郭佳奇，徐子龍，李宏飛

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

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飽水對(duì)巖溶灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)與縱波波速的影響

郭佳奇，徐子龍，李宏飛

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

為研究飽水對(duì)巖溶灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)和縱波波速的影響，進(jìn)行自然和飽水狀態(tài)下巖樣的力學(xué)性能和彈性波測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：飽水對(duì)巖溶灰?guī)r的單軸抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量有明顯的軟化作用，飽水狀態(tài)試樣的峰值應(yīng)變和泊松比整體上大于自然狀態(tài)的對(duì)應(yīng)值；巖溶灰?guī)r試樣在飽水條件下的縱波波速均明顯高于自然狀態(tài)下的縱波波速，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與縱波波速具有較高的線性相關(guān)性?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，闡述了研究成果在隧道與周邊高壓充填隱伏溶腔間防突巖層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及最小防突厚度確定中的應(yīng)用。

巖溶灰?guī)r：飽水；單軸抗拉強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；縱波波速

中國(guó)在西南地區(qū)修建的長(zhǎng)大巖溶隧道越來(lái)越多，突水涌泥等已成為該地區(qū)隧道修建過(guò)程中多發(fā)的巖溶地質(zhì)災(zāi)害形式[1-2]。渝懷線圓梁山隧道和宜萬(wàn)線馬鹿箐隧道、大支坪隧道等發(fā)生數(shù)次大規(guī)模的突水突泥工程災(zāi)害，給工程施工造成了不利影響[3]。其中，高壓富水充填型隱伏溶腔引起的突水突泥因其事發(fā)突然、難以防范，危害性極大，已成為巖溶區(qū)隧道施工和后期運(yùn)營(yíng)中一個(gè)需要高度關(guān)注的問(wèn)題，隧道與周邊高壓充填隱伏溶腔間防突巖層的穩(wěn)定是避免上述突水類型發(fā)生的核心所在。在施工等多種擾動(dòng)和高水壓耦合作用下防突層的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和最小防突厚度的確定涉及到隧道力學(xué)、水力學(xué)、爆破工程和巖石力學(xué)等多門(mén)專業(yè)知識(shí)，其中防突巖層力學(xué)性質(zhì)的研究是重要的基礎(chǔ)性工作。就巖溶區(qū)灰?guī)r的基本力學(xué)性質(zhì)，研究人員已開(kāi)展了廣泛的研究，李蒼松等[4]以遂渝鐵路桐子林隧道內(nèi)所采取的試樣為例開(kāi)展了巖溶灰?guī)r的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，以及掃描電鏡試驗(yàn)、巖相鑒定和聲發(fā)射。李奎[5]研究了嘉陵江組巖溶灰?guī)r的力學(xué)性質(zhì)及變形規(guī)律，并分析了聲發(fā)射事件和灰?guī)r破壞過(guò)程之間的關(guān)系。石祥峰[6]對(duì)取自貴州玉三高速公路青溪大橋區(qū)域的巖溶灰?guī)r開(kāi)展了單、三軸壓縮試驗(yàn)，分析了巖樣的力學(xué)指標(biāo)和變形特征。武尚等[7]通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)重慶武隆地區(qū)二疊系灰?guī)r的屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系進(jìn)行了探討。郭佳奇等[8]基于試驗(yàn)結(jié)果從能量角度對(duì)自然和飽水狀態(tài)下巖溶灰?guī)r損傷破壞過(guò)程中的能量特征進(jìn)行試驗(yàn)分析；Palchik[9]對(duì)以色列不同地區(qū)的干燥可溶性灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)分布范圍進(jìn)行了研究。這些研究多是在干燥或自然狀態(tài)下開(kāi)展的，而隧道與隱伏溶腔間巖體在突水前往往處于飽和狀態(tài)，故非常有必要開(kāi)展飽水對(duì)巖溶灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)影響的研究。另巖溶區(qū)隧道在役期間防突巖層在列車(chē)荷載等作用下的劣化過(guò)程分析及其穩(wěn)定性演化評(píng)價(jià)常需借助對(duì)巖石水環(huán)境變化具有良好反映的聲波參數(shù)完成。

