(dòng)試樣及未受爆破擾動(dòng)試樣分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到了爆破擾動(dòng)前、后應(yīng)力－應(yīng)變曲線以及軸向應(yīng)變－徑向應(yīng)變曲線，以定量分析爆破擾動(dòng)對該類圍巖力學(xué)指標(biāo)的影響。試驗(yàn)實(shí)測曲線如圖1至圖4所示。

圖1 未受爆破擾動(dòng)試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.1 Stress－strain curve of specimen not disturbed by blasting

圖2 受爆破擾動(dòng)試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Stress－strain curve of specimen disturbed by blasting

從圖1至圖4可以看出，受爆破影響的試樣除了強(qiáng)度降低外，曲線形狀變得更為復(fù)雜多變，這是爆破產(chǎn)生的裂縫在試驗(yàn)時(shí)多次張開閉合造成的。也可以看出，未經(jīng)爆破的試樣殘余強(qiáng)度緩慢降低，而經(jīng)爆破擾動(dòng)后的試樣殘余強(qiáng)度迅速降低到零。經(jīng)過比較可以發(fā)現(xiàn)，受爆破影響試樣的單軸抗壓強(qiáng)度是未經(jīng)爆破擾動(dòng)的38%，受爆破影響試樣的彈性模量是未經(jīng)爆破擾動(dòng)的30%，爆破擾動(dòng)后應(yīng)變1和應(yīng)變2都有顯著增大，且泊松比也有相應(yīng)的增加。由此可見，爆破擾動(dòng)使巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量顯著降低、泊松比明顯增大。

圖3 未受爆破擾動(dòng)試樣的軸向應(yīng)變－徑向應(yīng)變曲線Fig.3 Axial strain －radial strain curve of specimen not disturbed by blasting

圖4 受爆破擾動(dòng)試樣的軸向應(yīng)變－徑向應(yīng)變曲線Fig.4 Axial strain －radial strain curve of specimen disturbed by blasting

3.3 砂巖軟化特性試驗(yàn)

巖石的軟化性是指巖石與水相互作用時(shí)強(qiáng)度降低的特性，與其礦物成分、顆粒間聯(lián)結(jié)方式、空隙率以及微裂隙發(fā)育程度等因素有關(guān)。軟化作用機(jī)理是由于水分子進(jìn)入顆粒間的間隙，削弱了分子間引力，從而降低了顆粒間的聯(lián)結(jié)［6］。對于一般的巖石，含水量增加導(dǎo)致強(qiáng)度明顯降低。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出試樣砂巖應(yīng)力強(qiáng)度－含水量趨勢線服從指數(shù)分布，如圖5和圖6所示，圖中虛線為擬合曲線，實(shí)線為實(shí)驗(yàn)曲線。

圖5 加載方向平行于試樣層理時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度－含水量關(guān)系曲線Fig.5 Stress strength － water content curves for loading direction parallel to specimen bedding

圖6 加載方向垂直于試樣層理時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度－含水量關(guān)系曲線Fig.6 Stress strength － water content curves for loading direction perpendicular to specimen bedding

試驗(yàn)砂巖泡水發(fā)生軟化，主要有兩個(gè)方面的原因。一方面，顆粒的吸水改變表面性能。砂巖成分中的綠泥石和泥質(zhì)膠結(jié)物是親水性的礦物，這些顆粒吸水后表面性能發(fā)生變化，使得顆粒間及顆粒與膠結(jié)物間的吸引力降低，產(chǎn)生弱化。另一方面，毛細(xì)管壓力減小。巖樣進(jìn)行泡水前，內(nèi)部含有部分水，產(chǎn)生毛細(xì)管壓力;當(dāng)巖樣泡水后，外來水分子的加入使得這種作用力被減弱，從而使毛細(xì)管壓力減小，產(chǎn)生弱化［7］。

3.4 砂巖三軸剪切試驗(yàn)

為進(jìn)一步解釋巖石在準(zhǔn)三軸荷載作用下的破壞機(jī)理，對試樣進(jìn)行了一系列的三軸剪切試驗(yàn)，三軸實(shí)驗(yàn)曲線如圖7至圖11所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，砂巖在不同應(yīng)力水平下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線線形特征明顯不同。當(dāng)圍壓較小或是在單軸抗壓情況下，曲線屈服點(diǎn)不明顯，且峰值所對應(yīng)的應(yīng)變值比較小。當(dāng)圍壓較大(為3 MPa)時(shí)，達(dá)到峰值后巖石經(jīng)歷一定的塑性變形才被破壞，破壞后的應(yīng)力降低速度較小，表現(xiàn)為峰值前、后曲線的曲率較大，應(yīng)變軟化不明顯。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖7 原狀試樣、加載方向平行于試樣層理?xiàng)l件下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.7 Stress－strain curves of intact sandstone for loading direction parallel to the bedding of specimen

