祝艷波，吳銀亮，余宏明

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056)

1 研究背景

在建的宜昌—巴東高速公路擬建涼水井、花櫟包等隧道，隧道工程穿切了石膏質(zhì)巖地層，主要為三疊系海相含膏巖層，區(qū)域地層水循環(huán)交替條件較好，溶蝕通道不封閉，石膏質(zhì)巖與地下水有直接接觸的條件。石膏質(zhì)巖屬于特殊巖體，為確保隧道建設(shè)順利進(jìn)行，減少和預(yù)防隧道建成后的病害，以涼水井隧道區(qū)出露的石膏質(zhì)圍巖為研究對象，通過室內(nèi)不同含水率、不同干濕循環(huán)條件下單軸壓縮試驗(yàn)以及水巖作用后微觀電鏡圖片對比，探討其強(qiáng)度軟化特性。

國內(nèi)外學(xué)者針對水及干濕循環(huán)對巖石強(qiáng)度影響開展了大量的研究，成果頗豐。學(xué)者們開展了不同含水狀態(tài)下巖石的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明巖石的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都隨含水率的增加而降低［1－5］。在宏觀試驗(yàn)研究方面，陳鋼林和周仁德［6］對不同飽和度、不同類型巖樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明巖石的含水狀態(tài)直接影響巖石的力學(xué)性質(zhì)。謝和平和彭曙光［7－8］等通過試驗(yàn)證明了巖石的干抗壓強(qiáng)度明顯高于濕抗壓強(qiáng)度，軟化作用顯著，并擬合出含水率與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。劉新榮、傅晏等［9－11］開展了干濕循環(huán)作用下砂巖的力學(xué)特性試驗(yàn)，得到砂巖在干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度劣化明顯的規(guī)律。P.A.Hale 和 A.Shakoor［12］研究冷熱、干濕、凍融對巖石單軸抗壓強(qiáng)度影響，結(jié)果表明凍融循環(huán)對強(qiáng)度影響最大。喬麗萍等［13－14］從微觀層次上對砂巖及板巖的水物理化學(xué)損傷機(jī)制及規(guī)律進(jìn)行了研究。陳壽堂［15］模擬了地下水軟化作用對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明隧道洞室圍巖越差，水對圍巖穩(wěn)定性影響越大。趙延林、楊春和等［16－21］通過單軸及三軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到了鹽巖的力學(xué)特性。梁衛(wèi)國［22］開展了鹽水浸泡作用下石膏質(zhì)巖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明浸泡后石膏巖變形呈軟化趨勢。以上研究成果豐碩，而目前針對石膏質(zhì)巖的研究成果偏少，結(jié)合具體隧道工程，探討水對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度影響，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐是十分必要的，為此通過宏觀力學(xué)試驗(yàn)及微觀試驗(yàn)開展石膏質(zhì)巖水理性質(zhì)研究，研究成果為隧道施工提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)樣品為石膏質(zhì)巖，取自涼水井隧道穿越的石膏巖巖層。X礦物衍射試驗(yàn)測定其石膏含量高達(dá)98%。將巖樣加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣，并進(jìn)行編號。量測試樣質(zhì)量及尺寸，做好記錄，準(zhǔn)備試驗(yàn)。試樣如圖1所示。

圖1 石膏質(zhì)巖試樣Fig.1 Samples of gypsum rock

3 試驗(yàn)方法及過程

將試樣做好標(biāo)記，做干燥狀態(tài)、飽和狀態(tài)、一定含水率狀態(tài)、干濕循環(huán)狀態(tài)下的單軸壓縮對比試驗(yàn)。

3.1 不同含水率試樣單軸壓縮試驗(yàn)