筆者對(duì)取自宜萬(wàn)鐵路沿線具有代表性的5處地質(zhì)單元的巖溶灰?guī)r試樣開(kāi)展了單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)及超聲波試驗(yàn)，探討飽水對(duì)巖溶灰?guī)r彈性波速與力學(xué)性質(zhì)影響，重點(diǎn)就兩種狀態(tài)下巖溶灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)變化、縱波波速特征、縱波波速與試樣強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與試樣加工

1)試驗(yàn)設(shè)備：?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)均在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150B型巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。超聲波試驗(yàn)通過(guò)TUA2000A型超聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀開(kāi)展，該分析儀是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器，儀器的全部操作都處于其控制管理之下；測(cè)量值、處理結(jié)果、狀態(tài)信息都可以在該檢測(cè)儀的顯像管上顯示出來(lái)，采用的是一種近似于人機(jī)交互的工作方式。該分析儀頻響范圍為1～5 000 kHz，聲時(shí)量程為9 999.9 μs，聲時(shí)分辨率為0.1 μs，聲速量程為9.999 km/s。

2)試樣采集與加工：試樣取自宜萬(wàn)線5處分布有高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道的地質(zhì)單元，A組試樣取自宜萬(wàn)線龍麟宮隧道出口DK232+498.5處；B組試樣取自宜萬(wàn)線云霧山隧道Ⅰ線DK245+680處；C組試樣取自宜萬(wàn)線魯竹壩隧道Ⅱ線DK205+134溶腔附近；D組試樣取自宜萬(wàn)線野三關(guān)隧道Ⅰ線DK124+565處；E組試樣取自宜萬(wàn)線大支坪隧道Ⅱ線DK132+950處。在現(xiàn)場(chǎng)取芯出后立即予以編號(hào)、且進(jìn)行巖芯鑒別和密封處理，利用特制的巖芯木箱將所取試樣運(yùn)送至試樣制備實(shí)驗(yàn)室，嚴(yán)格按照《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10115—98)采用 DQ-4B型巖石自動(dòng)切割機(jī)與 SHM-200B型雙面自動(dòng)磨石機(jī)對(duì)巖樣進(jìn)行加工制備，加工好的部分試樣如圖1所示。單軸壓縮試驗(yàn)和超聲波試驗(yàn)所用試樣尺寸為直徑×高度=50 mm×100 mm，巴西劈裂試驗(yàn)所用試樣直徑為50 mm，高度為直徑的0.77～0.98倍。試樣飽和方法采用自由浸水法。加工完成的巖樣用油性筆按取樣地點(diǎn)統(tǒng)一編號(hào)，取自不同地點(diǎn)的5組試樣分別用A、B、C、D、E表示、其中每組試樣的前3個(gè)為自然狀態(tài)試樣，如A1～A3，后3個(gè)為飽水狀態(tài)試樣，如A4～A6。

