工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1449-1454   (2470 KB)    
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  • 收稿日期:2016-11-15
  • 收到修改稿日期:2017-03-07
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    饱水条件下千枚岩软化效应试验分析
    赵建军, 解明礼, 李涛, 谭盛宇①②, 巨能攀, 步凡    
    ① 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学) 成都 610059;
    ② 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院 成都 610041
    摘要:水岩作用是造成水库岸边坡岩体强度劣化的主要因素,尤其对于千枚岩这类特殊性岩体,遇水时强度劣化现象尤为明显。本文以某边坡千枚岩为研究对象,设计了在不同饱水条件下的岩石常规三轴压缩试验,并综合分析试验结果随饱水时间变化规律。研究结果表明:千枚岩与水作用反应强烈,前60d岩石力学参数随饱水时间增加呈近线性降低,至70d逐渐趋于稳定,岩石变形逐渐由弹性变形为主演变为塑性变形为主;各参数劣化规律具有明显的时效性与非均匀性,随饱水时间增长,总体衰减幅度呈先增加后减小,最终趋于平稳的趋势;根据破裂面的剪切破坏模式,得出岩石饱水是一种从微观到宏观的累计损伤过程。该研究成果对于研究水库岸边坡岩体力学性质变化规律具有一定的参考价值。
    关键词千枚岩    水岩作用    三轴压缩试验    剪切破坏    力学参数变化    
    SOFTENING EFFECT OF PHYLLITE WITH WATER SATURATION
    ZHAO Jianjun, XIE Mingli, LI Tao, TAN Shengyu①②, JU Nengpan, BU Fan    
    ① State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection(Chengdu University of Technology), Chengdu 610059;
    ② Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning Survey, Design and Research Institute, Chengdu 610041
    Abstract: Water-rock interaction is a main factor that weakens the rock mass strength of reservoir bank slope. Weaken strength for phyllite is especially obvious physical reacting with water. Taking the phyllite of a slope as example, this paper designs conventional triaxial compression tests under different saturated conditions and studies strength change law with saturated time. Results are obtained as follows:(1)the interaction between phyllite and water is strong. The rock strength parameters gradually decrease with the increase of water saturation time. For the first 60 days, the rock mass parameters linearly decrease with saturated time and tend to stable at 70 days. The mechanism gradually evolves elastic deformation to plastic deformation.(2)Weaken law of parameters shows obvious heterogeneity. The weaken degree is first large and then small, and finally tends to be stable.(3)According to shear failure mode, rock saturation is a cumulative process that from micro to macro. To sum up, the results of this paper have a certain reference value for studying the change law of mechanical property for rock mass of reservoir bank slopes.
    Key words: Phyllite    Water-rock Interaction    Triaxial compression test    Shear failure    Changing of mechanical parameters    

    0 引言

    在水的作用下岩石的性质将会发生变化,尤其对于某些特殊的软岩:天然状态下坚硬完整,但遇水后膨胀、崩解和软化,岩石的力学性质将快速大幅度降低(周翠英等,2005Okubo et al., 2010)。岩石性能的衰减是在一系列复杂的化学、力学腐蚀作用过程中形成的(Peak,1977何满潮等,2002)。对于水对岩石物理力学性质影响研究,最早在1969年,Amos和Gene Simmons通过对干燥与饱水岩石进行波速试验,得出饱水岩石纵波波速明显降低而横波波速未发生变化。此后,在室内试验的基础上,White et al.(1989)王俐等(2006)从岩石含水量角度出发,研究了水对岩石力学性质的影响。刘长武等(2000)杨春和等(2006)采用微观分析与宏观分析相结合的方法,探讨了泥页岩微观结构的变化与宏观力学性质方面的联系。汤连生等(2002)从水岩化学反应角度探讨了花岗岩、灰岩与红砂岩3种岩石水化学损伤机制及对水岩反应的力学效应进行了定量分析,提出岩石水化学损伤的层次分区性。刘镇等(2011)周翠英等(2015)通过对砂岩进行试验测试,探讨了岩石在水作用下微观结构的变化规律。邓华锋等(2012)通过模拟岩石在干湿循环条件下作用过程,分析了砂岩性能随着“饱水-风干”循环作用次数的增加而降低的成因机制。苗胜军等(2016a, 2016b)基于自然干燥状态下岩石在不同类型的水化学溶液侵蚀作用,进行了一系列力学试验,对比分析了岩石变形以及参数的变化规律。这些研究工作对正确认识水对岩石物理力学性质的影响奠定了良好的基础。

