周 莉， 陳 棟， 張慶海， 張 娜， 張顥繽， 劉 偉

(1．黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱150022;2．中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083)

巖石吸水后，礦物顆粒成分、粒間膠結(jié)成分、膠結(jié)方式、孔隙分布和毛管壓力效應(yīng)等均發(fā)生變化，造成巖石結(jié)構(gòu)面弱化、強度降低［1－3］。煤礦進入深部開挖后，地溫隨著采深的增加而升高［4－5］，巷道圍巖長期處于高溫潮濕環(huán)境，所表現(xiàn)出來的力學(xué)性能、變性特征又有所不同。在圍巖抗剪強度研究方面，國內(nèi)外學(xué)者大多將非標準試件或標準試件用混凝土澆筑后再進行剪切［6－10］，這種實驗方法準備工作耗時較長，模具制作、混凝土澆筑和拆模非常麻煩，且不易精確測得巖樣對應(yīng)的含水率。為此，筆者在不必澆筑混凝土的情況下，采用特制變角剪切模具直接進行變角剪切［11］，精確測定試件在溫濕環(huán)境下吸水后的含水率，為長期溫濕環(huán)境下的深井巷道圍巖抗剪強度測定提供了新方法。

1 實驗儀器與方法

1.1 儀器

溫濕環(huán)境下吸水儀器為已設(shè)定溫度(30、50、70 ℃)的恒溫水浴;變角剪切壓力機為YEP －2000型屏顯式液壓壓力實驗機，實驗過程中控制剪切速率為1 MPa/s。45°、55°、65° 剪 切 模 具 為GB/T 23561.2—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》第11 部分《煤和巖石抗剪強度測定方法》中標準試件所用模具。

1.2 方法

對三組溫濕環(huán)境下吸水后的山東萊蕪紅砂巖試件，以及干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的試件進行變角剪切實驗，以獲得其抗剪強度隨吸水環(huán)境的變化規(guī)律。方法如下:

(1)試件選取及制作。選取山東萊蕪紅砂巖巖體，依據(jù)GB/T 23561.5—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》，將試件制作成φ50 mm ×50 mm 的圓柱體，共計60 塊，編號SHJ －1～SHJ －60。置入設(shè)定溫度為107 ℃的烘箱中，烘干24 h。冷卻后稱重，測量直徑D、高度h 等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并記錄。

(2)溫濕環(huán)境吸水測試。依據(jù)GB/T 23561.2—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》第11 部分《煤和巖石抗剪強度測定方法》，取三個剪切角度，每個角度下作四個標準試件的剪切實驗，即一組變角剪切實驗不少于12 個試件。故將試件SHJ－13～SHJ－24、SHJ －25～SHJ －36、SHJ －37～SHJ －48 分別置于30、50、70 ℃恒溫水浴中吸水，試件處于潮濕環(huán)境中，與水面不接觸。經(jīng)溫濕計測定，每個水浴內(nèi)相對濕度均在95%以上。吸水時將所有試件每隔一定時間取出，稱重并記錄，直至試件達到氣液平衡狀態(tài)。此外，將試件SHJ －1～SHJ －12煮沸飽水6 h，用濕毛巾擦去試件表面水分，稱重并記錄。吸水測試完成后所有試件立即用保鮮膜密封。

(3)變角剪切強度測試。將所有試件進行變角剪切實驗，每組12 個試件均分為三組，分別在45°、55°、65°角度下進行剪切。

2 結(jié)果分析

2.1 溫濕環(huán)境下砂巖吸水特性

依據(jù)GB/T 23561.2—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》第11 部分《煤和巖石抗剪強度測定方法》，單個標準試件剪切破壞面上的正應(yīng)力σ 和切應(yīng)力τ 計算式分別為:

式中:σ——正應(yīng)力，MPa;

τ——切應(yīng)力，MPa;

P——試件斷裂破壞荷載，N;

S——剪切面面積，S=D×h，mm2;