圖1 巖溶灰?guī)r試樣Fig.1 Sample of karst limestone

1.2 試驗(yàn)方法

單軸壓縮試驗(yàn)以試樣軸向變形為控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載，軸向位移加載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為0.002 mm/s，軸向1 000 kN傳感器量測(cè)試樣軸向受荷值，測(cè)量精度3‰ F.S.。RMT-150B型巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)系統(tǒng)中單軸壓縮試樣的變形測(cè)試方法，如圖2所示。圖2中軸向5 mm位移傳感器(精度1.5‰ F.S.)通過(guò)軸向位移傳感器夾持架固定在傳感器固定板上用以測(cè)試試件的軸向壓縮變形；因單軸壓縮試驗(yàn)中未根據(jù)測(cè)量垂直油缸行程的行程傳感器的結(jié)果推算試樣軸向變形，同時(shí)軸向位移傳感器接觸的墊塊伸出端并未受力，因此，圖3給出的試件軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線中的軸向應(yīng)變?yōu)閹r石自身的變形。圖2中兩個(gè)量程為2.5 mm的水平向位移傳感器(精度1.5‰ F.S.)通過(guò)橫向安裝座將傳感器固定于安裝板上，用以測(cè)試試樣的橫向膨脹變形。因即使同一地點(diǎn)取樣的同組試件在力學(xué)性質(zhì)個(gè)方面也會(huì)存在差異性，按標(biāo)準(zhǔn)[10]要求每組試樣在自然含水狀態(tài)和飽水狀態(tài)下各進(jìn)行3次試驗(yàn)，共進(jìn)行了5組30次試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)中巖樣變形測(cè)試方法Fig.2 Testing method for specimen deformation

巴西劈裂試驗(yàn)按行程加載方式進(jìn)行試驗(yàn)控制，行程控制速度為0.01 mm/s，垂向100 kN傳感器測(cè)量巖樣垂向力，50 mm傳感器記錄試件徑向壓縮變形。自然和飽水狀態(tài)共進(jìn)行5組30次試驗(yàn)。

巖樣超聲波試驗(yàn)采用TUA2000A型超聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀開(kāi)展，縱波測(cè)試時(shí)將涂好黃油的發(fā)射換能器和接收換能器對(duì)準(zhǔn)試件中心壓密，雙手將換能器壓緊，然后用直達(dá)波法對(duì)試件進(jìn)行縱波檢測(cè)，共進(jìn)行自然和飽水狀態(tài)下30次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 巖溶灰?guī)r試樣應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between axial stress and axial strain for karst limestone

當(dāng)前常借助彈性梁板模型評(píng)估隧道與周邊高壓充填隱伏溶腔間防突巖層穩(wěn)定性或計(jì)算巖層最小防突厚度，該方法僅能就隧道頂部、底部及側(cè)部的隱伏溶腔進(jìn)行討論，且大尺度溶腔與中小尺度溶腔的力學(xué)模型完全相同。針對(duì)隧道與中小尺度隱伏溶腔間巖層簡(jiǎn)化為彈性梁板的不盡合理，文獻(xiàn)[3]采用Schwarz交替法結(jié)合格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了防突巖層穩(wěn)定分析方法。眾所周知，格里菲斯強(qiáng)度理論較適合于壓拉強(qiáng)度差別顯著的脆性材料。根據(jù)自然和飽水狀態(tài)下巖溶灰?guī)r應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的分析結(jié)果及3.2節(jié)的研究，應(yīng)用格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則判定巖層的穩(wěn)定性是合理的。

由圖3和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，在單軸壓縮時(shí)飽水對(duì)巖石的峰值強(qiáng)度有明顯軟化作用，以A組試樣為例分析，該組試樣自然狀態(tài)下峰值強(qiáng)度為120.6～129.2 MPa，變化幅度為 6.7%，平均值為125.1 MPa，飽水后峰值強(qiáng)度為96.2～106.2 MPa，變化幅度為9.4%，平均值為101.2 MPa，試樣的似軟化系數(shù)(飽水狀態(tài)試樣峰值強(qiáng)度平均值與自然狀態(tài)試樣峰值強(qiáng)度平均值的比值)為0.81。自然狀態(tài)試樣的峰值應(yīng)變?yōu)?.346%～0.467%，平均值為0.402%，飽水狀態(tài)下為0.381%～0.432%，平均值為0.404%，飽和試樣的峰值應(yīng)變大于自然狀態(tài)試樣的峰值應(yīng)變。其他幾組巖樣的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變具有類似的特征，限于篇幅不再討論。

