汪沖+郭永成+唐樂(lè)+朱千凡

摘要：裂隙巖體的孔隙水壓力對(duì)于庫(kù)岸邊坡巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有著重要的影響。在許多邊坡工程當(dāng)中都會(huì)遇到循環(huán)孔隙水壓力的問(wèn)題，本文簡(jiǎn)單地介紹了裂隙巖體孔隙水壓力的形成，同時(shí)采用三軸流變儀對(duì)砂巖進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和循環(huán)孔隙水壓作用試驗(yàn)。將兩個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)水壓循環(huán)作用后，砂巖在不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的下降，說(shuō)明循環(huán)孔隙水壓對(duì)裂隙砂巖的強(qiáng)度造成了影響。同時(shí)，不同的圍壓砂巖強(qiáng)度的下降幅度不同，圍壓越大，抗壓強(qiáng)度下降的幅度越小，這說(shuō)明圍壓的大小能對(duì)循環(huán)水壓作用下的裂隙巖體穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：裂隙巖體；孔隙水壓；循環(huán)；巖體強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）30-0159-03

0引言

庫(kù)岸邊坡長(zhǎng)期以來(lái)的水位變化形成了一種循環(huán)的孔隙水壓力，這種循環(huán)的孔隙水壓力不斷地作用于邊坡巖體，破壞了邊坡巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響了邊坡及地基的穩(wěn)定性，因此引起了人們對(duì)孔隙水壓力作用下的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題的高度重視。循環(huán)孔隙水壓力對(duì)邊坡巖體穩(wěn)定性的影Ⅱ向主要通過(guò)循環(huán)地對(duì)巖體裂隙施加水壓力，破壞巖體的力學(xué)性能。目前國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者對(duì)水壓循環(huán)進(jìn)行過(guò)研究，許江等利用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)砂巖進(jìn)行三軸等圍壓情況下的循環(huán)孔隙水壓力實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)孔隙水壓力作用機(jī)理進(jìn)行了分析，得出循環(huán)孔隙水壓力2個(gè)階段的作用機(jī)制。許江、王鴻（2006）等對(duì)不同加載速率、不同水飽和度、不同載荷水平時(shí)循環(huán)荷載作用下細(xì)砂巖的變形特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。黃仕超等對(duì)循環(huán)孔隙水壓力下的混凝土力學(xué)特性進(jìn)行過(guò)研究，得出了循環(huán)孔隙水壓次數(shù)與混凝土峰值應(yīng)力變化的關(guān)系。張民生等對(duì)循環(huán)水壓作用下粉土滲流進(jìn)行了研究，模擬了粉土在循環(huán)水壓下的滲流過(guò)程，對(duì)粉土在循環(huán)水壓下的滲流做出了分析。

由于邊坡巖體自身結(jié)構(gòu)和所賦存環(huán)境的復(fù)雜性，邊坡巖體的穩(wěn)定一直是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，而循環(huán)孔隙水壓力是影響巖體穩(wěn)定重要因素之一。因此，本文擬就循環(huán)孔隙水壓對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響展開(kāi)分析研究。

1孔隙水壓力的基本概念

隨著庫(kù)水位周期性的漲落，地下水對(duì)邊坡巖體施加孔隙水壓力作用，當(dāng)水位突然上升時(shí)，邊坡下部表面首先被淹沒(méi)，但是表面被淹沒(méi)的巖體內(nèi)部裂隙此時(shí)并未充滿(mǎn)水，這樣巖體內(nèi)外就形成了一個(gè)壓力差，直到所有裂隙被充滿(mǎn)水，巖體內(nèi)部與外部水位線(xiàn)一致時(shí)，這個(gè)壓力差消失。當(dāng)庫(kù)水位突然下降時(shí)，邊坡表面的水位首先下降，但是巖體內(nèi)部的水位，會(huì)相對(duì)的滯后，在這個(gè)過(guò)程中巖體內(nèi)部水位要高于外部水位，這樣在巖體中就形成一個(gè)孔隙水壓力。同時(shí)，對(duì)于巖體而言，完整巖塊的滲透率是極低的，但是裂隙巖石的滲流往往非常明顯，不同的裂縫寬度會(huì)產(chǎn)生不同的滲透率，而不同滲透率差異在巖體內(nèi)部也會(huì)形成了孔隙水壓力。在工程建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到孔隙水壓力作用于裂隙巖體的問(wèn)題，當(dāng)孔隙水壓力作用于裂隙處時(shí)，巖體的強(qiáng)度就會(huì)降低，這將導(dǎo)致邊坡巖體的穩(wěn)定性降低，容易引發(fā)庫(kù)岸邊坡災(zāi)害。