    千枚岩对于水的作用反应较为敏感,但针对其饱水过程中性质变化的系统研究较少。现有研究中仅仅针对千枚岩力学性质进行研究。Garzon et al.(2010)在对千枚岩进行相关物理、力学试验的基础上,研究了其矿物成分、强度等特性。孙萍等(2010)探讨了天然与饱水状态下千枚岩自身微观结构及宏观力学性质差异。郑达等(2011)利用扫描电镜与力学试验的测试手段揭示了千枚岩微观破裂形式、破裂机理与其矿物组成之间的联系。鉴于此,本文以某水电边坡广泛分布的千枚岩为研究对象,结合岩石赋存条件,依托常规三轴压缩试验结果,研究千枚岩在不同饱水时间条件下岩石强度的变化规律,为研究水库蓄水对边坡岩体力学性质影响提供理论依据。

    1 千枚岩饱水试验设计

    本试验目的在于研究千枚岩在不同饱水时间条件下力学性质的变化规律,选取某水电站库区广泛分布的浅表部新鲜千枚岩为研究对象。根据岩石薄片鉴定,所取岩样中石英呈碎屑颗粒状,含量约30%,不均匀分布;绢云母占据绝对优势,含量约60%,定向排列;长石约5%,含量较少;另有少量钙质物质,为方解石(图 1)。为保证试验条件相同,均制备平行层理的岩样27个,岩样尺寸为50×100mm。将岩样置于饱水环境下进行饱水,包括以下状态:天然状态、饱水10d、20d、30d、40d、50d、60d、70d与90d,饱水方法为自由浸泡法,并每隔24h称重1次。测定结果显示饱水10d后试样质量变化幅度较小,说明饱水10d后试样已饱和。每完成一个阶段饱水,采用MTS815程控伺服岩石力学试验机进行围压5MPa、10MPa和15MPa的岩石常规三轴压缩试验。

    图 1 千枚岩磨片显微照片 Fig. 1 The micrograph of phyllite

    试验主要过程分为以下3步:(1)采用力控制方式,以0.5MPa·s-1的加载速率施加围压值,并使围压在试验过程中始终保持常数;(2)在达到预定围压值后,稳压20s,然后以0.1mm ·min-1的加载速率施加轴向压力,直至试件完全破坏,破坏后的控制方式为位移控制;(3)根据计算的峰值强度及相应施加的围压值,采用莫尔-库仑强度准则确定岩石三轴应力状态下的抗剪强度参数。

    2 岩石破坏特征分析

    图 2为部分岩样在围压15MPa条件下的最终破裂模式。观察岩样正面与背面的破裂形态,岩样前后两面的破裂模式基本一致,说明岩石非均质性对试验结果影响较小,因此在后续分析中,只讨论单面破裂模式。观察各种条件下岩样的破裂模式,不同饱水状态下岩样受压破坏模式均为剪切破裂,破裂面大致沿岩样对角线贯通。

    图 2 不同工况下岩样破裂模式 Fig. 2 Different rock crack modes

    综合分析岩样破裂模式,可明显观察出岩样在相同围压下随饱水时间增长,岩样受压破坏后变得更加松散破碎。由岩样破裂面的局部放大图可见,剪切破裂带断面呈明显的滑移现象,断面上可以观察到摩擦粉末,这种现象在天然状态下与饱水初期尤为明显,剪切面出现大量粉末且光滑,随着饱水时间的增长,破裂面表面岩粉逐渐减少,至饱水90d时岩粉量明显降低,矿物颗粒增多且剪切破坏面较粗糙。