飽水除對(duì)巖溶灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變有不同程度的影響外，對(duì)試樣的變形參數(shù)(平均彈性模量、平均泊松比)也有相當(dāng)程度的影響，見(jiàn)圖4。圖中兩種狀態(tài)下巖溶灰?guī)r試樣平均彈性模量和平均泊松比的取值，按照規(guī)范《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)推薦方法計(jì)算得到，即試樣平均彈性模量為軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線上直線段終點(diǎn)相對(duì)起點(diǎn)的軸向應(yīng)力增量與軸向應(yīng)變?cè)隽康谋戎?；試樣平均泊松比為軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線上直線段終點(diǎn)相對(duì)起點(diǎn)的橫向應(yīng)變?cè)隽颗c軸向應(yīng)變?cè)隽康谋戎怠?/p>

圖4 自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)灰?guī)r彈性參數(shù)比較Fig.4 Comparison of elastic parameters of natural and saturated condition

由圖4知，水對(duì)巖溶灰?guī)r試樣的平均彈性模量和平均泊松比均有不同的影響，各組自然狀態(tài)試樣的平均彈性模量明顯較飽和狀態(tài)試樣的平均彈性模量大，飽水狀態(tài)試樣的平均泊松比整體上大于自然狀態(tài)試樣的值。以C組試樣為例，該組自然狀態(tài)試樣的平均彈性模量為47.72～58.14 GPa，平均為52.05 GPa，飽水時(shí)平均彈性模量為30.69～40.51 GPa，平均值為36.96 GPa，降低系數(shù)(飽和狀態(tài)試樣平均彈性模量平均值與自然狀態(tài)試樣平均彈性模量平均值之比)為0.71，表明水飽和后試樣的承載和抗變形能力下降。自然狀態(tài)試樣平均泊松比為0.181～0.234，平均值為0.210，飽水狀態(tài)下平均泊松比0.207～0.270，平均值0.247，降低系數(shù)為1.176，表明水飽和試樣巖樣的環(huán)向變形比軸向變形更為敏感。A組試樣平均彈性模量降低系數(shù)為0.74，平均泊松比降低系數(shù)為1.092；B組試樣平均彈性模量降低系數(shù)為0.72，平均泊松比降低系數(shù)為1.136；D組試樣平均彈性模量降低系數(shù)為0.68，平均泊松比降低系數(shù)為1.056；E組試樣平均彈性模量降低系數(shù)為0.55，平均泊松比降低系數(shù)為1.178。5組試樣平均彈性模量和平均泊松比的降低系數(shù)雖差異較小，但仍反映出試樣單軸抗壓強(qiáng)度和變形參數(shù)降低系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，即強(qiáng)度較高的試樣，水對(duì)其變形參數(shù)的軟化作用較弱。

李利平、莫陽(yáng)春等[12-13]建立了隧道與周邊大尺度富水隱伏溶腔間防突巖層失穩(wěn)的突變模型，基于該模型進(jìn)行防突層穩(wěn)定性分析或計(jì)算其最小安全厚度時(shí)需事先確定巖層的平均彈性模量。巖層相對(duì)完整時(shí)，可直接取用飽水巖溶灰?guī)r的平均彈性模量試驗(yàn)值，否則需利用試驗(yàn)確定的飽水完整試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、模數(shù)比(MR)、巖體擾動(dòng)參數(shù)(D)和地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)計(jì)算巖體的彈性模量[14]。針對(duì)隧道前伏承壓溶腔易誘發(fā)突水涌泥的情況，郭佳奇[3]根據(jù)Reissner厚板理論建立了基于拉破壞的巖墻穩(wěn)定性判據(jù)，并給出了最小安全厚度計(jì)算公式，該判據(jù)需知巖墻巖體平均泊松比、溶腔水壓、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)。巖墻巖體相對(duì)完整時(shí)，可直接取用飽水巖溶灰?guī)r的平均泊松比試驗(yàn)值，否則需利用飽水完整灰?guī)r試樣的平均泊松比、平均彈性模量、巖墻巖體的平均彈性模量和裂隙密度參數(shù)(χ)計(jì)算巖體的平均泊松比[15]。