圖8 原狀試樣、加載方向軸向垂直于試樣層理時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.8 Stress－strain curves of intact sandstone for loading direction perpendicular to the bedding of specimen

圖9 充分吸水、加載方向軸向平行于試樣層理時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.9 Stress－ strain curves of sandstone absorbed water fully for loading direction parallel to the bedding of specimen

圖10 充分吸水、加載方向垂直于試樣層理時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.10 Stress－strain curves of sandstone absorbed water fully for loading direction perpendicular to the bedding of specimen

圖11 圍壓為3 MPa時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.11 Stress－ strain curves when all round pressure equals 3 MPa

表3 三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of triaxial shear test

從表3可以得出以下結(jié)論:

1)相同圍壓下的原狀含水量試樣在應(yīng)變相等時(shí)，軸向加載方向平行于試樣層理時(shí)，所得主應(yīng)力差比軸向加載方向垂直于試樣層理時(shí)所得的主應(yīng)力差小。

2)通過圖5和圖6可以看出，含水量增大，試樣的強(qiáng)度降低很多，表現(xiàn)在強(qiáng)度指標(biāo)的變化上，加載方向平行于試樣層理時(shí)的粘聚力和內(nèi)摩擦角都比同種含水量下加載方向垂直于試樣層理的小。而含水量的變化幾乎對內(nèi)摩擦角影響不大，但是對粘聚力的影響很大，試樣的含水量增大，砂巖的粘聚力顯著降低。在以上4種試驗(yàn)條件下，砂巖的全過程應(yīng)力－應(yīng)變曲線皆呈應(yīng)變軟化或弱軟化型［8］。

4 富水砂巖本構(gòu)關(guān)系研究

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究中選取Duncan本構(gòu)模型來描述砂巖的力學(xué)性質(zhì)。雖然試驗(yàn)砂巖全過程中，應(yīng)力－應(yīng)變曲線不大符合Duncan－Zhang方程曲線，但是在峰值點(diǎn)之前還是適用的［9］。盡管Duncan－Zhang模型不能考慮初始壓密階段時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變特性，也不能反映峰值應(yīng)力之后的殘余強(qiáng)度［10］，但是若將Duncan模型的雙曲線方程改為式(1):

式(1)中，σ1、σ3分別代表大主應(yīng)力和小主應(yīng)力;a、b為試驗(yàn)常數(shù);ε1為大主應(yīng)力方向的變形，即主應(yīng)變。

對式(1)關(guān)于ε1微分，則切線模量Et可表示為

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出試驗(yàn)砂巖的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線，殘余強(qiáng)度在實(shí)際應(yīng)用中作用微弱，研究只將峰值之后的趨勢表達(dá)出來即可。將修正后的模型參數(shù)代入本構(gòu)方程中，可計(jì)算出砂巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線，計(jì)算曲線如圖12、圖13所示。

從圖12和圖13可以看出，對砂巖三軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線采用改進(jìn)的Duncan模型進(jìn)行擬合，試驗(yàn)曲線與理論曲線非常接近，同時(shí)求解過程更簡單?？梢?，用改進(jìn)的Duncan－Zhang模型能更好地表達(dá)試驗(yàn)砂巖的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。

5 結(jié)語

1)該砂巖屬級配不良細(xì)砂，可塑性較差。崩解性實(shí)驗(yàn)表明，該巖石屬于低耐久性巖石，主要成分為石英和各種長石、滑石、綠泥石等。由于綠泥石、滑石硬度低，屬于易風(fēng)化礦物，具有滑感，隧道開挖后圍巖及其結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度都大為降低，易使圍巖失穩(wěn)。

圖12 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對比(加載方向平行于試樣層理)Fig.12 Comparison between experiment and prediction for loading parallel to the bedding of specimen

圖13 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對比(加載方向垂直于試樣層理)Fig.13 Comparison between experiment and prediction for loading direction perpendicular to the bedding of specimen