α——剪切面與水平面的夾角，(°)。

由于在相同的吸水環(huán)境下，每組試件吸水曲線基本相同，故將每組試件平均吸水量換算成平均吸水率。實驗所得吸水率及變角剪切強度見表1。

表1 不同溫濕環(huán)境下軟巖吸水后的變角剪切強度Table 1 Variable angle shear strength of sandstone after water absorption under temperature humidity environment

圖1 為三組試件平均吸水特征(V－t)曲線?？梢钥闯?，溫濕環(huán)境下吸水的所有試件在吸水初期均呈減速吸水趨勢，一定時間后吸水量不再增加，即達到各溫濕環(huán)境下吸水氣液平衡狀態(tài);在相對濕度均為95%以上的情況下，砂巖最終吸水量隨著吸水溫度的升高而增加;30、50、70 ℃吸水組最終吸水量分別為2.48、5.00、7.01 mL 左右;吸水溫度越高，砂巖試件達到氣液平衡狀態(tài)時間越短，30、50、70 ℃吸水組試件達到氣液平衡狀態(tài)的時間分別為277、159、89 h。

圖1 溫濕環(huán)境下砂巖吸水特征(V－t)曲線Fig．1 Hydrophilic characteristic V－t curves of sandstone under temperature humidity environment

2.2 溫濕環(huán)境下砂巖變角剪切強度軟化特征

2.2.1 砂巖變角剪切強度擬合函數(shù)

用每組12 個試件的正應(yīng)力和切應(yīng)力值繪制τ－σ曲線，對其進行線性回歸擬合，得到五組變角剪切強度曲線方程，見表2。每組變角剪切試件相對應(yīng)的強度曲線見圖2。

表2 溫濕環(huán)境下變角剪切強度擬合函數(shù)Table 2 Fitted attenuating relation between single axial compressed strength

圖2 溫濕環(huán)境下山東紅砂巖抗剪強度擬合曲線Fig．2 Temperature humidity environment of Shandong red sandstone shear strength

由圖2 以及表2 中五組變角剪切強度擬合方程可以發(fā)現(xiàn)，所選砂巖變角剪切強度指標對水非常敏感，試件從干燥狀態(tài)到飽和態(tài)時凝聚力從18.387 kPa降到11.708 kPa，降幅為36.2%;而在30 ℃濕度環(huán)境下吸水平衡后其凝聚力下降到12.590 kPa，降幅達到了31.5%;隨著試件吸水率的增加，砂巖的凝聚力降低，內(nèi)摩擦角增大。30、50、70 ℃濕度吸水狀態(tài)、飽和狀態(tài)試件的平均吸水率分別為1.06%、2.12%、2.94%、3.55%;相對應(yīng)的砂巖凝聚力為12.590、12.512、11.849、11.708 kPa，降幅分別為31.5%、32.0%、35.6%、36.2%;相對應(yīng)的砂巖內(nèi)摩擦角為36.09°、36.17°、36.20°、36.50°，增幅分別為10.8%、11.0%、11.1%、12.0%;含水量對砂巖試件凝聚力的影響遠大于對內(nèi)摩擦角的影響。

2.2．2 砂巖抗剪強度指標與含水率的關(guān)系

溫濕環(huán)境下砂巖試件抗剪強度指標與含水率關(guān)系曲線如圖3 所示。分析五組試件凝聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率增加時的變化規(guī)律可知，隨著吸水率的增加，試件凝聚力呈負指數(shù)衰減趨勢，趨于試件飽水時凝聚力;試件內(nèi)摩擦角呈負指數(shù)趨勢，上升至試件飽水時內(nèi)摩擦角。

圖3 山東紅砂巖抗剪強度與含水率關(guān)系曲線Fig．3 Relation of Shandong red sandstone shear strength with variation of water content

試件凝聚力和內(nèi)摩擦角隨吸水率變化的關(guān)系式為

式中:cw——試件隨吸水率變化的凝聚力，kPa;

c0——干燥狀態(tài)下試件的凝聚力，kPa;

a1、b1——擬合參數(shù)。

式中:φw——試件隨吸水率變化的內(nèi)摩擦角，(°);