2.2 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

試樣抗拉強(qiáng)度采用巴西劈裂法測(cè)定。表1給出了自然和飽水狀態(tài)下5組巖溶灰?guī)r試樣巴西劈裂試驗(yàn)的結(jié)果。表1中RT為抗拉強(qiáng)度，KT為抗拉強(qiáng)度的似軟化系數(shù)(飽水狀態(tài)下試樣劈裂強(qiáng)度平均值與自然狀態(tài)下試樣劈裂強(qiáng)度平均值的比值)，且該欄中括弧內(nèi)數(shù)值為該組巖樣在單軸壓縮條件下的似軟化系數(shù)。據(jù)表1可知，水飽和后5組巖溶灰?guī)r試樣的抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出一定程度的降低。以E組試樣為例說(shuō)明，該組試樣自然狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度為 3.706～5.132 MPa，變化幅度為27.78%，平均值為 4.412 MPa。飽水后試樣抗拉強(qiáng)度為2.786～3.158 MPa，變化幅度為11.77%，平均強(qiáng)度為2.992 MPa，抗拉強(qiáng)度的似軟化系數(shù)為0.678。由表1知，巴西劈裂試驗(yàn)條件下巖溶灰?guī)r的似軟化系數(shù)整體上小于單軸壓縮條件下的似軟化系數(shù)，這與文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)論不同，原因有二，該文獻(xiàn)的結(jié)論是基于花崗巖、細(xì)砂巖、凝灰?guī)r等巖石的試驗(yàn)結(jié)果得到的，可能并不適于巖溶灰?guī)r，另外，也有可能是巖溶灰?guī)r從干燥到自然含水狀態(tài)變化時(shí)，單軸壓縮強(qiáng)度減小幅度較巴西劈裂試驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度減小幅度大，有待通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究予以分析驗(yàn)證。

表1 自然和飽水狀態(tài)試樣巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表1知，用于自然和飽水狀態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)的試樣厚徑比大小不一致，因此，有必要就厚徑比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響程度進(jìn)行評(píng)估。以A組巖溶灰?guī)r試樣為例，依據(jù)鄧華鋒等[17]的研究結(jié)論，自然和飽水狀態(tài)試樣厚徑比不同帶來(lái)的差異為7.25%，而由試驗(yàn)結(jié)果知飽水狀態(tài)和厚徑比不同造成的綜合差異為31.79%，厚徑比導(dǎo)致的差異約為總差異的22.81%，B組試樣厚徑比導(dǎo)致的差異約為總差異的19.66%，C組為0.54%、D組為1.45%、E組為0.47%，故可認(rèn)為表1中每組兩種狀態(tài)試樣抗拉強(qiáng)度的差異主要由含水狀態(tài)不同引起的。

巖石抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，即壓拉比具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，結(jié)合3.1節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算5組巖溶灰?guī)r試樣在自然含水狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的壓拉比，自然含水狀態(tài)時(shí)試樣壓拉比分布范圍為16.509～20.478，變化幅度為19.38%，平均值為17.931，飽水狀態(tài)試樣壓拉比的分布范圍為15.684～19.578，變化幅度19.89%，平均值為17.802，自然狀態(tài)下巖樣的平均壓拉比略大于飽水試樣的平均壓拉比。由上述分析知，試驗(yàn)用巖溶灰?guī)r試樣的壓拉比符合文獻(xiàn)[18]和[19]所述的大多數(shù)巖石壓拉比的分布范圍。

