劉發(fā)祥 安源遠 唐升貴

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州貴陽 550005)

巖石強度是各種巖石分類及其地下工程穩(wěn)定性計算的主要指標(biāo)，巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及其破壞特征是研究巖石本構(gòu)方程的基礎(chǔ)，是巖石變形計算的依據(jù)，是數(shù)值計算不可缺少的基本數(shù)據(jù)[1]。由于巖石成因及其本身組構(gòu)的復(fù)雜性，造成了巖石力學(xué)性質(zhì)與其他人工材料相比有著更為顯著的不均質(zhì)性和各向異性[2]，因此，巖石力學(xué)性質(zhì)試驗仍是當(dāng)前工程應(yīng)用上需要研究的重要內(nèi)容。巖石的強度和變形特性除受試驗條件、試驗方法影響外，還與其本身組構(gòu)，如礦物成分、晶體特征、膠結(jié)性質(zhì)、顆粒大小及聯(lián)結(jié)方式、層理及裂隙的性質(zhì)和方向等因素密切相關(guān)[3，4]，碎屑巖由于物質(zhì)來源復(fù)雜、沉積環(huán)境多樣[5]，造成其組構(gòu)更為復(fù)雜多樣、力學(xué)性質(zhì)差異顯著，因此對碎屑巖強度和變形特性的研究仍有實際工程意義以及一定理論價值。本文對廣西南寧電廠新建工程場地的白堊系下統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖、含礫中至粗砂巖和礫巖樣品進行單軸抗壓強度以及變形破壞特征進行研究，旨在為類似工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗樣品及其巖性特征

試驗樣品巖性特征如下:Ⅰ組:共5段巖樣，編號為C114-1～C114-5，泥質(zhì)粉砂巖，黃～紫紅色，傾角20°左右的層理發(fā)育，間距在1 cm以內(nèi)，節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，質(zhì)地均勻，嵌晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造。Ⅱ組:共7段巖樣，編號為C116-1～C116-7，含礫中至粗砂巖，淺灰色，發(fā)育傾角20°左右的層理，層理間距在2 cm左右，節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主，嵌晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造。Ⅲ組:共8段巖樣，編號為C120-1～C120-8，含礫中至粗砂巖，黃～淺灰色，發(fā)育傾角20°左右的層理，層理間距1 cm～1.5 cm，節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主，嵌晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造。Ⅳ組:共6段巖樣，編號為C207-1～C207-6，礫巖，淺灰色，層理、節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主，母巖主要為灰?guī)r或白云巖，礫石棱角較明顯，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。Ⅴ組:共7段巖樣，編號為C212-1～C212-7，礫巖，淺～深灰色，層理、節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主，母巖主要為灰?guī)r或白云巖，礫石棱角較明顯，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

2 試驗方法及過程

試件制作與試驗依據(jù)GB/T 50266-99工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法完成[6]。

2.1 試件制作方法

試驗試件經(jīng)過鉆取、切割、磨平三個環(huán)節(jié)制備而成。試件鉆取、切割成型后，置于磨石機上進行打磨加工，在鉆取、切割與打磨過程中全程淋水冷卻鉆石機鉆頭、金剛石圓鋸片及磨石機砂輪。成型后試件直徑一般為49.52 mm～71.80 mm，高徑比為1.39～2.06，未達標(biāo)準(zhǔn)試件的巖樣測試結(jié)果采用修正公式的修正結(jié)果提出。

2.2 試件的烘干與飽和

將需烘干試件在105℃ ～110℃的恒溫下烘24 h，放入干燥容器內(nèi)冷卻至室溫后稱量試件質(zhì)量。重復(fù)以上操作直至相鄰兩次稱量之差不超過后一次稱量的0.1%。采用真空抽氣法飽和試件，飽和試件的容器內(nèi)的水面高于試件，抽氣時間控制在4 h以上。經(jīng)真空抽氣的試件在原容器內(nèi)放置4 h。

2.3 單軸壓縮變形及抗壓強度試驗過程

測試程序為:將試件置于試驗機上下加壓板之間，使試件的縱軸與加壓板的中心一致;開動壓力試驗機，當(dāng)上壓板與試件接近時，調(diào)整球座，使試驗機的加壓板與試件的端面緊密、均勻地接觸;以每秒0.5 MPa～1.0 MPa的加荷速率均勻、連續(xù)地加荷。在加載過程中，逐級讀取荷載和相應(yīng)的縱向變形值，待儀器顯示荷載峰值出現(xiàn)后，表明試件已受壓破壞，即停止試驗，并記錄破壞荷載值。將試件的破壞荷載除以試件的承壓面積即為試件的抗壓強度，選取試件應(yīng)力—縱向應(yīng)變曲線上的直線段計算巖石彈性模量。

3 強度和變形破壞特征分析

3.1 試驗成果

本次研究共制作43個試件，其中，15個做天然抗壓強度試驗，14個試件做飽和單軸抗壓強度試驗，14個試件做烘干抗壓強度試驗，同時測量試件的單軸豎向變形。5組試件的試驗成果經(jīng)統(tǒng)計分析后匯總于表1。