φ0——干燥狀態(tài)下試件的內(nèi)摩擦角，(°);

a2、b2——擬合參數(shù)。

將式(1)和式(2)代入摩爾－庫倫準則得到

式中:τw——試件隨吸水率變化的抗剪強度，kPa;

σw——試件隨吸水率變化的正應(yīng)力強度，kPa。

式(3)為溫濕環(huán)境下實驗所取砂巖變角剪切強度隨吸水率變化時的關(guān)系函數(shù)，對長期在溫濕環(huán)境下的巷道圍巖的穩(wěn)定性計算以及安全監(jiān)測均有重要意義。

采用SigmaPlot 軟件，分別按照式(1)、(2)對試件凝聚力和內(nèi)摩擦角隨吸水率變化的關(guān)系曲線進行擬合，變角剪切實驗得出的各參數(shù)見表3。

表3 變角剪切指標擬合參數(shù)Table 3 Fitted parameters of variable angle shear index

2.2.3 砂巖變角剪切宏觀破壞特征

實驗根據(jù)吸水條件不同共分為三組，每組又分為三個剪切角度。觀察所有試件破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，試件吸水率的變化對砂巖的破壞形態(tài)影響不大，剪切角度的不同才是引起其破壞形態(tài)發(fā)生顯著差異的主要因素，故此次實驗試件破壞形態(tài)主要分為45°、55°、65°三種剪切角度，見圖4。圖4a為試件在45°剪切角度下的典型破壞形態(tài)。在受剪過程中試件剪切面上所受的正應(yīng)力和切應(yīng)力相同。砂巖首先出現(xiàn)密壓階段，試件中微裂隙和微孔隙在正應(yīng)力的作用下被壓密閉合，然后在正應(yīng)力和切應(yīng)力的共同作用下發(fā)生壓剪破壞，上下端面類似于被“掀開”，破壞較小，但其內(nèi)部幾乎完全粉碎，呈現(xiàn)出“一碰就碎”的狀態(tài)。圖4b 為試件在55°剪切角度下的典型破壞形態(tài)。在受剪過程中試件剪切面上所受的正應(yīng)力小于切應(yīng)力，切力作用大于壓力作用，整體被分為兩半，剪切面清晰，內(nèi)部有少量受正應(yīng)力作用產(chǎn)生的粉碎顆粒。圖4c為試件在65°剪切角度下的典型破壞形態(tài)。在受剪過程中試件剪切面上所受的切應(yīng)力遠大于正應(yīng)力，呈完全脆性破壞形態(tài)。

圖4 典型破壞形態(tài)Fig．4 Typical failure form

3 結(jié) 論

對山東萊蕪紅砂巖進行溫濕環(huán)境下吸水測試，再對吸水后試件、干燥試件、飽水試件進行變角剪切實驗，分析實驗結(jié)果，得出以下結(jié)論:

(1)砂巖試件在溫濕環(huán)境下吸水率呈減速吸水趨勢，一定時間后達到吸水氣液平衡狀態(tài);砂巖吸水量隨著吸水溫度的升高而增加，吸水溫度越高，試件達到氣液平衡狀態(tài)的時間越短。

(2)砂巖凝聚力對水極為敏感，隨著吸水率的增加，砂巖試件凝聚力呈負指數(shù)衰減趨勢，且趨于試件飽水時的凝聚力;含水量對砂巖試件凝聚力的影響遠大于對內(nèi)摩擦角的影響。

(3)試件在45°角度下變角剪切，上下端面破壞較小，內(nèi)部粉碎，正應(yīng)力與切應(yīng)力均起較大作用;試件在55°角度下變角剪切，切應(yīng)力作用大于壓應(yīng)力作用，剪切面清晰，內(nèi)部有少量粉碎顆粒;試件在65°剪切角度下變角剪切，呈完全脆性破壞形態(tài)。

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