當(dāng)前，無(wú)論采用數(shù)值方法或解析方法評(píng)估隧道與高壓富水溶腔間防突巖層(或巖墻)的穩(wěn)定性或計(jì)算其最小安全厚度，巖層的抗拉強(qiáng)度均是不可或缺的重要力學(xué)參數(shù)。當(dāng)防突巖層(或巖墻)巖體相對(duì)完整時(shí)，可直接取用表1中所列的飽水狀態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度，否則需借助Hoek給出的破碎巖體抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式，由本節(jié)確定的飽水完整灰?guī)r試樣的抗拉強(qiáng)度、2.1節(jié)確定的飽水完整試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、Hoek-Brown常數(shù)mb(需借助飽水完整試樣的單軸抗壓強(qiáng)度確定)和s計(jì)算得到。

2.3 超聲波試驗(yàn)結(jié)果與分析

自然和飽水狀態(tài)下5組試樣共30次縱波測(cè)試試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 巖溶灰?guī)r自然和飽水狀態(tài)下縱波波速及其平均值Fig.5 Vp of karst limestone and its mean value under natural and saturated condition

從圖5可以看出，5組試樣在飽水條件下的縱波波速均明顯均明顯高于同組自然狀態(tài)下的縱波波速，究其原因是試樣飽水后水溶液取代了巖樣裂隙中的空氣，彈性波可通過(guò)巖石顆粒與水介質(zhì)的組合體進(jìn)行傳播，繞射現(xiàn)象減少，這樣等同于彈性波通過(guò)巖樣時(shí)“路程”變短，宏觀上表現(xiàn)為彈性波速的增大。A組試樣的縱波波速?gòu)淖匀粻顟B(tài)下的平均值4 865 m/s增至飽水條件下的平均值5 183.3 m/s，平均相對(duì)增量6.54%，B組試樣從自然狀態(tài)下的平均值4 499 m/s增至飽水條件下的平均值5 064 m/s，平均相對(duì)增量12.56%，C組試樣從自然狀態(tài)下的平均值5 018 m/s增至飽水條件下的平均值5 279 m/s，平均相對(duì)增量5.21%，D組試樣從自然含水狀態(tài)下的平均值4 347.7 m/s增至飽水狀態(tài)條件下的彈性波速平均值4 753.3 m/s，平均相對(duì)增量9.33%，E組試樣從自然狀態(tài)下的平均值4 321.3 m/s增至飽水條件下的平均值4 772.3 m/s，平均相對(duì)增量10.44%，自然狀態(tài)下縱波波速高者，飽水后縱波波速增量較小，而波速低者，飽水后波速增量卻相對(duì)較大。

就超聲波試驗(yàn)用的巖溶灰?guī)r試樣而言，飽水后A、B兩組試樣的縱波波速的分散性下降，以A組試樣為例，自然狀態(tài)下彈性波速的方差為23 608.67，飽水后彈性波速的方差為8 233.556，離散性明顯下降，而C、D、E 3組試樣飽水后縱波波速的分散性反而增強(qiáng)，C、D兩組試樣為小幅度增強(qiáng)，但E組試樣分散性增加幅度比較大。

聲波速度的大小在很大程度上取決于巖石試樣的孔隙度和軟硬程度[20]。而巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是試樣軟硬程度的直接體現(xiàn)，試驗(yàn)的試樣強(qiáng)度與縱波波速的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 試樣強(qiáng)度與縱波波速的相關(guān)性Fig.6 Correlation between rock strength and Vp

由圖6知，巖溶灰?guī)r試樣單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與縱波波速具有較高的線性相關(guān)性，巖樣強(qiáng)度隨縱波波速的增大而增大，符合通常認(rèn)為的強(qiáng)度高的巖樣縱波波速大的結(jié)論，這也是利用彈性波波速預(yù)測(cè)巖石或巖體強(qiáng)度的原因。自然和飽水狀態(tài)下巖樣單軸抗壓強(qiáng)度與縱波波速的回歸關(guān)系線的斜率大于抗拉強(qiáng)度與縱波波速的回歸關(guān)系線的斜率，即相同縱波波速增量下，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的增量大于抗拉強(qiáng)度增量，說(shuō)明試樣單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)縱波波速的敏感性更強(qiáng)。從自然和飽水狀態(tài)下試樣單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與縱波波速的回歸關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)來(lái)看，相同狀態(tài)下巖樣單軸抗壓強(qiáng)度與縱波波速的線性相關(guān)性更高一些。