分別制備干燥狀態(tài)、飽水狀態(tài)、一定含水率狀態(tài)試樣。飽水試樣利用真空泵抽真空飽和8 h，然后在此負(fù)壓下飽和24 h。干燥試樣利用烘箱于48℃下烘干72 h制取。一定含水率狀態(tài)試樣制樣方法:將選取好的試樣先進(jìn)行吸水試驗(yàn)，一定時(shí)間后放入恒溫保濕箱里面靜置72 h，測定試樣含水率。此次試驗(yàn)共制取含水率分別為 0(干燥狀態(tài))，1.86%，2.38%，3.39%，4.96%(飽和狀態(tài))5 組試樣。

3.2 不同干濕循環(huán)條件下試樣單軸壓縮試驗(yàn)

選取試樣，利用真空泵抽真空飽和24 h，然后放入烘箱內(nèi)于48℃下烘干72 h，為1個(gè)循環(huán)。此次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)干濕循環(huán)次數(shù)分別為0，5，10，15共4組試樣，循環(huán)后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

3.3 石膏質(zhì)巖微觀電鏡試驗(yàn)

為了研究水巖作用后石膏質(zhì)巖的微觀形貌特征，從微觀上解釋石膏質(zhì)巖軟化及強(qiáng)度劣化機(jī)理，采用掃描電子顯微鏡掃描水巖作用前后的石膏質(zhì)巖試樣，觀察對比其孔隙特征。對比試樣必須來自同一塊石膏質(zhì)巖，觀察斷面應(yīng)具有同一層紋構(gòu)造，以保證微觀結(jié)構(gòu)的可比性。選取未經(jīng)過水浸泡、水浸泡、干濕循環(huán)10次后的試樣敲碎，取具有新鮮斷面的試樣小塊，利用液氮冷凍裝置進(jìn)行脫水處理，以保證試樣水分的脫掉及試樣的微觀結(jié)構(gòu)不受到破壞，用掃描電子顯微鏡觀察新鮮斷面。

4 試驗(yàn)成果分析

利用三軸伺服機(jī)對不同含水率、干濕循環(huán)條件下石膏質(zhì)巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到各試樣單軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2、圖3所示。

圖2 不同含水率石膏質(zhì)巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of gypsum rock with different moisture contents

由圖2，圖3可見，含水率為0%(干燥狀態(tài))、干濕循環(huán)0次的試樣的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線更加“緊湊”，可分為峰值前階段及峰值后階段，峰值強(qiáng)度之前曲線模型為塑性－彈性－塑性模型［23］，峰值后階段顯示出試樣的硬脆性。整個(gè)過程經(jīng)歷了裂紋壓密階段、彈性變形、微裂隙發(fā)展階段、裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段、峰值強(qiáng)度后破壞階段。不同含水狀態(tài)及干濕循環(huán)試樣的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線形狀差別很大，這主要是不同含水狀態(tài)及干濕循環(huán)次數(shù)引起的，隨著含水率及干濕循環(huán)次數(shù)的增加，曲線峰值不斷降低，曲線顯得更加“寬松”，強(qiáng)度及變形軟化趨勢明顯。也分為峰值前階段及峰值后階段，在達(dá)到峰值強(qiáng)度之前曲線模型為彈性－蠕變型的曲線［23］，峰值后階段顯示出試樣的塑性不斷增大。

4.1 含水率對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度與變形特性影響

測試得到不同含水率試樣的強(qiáng)度與變形指標(biāo)，列于表1中。

表1 不同含水率試樣的強(qiáng)度與變形指標(biāo)Table 1 Strengths and deformation indexes of samples with different moisture contents

圖4為不同含水率下試樣與抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量、泊松比的試驗(yàn)關(guān)系曲線。石膏質(zhì)巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量及泊松比分別在2.552 ～ 11.376 MPa，0.936 ～ 12.319 GPa，1.327 ～7.313 GPa，0.301 ～ 0.377之間變化，且存在著一定的變化規(guī)律，隨著含水率的增高，抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量都呈下降趨勢。經(jīng)回歸分析，發(fā)現(xiàn)三者與含水率有良好的函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性較好，函數(shù)方程見圖中。泊松比則隨含水率增大而近似呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖4 含水率與抗壓強(qiáng)度、變形指標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.4 Relations of moisture content respectively with compressive strength and deformation indexes