2孔隙水壓力影響裂隙巖體的形式

裂隙巖體賦存在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中，其中孔隙水就是影響巖體力學(xué)性能的主要因素之一，孔隙水與巖體之間相互作用、相互影響，改變著巖體的物理，化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。而同時(shí)巖體性質(zhì)的改變也影響著孔隙水的物理、化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組分。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們通過(guò)大量的工程實(shí)踐了解到孔隙水壓力對(duì)巖體強(qiáng)度的影響主要為巖體中的孔隙水對(duì)巖體的物理化學(xué)作用和力學(xué)作用。就物理化學(xué)作用來(lái)說(shuō)，巖體的孔隙水主要通過(guò)潤(rùn)滑、溶解、侵蝕、凍融等多種水巖作用，使巖體的礦物顆粒間的粘結(jié)力減弱、摩擦力降低，最終導(dǎo)致巖體發(fā)生膨脹、崩解、易溶巖溶解和裂隙面上的填充物發(fā)生變形和位移，改變巖體的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)，由于滲透的作用，水分子與巖體中的礦物顆粒直接接觸發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，孔隙水與巖體直接進(jìn)行離子交換、水解反應(yīng)，擴(kuò)大巖體的裂隙，使巖體發(fā)生膨脹和斷裂，從而使巖體的強(qiáng)度降低。大自然中的巖體內(nèi)部都存在著大量的裂紋，這些裂紋的存在，大大降低了巖體的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度及彈性模量。巖體中的孔隙水主要通過(guò)孔隙水壓力對(duì)巖體內(nèi)部裂隙的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行影響。在孔隙水壓力的作用下，孔隙水在巖體的裂隙中運(yùn)動(dòng)對(duì)巖體施加了切向的體積力，使巖體中的顆粒物質(zhì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而破壞巖體結(jié)構(gòu)、降低巖體強(qiáng)度。

孫光永等曾提出過(guò)孔隙水對(duì)巖體的裂隙壁施加兩種力，垂直的靜水壓力和平行的動(dòng)水壓力。并通過(guò)材料力學(xué)知識(shí)、運(yùn)用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則計(jì)算出當(dāng)巖體浸入水中時(shí)，由于孔隙水壓力的作用，巖體的抗剪強(qiáng)度降低值為：

而梁堯詞等通過(guò)試驗(yàn)得出流動(dòng)的孔隙水壓力會(huì)使巖體的裂隙寬度增加，裂隙壁受到流動(dòng)的孔隙水壓力的作用，使巖體顆粒之間相互擠壓，從而導(dǎo)致巖體的寬度變大，對(duì)巖體的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

3循環(huán)孔隙水壓與裂隙巖體變形

巖石是一種由多種礦物成分組成的多孔隙復(fù)雜材料，其內(nèi)部存在著大量微觀缺陷，例如微孔隙、微裂隙等。在工程地質(zhì)環(huán)境中，巖石的變形特性和破壞特征不僅與其本身的性質(zhì)相關(guān)，還與所處地質(zhì)環(huán)境密不可分。大量水利工程大都建立在水資源豐富的地帶，經(jīng)常承受水的沖刷，這會(huì)引起邊坡巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化，不利于工程的穩(wěn)定性。解決這類(lèi)問(wèn)題的核心就是必須對(duì)循環(huán)孔隙水壓力與裂隙巖體變形的關(guān)系十分了解。在實(shí)際的邊坡工程當(dāng)中，庫(kù)區(qū)邊坡巖體是直接與水進(jìn)行接觸的，因此巖體經(jīng)常會(huì)遇到循環(huán)孔隙水壓力的作用，由于對(duì)缺少足夠的認(rèn)識(shí)和研究，因此也造成過(guò)許多嚴(yán)重的工程事故。從目前國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)看，大多數(shù)學(xué)者的試驗(yàn)研究主要集中在應(yīng)力-滲流耦合方面，對(duì)水壓循環(huán)作用下巖石力學(xué)特性的研究相對(duì)較少。因此利用三軸流變儀進(jìn)行水壓循環(huán)作用下巖石力學(xué)特性的研究具有重要意義。

試驗(yàn)巖石取自三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸邊坡巖石，均一程度較高，然后利用實(shí)驗(yàn)室配備的鉆孔取芯機(jī)和切割機(jī)將其制成高度100mm×直徑50mm的圓柱體。

進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)以得到試樣的抗壓強(qiáng)度。endprint