表1 單軸抗壓強度及彈性模量試驗成果統(tǒng)計表

3.2 巖石單軸抗壓強度特征

根據(jù)表1的統(tǒng)計結(jié)果，繪制泥質(zhì)粉砂巖、含礫中至粗砂巖及礫巖的單軸抗壓強度條形圖如圖1所示。

從表1和圖1可看出:1)三種巖石盡管其粒度組成不同，但均具有烘干狀態(tài)的單軸抗壓強度大于天然狀態(tài)的單軸抗壓強度、天然狀態(tài)的單軸抗壓強度大于飽和狀態(tài)的抗壓強度這一共同特征，說明三種碎屑巖的單軸抗壓強度受巖石含水量的影響很大;2)天然狀態(tài)下，泥質(zhì)粉砂巖的單軸抗壓強度比含礫砂巖和礫巖的小得多，而含礫砂巖與礫巖的單軸抗壓強度差別不大;3)烘干狀態(tài)下，泥質(zhì)粉砂巖的單軸抗壓強度較天然狀態(tài)增幅最大，含礫砂巖次之，而礫巖的增幅最小;4)三類巖石的彈性模量大小依次為礫巖＞含礫中至粗砂巖＞泥質(zhì)粉砂巖。

圖1 三類巖石的單軸抗壓強度條形圖

3.3 巖石單軸豎向變形及破壞特征

本次試驗的5組三類巖石的縱向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線及破壞特征如圖2～圖11所示。

圖2 Ⅰ組泥質(zhì)粉砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 Ⅰ組泥質(zhì)粉砂巖試件破壞特征

圖4 Ⅱ組含礫中至粗砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5 Ⅱ組含礫中至粗砂巖試件破壞特征

對比分析圖2～圖11可得出以下認(rèn)識:

1)泥質(zhì)粉砂巖存在節(jié)理面時，主要沿節(jié)理面發(fā)生剪切破壞(試件114t1)，無節(jié)理面時沿縱向發(fā)生脆性斷裂破壞，呈現(xiàn)拉破壞的特征(試件114t2，114t3)，且前者發(fā)生破壞時的應(yīng)變和峰值抗壓強度均比后者小得多，應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示塑—彈性的特征，說明巖石經(jīng)歷層理面和空隙的閉合和壓密過程后表現(xiàn)為脆性彈性材料的性質(zhì)。

2)含礫中至粗砂巖表現(xiàn)為脆性剪切破壞(試件120t1)和縱向脆性斷裂破壞兩種特征，呈現(xiàn)剪切破壞和拉破壞兩種性質(zhì)，但以拉破壞為主。由于受含礫的影響，破裂面與質(zhì)地較均勻的泥質(zhì)粉砂巖相比有一定差異，破裂面往往呈現(xiàn)繞過礫石的起伏彎曲特點，且總應(yīng)變相對要小。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線顯示塑—彈性的特征，表明該類巖石也經(jīng)歷了層理面和空隙的閉合和壓密過程。

3)礫巖的破壞兼有縱向拉裂和橫向鼓脹兩種破壞特征，拉裂面主要沿礫石間的充填物和膠結(jié)物延展，且破裂面不止一個，峰值強度后仍具有一定的承載能力，表現(xiàn)為延性巖石的特征。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線顯示塑—彈—彈塑—塑性的特征，表明該類巖石的破壞經(jīng)歷壓密→彈性能集聚→基質(zhì)或膠結(jié)物拉裂→礫石重排列→礫石剪切滑動的復(fù)雜過程。

圖6 Ⅲ組含礫中至粗砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖7 Ⅲ組含礫中至粗砂巖試件破壞特征

圖8 Ⅳ組礫巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖9 Ⅳ組礫巖試件破壞特征

圖10 Ⅴ組礫巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖11 Ⅴ組礫巖試件破壞特征

4)總體而言，三類巖石相比，達到破壞前，泥質(zhì)粉砂巖的變形最大，含礫中至粗砂巖次之，礫巖變形最小。

4 結(jié)語

通過本文研究得出幾點認(rèn)識:1)碎屑巖的組構(gòu)不同，其單軸抗壓強度受含水量的影響表現(xiàn)出明顯差異，因此，工程上應(yīng)重視水對碎屑巖力學(xué)性質(zhì)的影響研究;2)碎屑巖的組構(gòu)不同，其力學(xué)性質(zhì)差異較大，呈現(xiàn)不同的破壞特征，泥質(zhì)粉砂巖和含礫砂巖一般以縱向拉裂破壞為主，當(dāng)有弱面存在時，可能發(fā)生沿弱面的剪切破壞，而礫巖的破壞情況復(fù)雜，兼有縱向多面拉裂和橫向鼓脹兩種破壞特征;3)碎屑巖的組構(gòu)不同，其變形特征差異顯著，總體而言，達到破壞前，泥質(zhì)粉砂巖的變形量最大，含礫中至粗砂巖次之，礫巖最小;4)泥質(zhì)粉砂巖和含礫中至粗砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為塑—彈性類，而礫巖的為塑—彈—彈塑—塑性類，前者表現(xiàn)為脆性巖石的性質(zhì)，而后者則表現(xiàn)出延性巖石的特征。

[1] 賀永年，韓立軍，王衍森.巖石力學(xué)簡明教程[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[2] 蔡美峰，何滿朝，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[3] 徐志英.巖石力學(xué)[M].第3版.北京:水利電力出版社，1993.

[4] 吳德倫，黃質(zhì)宏，趙明階.巖石力學(xué)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2002.

[5] 孫永傳，李蕙生.碎屑巖沉積相和沉積環(huán)境[M].北京:地質(zhì)出版社，1986.

[6] GB/T 50266-99，工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].