根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)［24］與規(guī)范［25］，結(jié)合石膏質(zhì)巖抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，石膏質(zhì)巖屬于軟巖，計(jì)算的軟化系數(shù)為0.224，軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。由圖4可見干燥試樣的抗壓強(qiáng)度最大，飽和試樣抗壓強(qiáng)度最小，飽和試樣較干燥試樣強(qiáng)度降低了77.5%，含水率越高，試樣抗壓強(qiáng)度越低，充分說明水對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度劣化明顯，軟化性質(zhì)顯著。彈性模量及變形模量隨試樣含水率的增大而減小。泊松比隨著含水率增大而增大，但增大幅度有限。石膏質(zhì)巖的強(qiáng)度和模量隨含水率變化最為敏感。

4.2 干濕循環(huán)對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度與變形特性影響

測試得到干濕循環(huán)前后試樣的強(qiáng)度與變形指標(biāo)，列于表2中。

表2 干濕循環(huán)前后試樣的強(qiáng)度與變形指標(biāo)Table 2 Strengths and deformation indexes of samples before and after drying and wetting cycles

圖5為試樣干濕循環(huán)條件下單軸壓縮抗壓強(qiáng)度、變形指標(biāo)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，可見干濕循環(huán)對石膏質(zhì)巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了較大的影響。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量不斷降低。經(jīng)回歸分析，發(fā)現(xiàn)三者與干濕循環(huán)次數(shù)有良好的對數(shù)關(guān)系，相關(guān)性較好，函數(shù)方程見圖中。泊松比隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大，但幅度有限。

圖5 干濕循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度、變形指標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.5 Relations of drying and wetting cycle respectively with compressive strength and deformation indexes

由表2可見，未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為經(jīng)過干濕循環(huán)5次，10次，15次后試樣強(qiáng)度的1.5倍、2.1倍、3.1倍;未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的彈性模量分別為經(jīng)過5次、10次、15次干濕循環(huán)后試樣彈性模量的4倍、5.2倍、7.7倍;未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的變形模量為經(jīng)過5次、10次、15次循環(huán)后試樣變形模量的1.6倍、2.6倍、2.7倍。石膏質(zhì)巖的劣化度，可定義為干濕循環(huán)前后試樣的強(qiáng)度、模量的變化量，分別與未經(jīng)干濕循環(huán)作用試樣的強(qiáng)度、模量的比值，可見隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的總劣化度不斷增大，說明干濕循環(huán)對石膏質(zhì)巖的損傷是漸進(jìn)式的。干濕循環(huán)對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度與變形指標(biāo)影響的大小順序?yàn)?彈性模量＞抗壓強(qiáng)度＞變形模量。

4.3 水對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度劣化機(jī)理

圖6(a)為干燥石膏質(zhì)巖微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，可見明顯的解理，晶體多發(fā)育成板狀，晶面上有可見紋路，板晶間接觸緊密，晶面光滑、平整，具有完整性好的特點(diǎn)，未見破壞的跡象。圖6(b)及圖6(c)分別為石膏質(zhì)遇水軟化及干濕循環(huán)10次后微觀形態(tài)圖，可見:由于溶蝕及干濕循環(huán)作用，巖樣微觀晶體遭到溶蝕破壞，晶面溶蝕成毛邊狀、刀削狀，解理面不再明顯，板狀結(jié)構(gòu)間及晶間孔隙度增加，晶格之間的一些物質(zhì)被溶蝕、崩解、沖刷掉。石膏質(zhì)巖遇水及干濕循環(huán)后結(jié)構(gòu)松散，整體結(jié)構(gòu)遭到了破壞，巖體單元強(qiáng)度降低，軟化系數(shù)增加，強(qiáng)度性質(zhì)變差。