3 結(jié)論

1)單軸壓縮時(shí)自然狀態(tài)試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線峰前整體呈塑彈性的上凹型，而飽水時(shí)峰前整體近似呈塑彈塑性的S型。飽水對(duì)巖石的峰值強(qiáng)度和彈性模量有明顯的軟化作用，飽水狀態(tài)試樣的峰值應(yīng)變和泊松比整體上大于自然狀態(tài)試樣的值。

2)水飽和后巖溶灰?guī)r試樣的抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出一定程度的降低，巴西劈裂試驗(yàn)條件下巖溶灰?guī)r的似軟化系數(shù)整體上小于單軸壓縮條件下的似軟化系數(shù)。

3)試樣在飽水條件下的縱波波速均明顯均明顯高于自然狀態(tài)下的縱波波速，自然狀態(tài)下縱波波速高者，飽水后縱波波速增量較小，而縱波波速低者，飽水后波速增量卻相對(duì)較大。巖溶灰?guī)r試樣單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與縱波波速具有較高的線性相關(guān)性，但單軸抗壓強(qiáng)度與縱波波速的線性相關(guān)性更高一些。

4)飽水狀態(tài)下巖溶灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)的研究是防突巖層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和最小防突厚度計(jì)算的重要基礎(chǔ)和前提?；诋?dāng)前的研究成果，闡述了試驗(yàn)結(jié)果的工程應(yīng)用。

[1] 宋戰(zhàn)平. 隱伏溶洞對(duì)隧道圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2006.

[2] 丁浩，彭振華，程崇國(guó). 通渝隧道涌水突泥災(zāi)害的處治[J]. 隧道建設(shè)，2005，25(Sup1)：42-43.

Ding H，Peng Z H，Cheng C G. Treating of water inrush and mud burst in Tongyu tunnel [J]. Tunnel Construction，2005，25(Sup1)：42-43.(in Chinese)

[3] 郭佳奇. 巖溶隧道防突厚度及突水機(jī)制研究[D]. 北京交通大學(xué)，2011.

[4] 李蒼松，廖煙開(kāi)，谷婷. 巖溶?chē)鷰r力學(xué)特性試驗(yàn)的初步研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(7)：1358-1362，1386.

Li C S，Liao Y K，Gu T. Preliminary study on mechanical property tests for karst rock [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(7)：1358-1362，1386.(in Chinese)

[5] 李奎. 隧道巖溶?chē)鷰r力學(xué)特性的初步研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2005.

[6] 石祥鋒. 巖溶區(qū)樁基荷載下隱伏溶洞頂板穩(wěn)定性研究 [D]. 武漢：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2005.

[7] 武尚，劉佑榮，李世佳. 三軸壓縮條件下灰?guī)r力學(xué)特性試驗(yàn)機(jī)力學(xué)模型研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(3):30-34.

Wu S，Liu Y R，Li S J. Test and models of the mechanical properties of limestone under triaxial compression [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2013，30(3)：30-34.(in Chinese)

[8] 郭佳奇，劉希亮，喬春生. 自然與飽水狀態(tài)下巖溶灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)及能量機(jī)制試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(2)：296-308.

Guo J Q,Liu X L，Qiao C S. Experimental study of mechanical properties and energy mechanism of karst limestone under natural and saturated states [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(2)：296-308.(in Chinese)

[9] Palchik V. On the ratios between elastic modulus and uniaxial compressive strength of heterogeneous carbonate rocks [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2011，44(1)：121-128.

[10] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組. GB/T 50266—99工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

[11] Hoek E，Wood D. Modified Hoek-Brown failure criterion for jointed rock masses [C]//Proc.ISRM.Symposium:Eurock’92,Chester，England，202-214，1992.

