李 剛

(赫章縣水投水務(wù)有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 553208)

1 概 述

隨著我國(guó)基建項(xiàng)目的增加，新建了大量大型的地下硐室、水利工程、跨海大橋等基礎(chǔ)工程，因此水巖作用下引起的基礎(chǔ)工程安全問(wèn)題逐漸增多。1976年，美國(guó)Teton土壩崩塌，原因是大量降雨導(dǎo)致岸坡壩段齒槽底土體松軟和不利地質(zhì)條件對(duì)槽底松土產(chǎn)生管涌。1961年，湖南柘溪水庫(kù)也因?yàn)榻涤陮?dǎo)致事故發(fā)生。因此，對(duì)水-巖作用下庫(kù)岸邊坡巖石的研究迫在眉睫。

目前，越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注到水作用下的巖石工程安全問(wèn)題，也因此取得了較為豐碩的成果[1-3]。陳騰飛等[4]通過(guò)大三軸試驗(yàn)對(duì)紅砂巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行討論，研究了飽水和高溫等敏感參數(shù)對(duì)紅砂巖聲學(xué)力學(xué)性質(zhì)的影響。鄧華鋒等[5]通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)紅砂巖進(jìn)行分析，著重分析了飽水度的影響，研究表明飽水度對(duì)紅砂巖縱波波速及強(qiáng)度有顯著影響。李天斌等[6]通過(guò)單軸、三軸試驗(yàn)對(duì)紅砂巖進(jìn)行研究，分析了不同含水率作用下紅砂巖的能量機(jī)制。孫彥峰等[6]基于試驗(yàn)方法，對(duì)紅砂巖蠕變特性進(jìn)行研究，分析了含水率和圍壓等相關(guān)敏感參數(shù)的影響。綜上，本文針對(duì)某水利工程庫(kù)岸邊坡紅砂巖進(jìn)行水-巖作用下庫(kù)岸邊坡巖石基本試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)設(shè)備及試樣制備

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文研究所用的試驗(yàn)儀器為T(mén)FD-2000微機(jī)伺服控制巖石三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)和巖石雙軸流變測(cè)試儀，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 巖石雙軸流變測(cè)試儀

圖2 TFD-2000 微機(jī)伺服控制巖石三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)

TFD-2000試驗(yàn)機(jī)包括汽泵、軸壓控制柜、冷水機(jī)、圍壓控制柜、油泵、電控箱等。該試驗(yàn)機(jī)水壓最大可達(dá)80 MPa，圍壓最大可達(dá)110 MPa，軸向應(yīng)力最大可達(dá)1 800 kN。

2.2 試樣制備

本次實(shí)驗(yàn)所選用的巖石均為紅砂巖。實(shí)驗(yàn)所用試樣均嚴(yán)格按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取樣，以避免試件各向異性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)巖石取芯機(jī)對(duì)紅砂巖進(jìn)行取芯，再通過(guò)磨平機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行切割打磨至標(biāo)準(zhǔn)尺寸。圓柱體試樣尺寸為直徑5 cm，高度10 cm。試樣及裝樣見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 巖石試樣

圖4 巖石裝樣

3 試驗(yàn)步驟

本文主要研究巖石試樣不同含水率對(duì)紅砂巖在強(qiáng)度和變形方面的影響。對(duì)紅砂巖試驗(yàn)分別進(jìn)行干燥、天然及飽和狀態(tài)下的單軸和三軸試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟如下：

1)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量，記錄下尺寸和重量。

2)分別制備3種不同狀態(tài)試樣。

3)對(duì)部分巖石試樣進(jìn)行聲波測(cè)試試驗(yàn)，以得到波速試驗(yàn)結(jié)果。

4)將試樣放置于三軸試驗(yàn)儀上，對(duì)其進(jìn)行圍壓加載至目標(biāo)值，隨后施加軸向力直至試樣破壞。加載速度控制在5×10-3mm/min。

5)試驗(yàn)結(jié)束后，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并取出試樣。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 對(duì)巖石變形的影響