圖6 石膏質(zhì)巖微觀形態(tài)Fig.6 Microstructure of gypsum rock sample

水對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度影響主要包含以下幾個(gè)方面:①物理化學(xué)效應(yīng)。石膏質(zhì)巖成分被水溶解和溶蝕，易溶物質(zhì)被溶出，使孔隙結(jié)構(gòu)及巖體結(jié)構(gòu)骨架性質(zhì)發(fā)生改變，石膏質(zhì)巖強(qiáng)度變差。②石膏質(zhì)巖內(nèi)的自由水運(yùn)動(dòng)在顆粒間產(chǎn)生孔隙水壓力作用，作用在微裂隙上則會(huì)產(chǎn)生劈裂作用，宏觀上表現(xiàn)出試樣強(qiáng)度參數(shù)的降低。③吸附降低硬度效應(yīng)。石膏質(zhì)巖顆粒表面吸附水分子，潤濕礦物顆粒，軟化石膏質(zhì)巖的物理狀態(tài)，削弱了顆粒之間的關(guān)系，增加顆粒間的潤滑作用，降低了力學(xué)參數(shù)。④水對石膏質(zhì)巖裂隙擴(kuò)張效應(yīng)。由于水浸入石膏質(zhì)巖內(nèi)部，溶蝕部位呈軟塑特性，試樣局部內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生集中，同時(shí)水分子的浸入也加速了裂紋產(chǎn)生及裂隙擴(kuò)張，改變了礦物的物理狀態(tài)，削弱了礦物顆粒間聯(lián)結(jié)力，使其強(qiáng)度降低。⑤水對石膏質(zhì)巖風(fēng)化作用。在干濕循環(huán)過程中，水從試件表面的裂隙、孔隙滲入巖石內(nèi)部，加上干濕循環(huán)作用都會(huì)對試樣產(chǎn)生風(fēng)化作用，使試樣內(nèi)部及表面產(chǎn)生了宏觀微裂隙及裂紋，使其強(qiáng)度降低。

5 結(jié)論及建議

(1)石膏質(zhì)巖強(qiáng)度較低，屬于軟巖，石膏質(zhì)巖強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率變化十分敏感，遇水軟化特征顯著。試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量隨著含水率的增大而降低，泊松比隨之增大。干濕循環(huán)作用對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度及變形參數(shù)劣化明顯，試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，泊松比隨之增大，但幅度有限。

(2)研究區(qū)隧道內(nèi)出露石膏質(zhì)圍巖，其工程性質(zhì)較差，會(huì)產(chǎn)生如下危害:石膏質(zhì)圍巖遇水軟化強(qiáng)度降低，變形增大，從而降低隧道圍巖的穩(wěn)定性。當(dāng)石膏質(zhì)巖在隧道拱底以下賦存時(shí)，遇水軟化后，拱腳最危險(xiǎn)，因支護(hù)形成的土拱效應(yīng)使拱腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致拱腳處大量單元體屈服，進(jìn)而由于地基承載力不足而導(dǎo)致拱腳處地基失穩(wěn)下沉。石膏質(zhì)巖遇水軟化后，被地下水溶蝕帶走，會(huì)在隧道背后產(chǎn)生空洞。當(dāng)隧道拱頂存在空洞時(shí)，上方圍巖有松動(dòng)掉落的危險(xiǎn)，會(huì)對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毀壞。隧道邊墻兩側(cè)的石膏質(zhì)圍巖軟化變形、溶蝕后也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)受力不均，產(chǎn)生應(yīng)力集中，破壞襯砌的整體結(jié)構(gòu)。

(3)為避免水對石膏質(zhì)巖強(qiáng)度及變形的劣化，防止隧道產(chǎn)生工程病害，在隧道施工時(shí)，注意做好防水及排水措施，同時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置拱腳錨桿、增加初期支護(hù)拱腳面積、增加橫支撐、地基注漿預(yù)加固等措施。

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［25］GB50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.(GB50021—2001，Code for Investigation of Geotechnical Engineering［S］.Beijing:China Building Press，2009.(in Chinese))