2)通過單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出原狀含水量下加載方向平行于試樣層理、垂直于試樣層理以及干燥狀態(tài)下加載方向平行于試樣層理、垂直于試樣層理時(shí)巖樣的巖石強(qiáng)度、彈性模量、泊松比以及軟化系數(shù)。以上4種加載情況得到的壓縮曲線皆呈應(yīng)變軟化型。

3)通過巖石三軸剪切試驗(yàn)得到了在原狀含水量下加載方向平行于試樣層理、垂直于試樣層理以及充分吸水加載方向平行于試樣層理、垂直于試樣層理時(shí)巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角。從強(qiáng)度指標(biāo)的變化方面可以得出，加載方向平行于試樣層理時(shí)的粘聚力和內(nèi)摩擦角都比同樣含水量下加載方向垂直于試樣層理的小。而含水量的變化幾乎對內(nèi)摩擦角無影響，但是對粘聚力的影響很大，試樣的含水量增大，砂巖的粘聚力降低很多。砂巖的全過程應(yīng)力－應(yīng)變曲線皆呈應(yīng)變軟化型。

4)爆破擾動(dòng)使得試樣強(qiáng)度、彈性模量降低很多，泊松比增大，曲線線型變得更為復(fù)雜，這就意味著爆破擾動(dòng)后圍巖更容易發(fā)生變形。根據(jù)這一特性，在隧道施工中應(yīng)用試驗(yàn)分析的爆破擾動(dòng)曲線調(diào)整爆破方案，在掌子面周邊增加隔震空孔，增加裝藥的不耦合系數(shù)，最大程度地降低了爆破對圍巖的擾動(dòng)影響，提高了圍巖的自穩(wěn)能力，保障了施工安全。

5)用修正的Duncan－Zhang模型可以很好地模擬砂巖的前過程應(yīng)力－應(yīng)變曲線關(guān)系，其計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得相當(dāng)好。

［1］巫錫勇，羅 健，魏有儀.巖石風(fēng)化與巖石化學(xué)成分的變化研究［J］.地質(zhì)與勘探，2004，40(4):85－88.

［2］大見美智人，本田彰義，青柳省吾，等.風(fēng)化安山巖の化學(xué)的、物理的性質(zhì)の關(guān)系につぃて［J］.應(yīng)用地質(zhì)，1975，16(4):169－177.

［3］周維垣.高等巖石力學(xué)［M］.北京:水利電力出版社，1990.

［4］沈明榮，陳建峰.巖體力學(xué)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2006:52－55.

［5］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［6］張立新，李長洪.矽卡巖軟化特性及其力學(xué)試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2009(2):56－59.

［7］吳景濃.地殼巖石的滲透性狀及孔隙水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響［J］.華南地震，1990，10(3):77 －82.

［8］易順民，趙文謙.單軸壓縮條件下三峽壩基巖石破裂的分形特征［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(5):479－520.

［9］Duncan J M，Chang C Y，et al.Nonlinear analysis of stress and strain in soils［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division，ASCE，1970，96(SM5):1629 －1653.

［10］Feng Weixing，Chang Shaodong，Hu Wangyi.A study of parameter test on fine clay soil in Beijing using the model by Duncan and Chang［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1999，18(3):327－330.

Experimental investigation on strength of sandstone weathered and absorbed water heavily and its constitutive law

Zou Chong1，Lei Shengyou2，Yue Xijun2，Song Yan1，Gao Pan1

(1.Technology Center，China Railway Tunnel Group，Luoyang，Henan 471009，China;2.School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

According to the feature of sandstone weathered and absorbed water heavily，the authors analyzed the physical and mechanical properties and chemical composition of the sandstone experimentally，then studied influence of blasting disturbance，water content，sample bedding on stress-strain strength characteristics through uniaxial and triaxial compression tests，and found that the sandstone would become weak in the strength when it absorbed water，and its cohesion decreased and showed significant anisotropy while friction angle was not changed.After the sandstone underwent blasting，its uniaxial compressive resistance and elastic modulus decreased，and Poisson ratio increased.As the sandstone has obvious bedding properties，the strengths of sample obtained from two different loading directions are different obviously.Based on the stress-strain curves from the triaxial tests，the authors found the stress-strain curves could be described well by the modified Duncan-Zhang model.

sandstone;water content;strength;disturbed by blasting;bedding;constitutive law

TU425

A

1009－1742(2011)01－0074－07

2010－04－15

鄒 翀(1971—)，男，江西南昌市人，高級工程師，主要從事工程技術(shù)及管理工作;E－mail:zouchong0356@126.com