本次實(shí)驗(yàn)施加4種不同圍壓分別對(duì)干燥、天然及飽和狀態(tài)進(jìn)行加壓，4種圍壓分別為0、5、10和15 MPa。試驗(yàn)得到試樣干燥、天然及飽和狀態(tài)下的泊松比、彈性模量等，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 干燥、天然及飽和狀態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，當(dāng)施加的圍壓為0 MPa時(shí)，干燥、天然及飽和狀態(tài)下試樣的抗壓強(qiáng)度分別為73.50、68.17和34.63 MPa。當(dāng)施加的圍壓為15 MPa時(shí)，干燥、天然及飽和狀態(tài)下試樣的抗壓強(qiáng)度分別為117.31、100.26和83.01 MPa。干燥狀態(tài)下試樣在圍壓為0 MPa時(shí)的彈性模量為20.29 GPa，此時(shí)從干燥狀態(tài)到天然狀態(tài)，彈性模量減小7.55 GPa；從天然狀態(tài)到飽和狀態(tài)，減小2.49 GPa?？梢?jiàn)，試樣抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力和彈性模量均隨著含水量的增大而減小。但紅砂巖的泊松比隨著含水量的增大而增大。另外，3種不同含水狀態(tài)下，紅砂巖的抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力和彈性模量均隨著圍壓的增大而增大，但增大幅度逐漸減小。泊松比隨圍壓總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖5為干燥、天然及飽和狀態(tài)下試樣的應(yīng)力隨應(yīng)變的變化曲線。由圖5中可以看出，當(dāng)試樣含水率一樣時(shí)，隨著圍壓的增大，試樣最大應(yīng)力也隨著增大，且最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也隨著圍壓的增大而增大。當(dāng)圍壓增大到屈服強(qiáng)度時(shí)，試樣將產(chǎn)生不可逆的變形，試樣逐漸表現(xiàn)出延性的變形特征。當(dāng)圍壓較小時(shí)，試樣的最大應(yīng)力減小，變形擴(kuò)容特征愈加顯著，這是由于對(duì)試樣的側(cè)向約束少。當(dāng)試樣受到的圍壓大時(shí)，試樣的橫向變形受到限制，顯著增大了極限承載力。試樣最大應(yīng)力也隨著試樣含水率的增加顯著減小。

圖5 不同含水率下應(yīng)力應(yīng)變曲線

4.2 對(duì)巖石強(qiáng)度的影響

分析巖石強(qiáng)度特征通常參考下列指標(biāo)：抗剪強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度等。巖石強(qiáng)度特征在不同含水率下也表現(xiàn)出不同，破壞形態(tài)亦如此。試樣強(qiáng)度隨著含水率增大先緩慢減小，隨后顯著降低。干燥和天然狀態(tài)下的試樣表現(xiàn)出相似的強(qiáng)度特征。低含水率的試樣脆性特征更加明顯，更易破壞。

庫(kù)倫準(zhǔn)則可較好地描述強(qiáng)度特征。庫(kù)倫準(zhǔn)則公式表述為σ1=A+Bσ3，其中σ1為峰值應(yīng)力，σ3為圍壓。A和B為與內(nèi)摩擦角和黏聚力有關(guān)的強(qiáng)度參數(shù)：

由上式可得黏聚力和內(nèi)摩擦角：

用庫(kù)倫準(zhǔn)則對(duì)試樣的波速試驗(yàn)結(jié)果(表2)進(jìn)行處理得到試樣相關(guān)強(qiáng)度參數(shù)，見(jiàn)表3。圖6為試樣最大應(yīng)力與圍壓的關(guān)系圖。

表2 不同含水率下試樣的波速試驗(yàn)結(jié)果

表3 不同含水率下試樣的強(qiáng)度參數(shù)表

圖6 不同含水率下最大應(yīng)力與圍壓的關(guān)系曲線

從表2可以看出，隨著試樣含水率的增加，試樣的波速逐漸增大。從表3和圖6可以看出，天然狀態(tài)下試樣的內(nèi)摩擦角相較于干燥狀態(tài)下的試樣減小約1.5%，黏聚力減小約21%。飽和狀態(tài)下的黏聚力和內(nèi)摩擦角相比于天然狀態(tài)下的試樣也減小?？梢?jiàn)，試樣內(nèi)摩擦角和黏聚力隨著含水率的增大而逐漸減小。

圖7為不同狀態(tài)下試樣三軸壓縮包絡(luò)線。莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線能很好地解釋試樣在三軸壓縮試驗(yàn)的強(qiáng)度指標(biāo)。由圖7可以看出，3種含水率狀態(tài)下試驗(yàn)應(yīng)力曲線正好與莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線相切。

圖7 不同狀態(tài)下試樣三軸壓縮包絡(luò)線

5 結(jié) 論

本文利用TFD-2000 微機(jī)伺服控制巖石三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)和巖石雙軸流變測(cè)試儀，對(duì)紅砂巖分別進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，得到不同含水率下紅砂巖試樣的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、三軸強(qiáng)度參數(shù)等結(jié)果。主要結(jié)論如下：

1)紅砂巖含水率對(duì)紅砂巖的波速、彈性模量、泊松比等有顯著影響。隨著紅砂巖含水率的增大，紅砂巖的波速逐漸減小；反之，紅砂巖彈性模量和泊松比逐漸增大。

2)紅砂巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大均逐漸減小。天然狀態(tài)下紅砂巖試樣的黏聚力比干燥狀態(tài)下減小約21%，內(nèi)摩擦角減小約1.5%。

3)紅砂巖的抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增大逐漸減小，飽和狀態(tài)下試樣的抗壓強(qiáng)度小于干燥和飽和狀態(tài)下的試樣。