[12] 李利平. 高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道突水災(zāi)變演化機(jī)理及其應(yīng)用研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[13] 莫陽(yáng)春. 高水壓充填型巖溶隧道穩(wěn)定性研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2009.

[14] 江學(xué)良，曹平，楊慧，等. 水平應(yīng)力與裂隙密度對(duì)頂板安全厚度的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，40(1)：211-216.

Jiang X L，Cao P，Yang H，et al. Effect of horizontal stress and rock crack density on roof safety thickness of underground area [J]. Journal of Central South University：Science and Technology，2009，40(1)：211-216.(in Chinese)

[15] Hoek E，Brown E T. Practical estimates of rock mass strength [J]. Internal Journal of Rock Mechanics and Mining Science,1997,34(8)1165-1186.

[16] 尤明慶，蘇承東. 平臺(tái)巴西圓盤(pán)劈裂和巖石抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(18)：3106-3112.

You M Q，Su C D. Experimental study on split test with flattened disk and tensile strength of rock [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(18)：3106-3112.(in Chinese)

[17] 鄧華鋒，李建林，朱敏，等. 圓盤(pán)厚徑比對(duì)巖石劈裂抗拉強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(4)：792-798.

Deng H F，Li J L，Zhu M，et al. Research on effect of disc thickness-to-diameter ratio on splitting tensile strength of rock [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(4)：792-798.(in Chinese)

[18] Okubo F，F(xiàn)ukui K. Complete stress-strain curves for various rock types in uniaxial tension [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1996，33(6)：549-556.

[19] 尤明慶. 關(guān)于“硬巖巴西劈裂法試驗(yàn)誤差影響率分析”的討論[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(4)：621-622.

You M Q. Discussion on “Analysis of influence on errors in brazilian test of hard rock” [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(4)：621-622.(in Chinese)

[20] 陳旭，俞縉，李宏，等. 不同巖性及含水率的巖石聲波傳播規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2013，34(9)：2527-2533.

Chen X，Yu J，Li H，et al. Experimental study of propagation characteristics of acoustic wave in rocks with different lithologies and water contents [J]. Rock and Soil Mechanics，2013，34(9)：2527-2533.(in Chinese)

(編輯 胡英奎)

Influence of water-saturated state on mechanical properties and longitudinal wave velocity of karst limestone

GuoJiaqi，XuZilong，LiHongfei
(School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan，P. R. China)

In order to investigate the influence of saturation on mechanical properties and longitudinal wave velocity of karst limestone，the experiment to on the mechanical property and the elastic wave velocity of karst limestone under natural and saturated condition was conducted. The results are as follows: Saturation has a significant influence on the softening of uniaxial compressive strength，tensile strength and elastic modulus of karst limestone，and peak strain and poisson’s ratio of saturated sample are larger than corresponding values of natural specimen on the whole.The longitudinal wave velocity of water-saturated sample is significantly higher than that under natural condition，and the uniaxial compressive strength and tensile strength of specimen under two condition have a significant linear relationship with elastic wave velocity. Based on the current studies，he results are used to assess the stability of rock pillar between tunnel and concealed karst cave with high pressurized water，and calculate the minimum anti-inrush thickness.

Karst limestone; saturation; uniaxial compressive strength; tensile strength; longitudinal wave velocity

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.010

2014-10-20 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(50978018)；河南理工大學(xué)博士基金(B2012-016)

郭佳奇(1981- )，男，博士，主要從事隧道與地下工程研究，(E-mail)gjq519@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 50978018);Doctoral Foundation of Henan Polytechnic University(No. B2012-016)

TU443

A

1674-4764(2015)02-0060-07

Received：2014-10-20

Author brief：Guo Jiaqi(1981-), PhD, main research interest:tunnel and underground engineering,(E-mail)gjq519@163.com.