常規(guī)三軸試驗(yàn)中，以0.1MPa/s的速率對(duì)巖樣施加不同圍壓，然后再以0.005mm/s速率施加軸壓至巖樣破壞，得到不同圍壓條件下的巖石的抗壓強(qiáng)度（如表1所示）。

循環(huán)孔隙水壓作用試驗(yàn)。

三峽庫(kù)區(qū)水位常年發(fā)生變化，一般最高水位為175m，最低為145m，為了接近工程實(shí)際情況，因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)水壓為0.3MPa。試驗(yàn)儀器采用三軸流變儀（如圖1所示），以0.1MPa/s的速率對(duì)試樣施加與常規(guī)三軸試驗(yàn)相同的圍壓（5MPa、10MPa、15MPa、20MPa），待圍壓施加完且穩(wěn)定后對(duì)砂巖試樣以0.01MPa/min的速率施加0.3MPa的水壓，以模擬水頭為30m的消落帶水位的穩(wěn)定上升階段，待水壓達(dá)到0.3MPa后，穩(wěn)定30min，以模擬庫(kù)水位正常蓄水的相對(duì)穩(wěn)定階段，再以0.01MPa/min的速率將水壓由0.3MPa降為0，以模擬庫(kù)水位降低的階段，然后重復(fù)上述過(guò)程4次，穩(wěn)定30min，以0.005mm/s的速率加載軸向荷載至試件破壞。

砂巖試樣經(jīng)過(guò)水壓循環(huán)作用后的抗壓強(qiáng)度如表2所示，抗壓強(qiáng)度劣化程度如表3所示，試樣的抗壓強(qiáng)度曲線(xiàn)圖如圖2所示。

從表1、表2及圖2可以看出砂巖試樣的抗壓強(qiáng)度在有無(wú)水壓循環(huán)作用時(shí)完全不同，在沒(méi)有水壓循環(huán)作用時(shí)，砂巖在圍壓為5MPa、10MPa、15MPa、20MPa時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為145.3MPa、163.8MPa、202.7MPa、237.5MPa。在水壓循環(huán)作用后各圍壓下的抗壓強(qiáng)度分別為99.4MPa、117.6MPa、155.3MPa、190.7MPa。在經(jīng)過(guò)水壓循環(huán)作用后，砂巖在不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的下降，說(shuō)明循環(huán)孔隙水壓對(duì)裂隙砂巖內(nèi)部造成了損傷，影響了抗壓強(qiáng)度。

從表3可以看出在水壓循環(huán)過(guò)程中，砂巖試樣的抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)圍壓有關(guān)，在圍壓為5MPa、10MPa、15MPa、20MPa時(shí)，劣化度分別為31.6%、28.2%、23.4%、19.7%，可以看出試驗(yàn)所加的圍壓越大，砂巖的劣化程度就越低，說(shuō)明水壓循環(huán)作用對(duì)裂隙砂巖內(nèi)部的損傷情況與圍壓有明顯的關(guān)系，所加圍壓越低砂巖損傷的越明顯。

4結(jié)論與展望

本文對(duì)裂隙砂巖進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和循環(huán)孔隙水壓試驗(yàn)，通過(guò)兩個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比可以得出，裂隙砂巖試樣在循環(huán)孔隙水壓力作用后，砂巖在不同圍壓條件下的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了下降，說(shuō)明循環(huán)孔隙水壓對(duì)裂隙砂巖內(nèi)部造成了損傷了，影響了砂巖的強(qiáng)度。同時(shí)，在不同圍壓條件下，砂巖抗壓強(qiáng)度的下降幅度呈現(xiàn)不同的情況，圍壓越大，抗壓強(qiáng)度下降的幅度越低，這說(shuō)明圍壓越大越能維持裂隙巖體內(nèi)部的穩(wěn)定。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)邊坡巖體的特性做了大量的研究，也取得了很多有價(jià)值的理論研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，但是關(guān)于水壓循環(huán)對(duì)巖體的影響方面的研究程度還不夠研究成果也較少。另外，本文只研究了循環(huán)水壓對(duì)巖體力學(xué)性能的影響，而水壓循環(huán)的次數(shù)對(duì)巖體性能的影響沒(méi)有進(jìn)行研究。因此隨著研究的不斷深入，水壓循環(huán)對(duì)邊坡巖體的影響將具有重大的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。同時(shí)由于庫(kù)岸邊坡巖體自身結(jié)構(gòu)和所賦存環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致有關(guān)邊坡巖體特性的研究還不夠全面，但是庫(kù)岸邊坡問(wèn)題是目前很多工程中的重點(diǎn)問(wèn)題，邊坡巖體的穩(wěn)定直接關(guān)系到工程的安全，所以應(yīng)該引起足夠的重視。endprint