    根据试验现象分析,饱水初期,岩石内部处于一个相对密实状态,矿物颗粒相互黏结,凹凸不平,剪切面的形成主要以矿物颗粒的错动、剪断为主,颗粒之间的摩擦较大,颗粒破碎严重,因此产生大量岩粉。而当饱水一段时间后,岩石内部的矿物与水发生物理化学反应,岩屑等减少产生次生孔洞,同时不规则矿物发生磨圆效应,因此剪切破裂面的形成以矿物颗粒的滚动、滑动为主,因此产生较少的岩屑,矿物颗粒反而增多,破裂面表面变得粗糙。

    3 千枚岩力学性质弱化规律
    3.1 应力-应变曲线变化特征

    根据试验设计方案进行岩石不同饱水状态下的常规三轴试验,统计各个试样破裂时峰值应力(表 1)。图 3为围压15MPa条件下的岩石4种饱水状态下的全过程应力-应变曲线,各曲线变化按照变形性质分为5段,即压密阶段(OA)、弹性变形阶段(AB)、塑性变形阶段(BC)、岩石破坏阶段(CD)、残余变形阶段(DE)。

    表 1 峰值应力结果表(MPa) Table 1 Peak stress result table(MPa)

    图 3 围压15MPa下应力-应变曲线 Fig. 3 Stress-strain curve under confining pressure 15MPa

    以轴向应力峰值C点为界,岩石压缩破坏过程应力-应变曲线可划分为峰值前阶段与峰值后阶段,本文主要讨论饱水对岩石强度影响,因此本文仅讨论峰值前变化阶段,对比分析3种饱水状态下的应力-应变曲线,可得:(1)随着饱水时间的增长,峰值应力逐渐下降;(2)岩石的压密阶段随着饱水时间逐渐增长;(3)弹性变形阶段随饱水时间逐渐缩短,塑性变形阶段反之,且在饱水90d时应力-应变曲线出现屈服平台现象。饱水60d与90d时曲线变化趋势近似相同,说明饱水60d后,千枚岩软化趋势趋于平衡,变化幅度较小。从3种围压下的试验数据观察可知,千枚岩饱水后,峰值应力衰减相对较大,由此可说明千枚岩饱水软化强烈。

    3.2 岩石力学性质变化规律
    3.2.1 峰值应力与饱水时间的关系

    表 1中3种围压条件下峰值应力随饱水时间变化用曲线表示,观察图 4峰值应力变化规律,峰值应力随饱水时间增长总体呈下降趋势,在饱水40-50d时3种围压下峰值应力均发生突升,虽然试验每种围压下仅有单个试样,但3种围压下峰值应力出现同步上升,这一种现象有待再深一步试验验证,将在下一步增加更多试样来考证,因此下文中不再涵盖这两种工况下试验数据。岩样饱水30d峰值应力衰减幅度较大,而饱水60d后,岩石峰值应力强度衰减趋势变弱,说明水岩作用对岩石的损伤具有明显的时间效应与累积效应,其损伤程度与水岩作用的过程与程度密切相关。饱水初期,岩石遇水软化强烈,随着时间的增加,岩石趋于饱和,水岩作用幅度降低。

    图 4 峰值应力与饱水时间变化曲线 Fig. 4 Fitting curve of peak stress and saturated time

    3.2.2 岩石力学参数与饱水时间的关系

    经试验数据整理,以峰值应力为纵坐标,围压为横坐标,绘制Cφ的最佳关系曲线(以天然状态与饱水90d为例,图 5),按下式计算黏聚力C、内摩擦角φ值:

    图 5 Cφ的最佳关系曲线 Fig. 5 The best relation curve of C and φ

    $ C = \frac{{{\sigma _c}\left({1 - \sin \varphi } \right)}}{{2\cos \varphi }} $ (1)

    $ \varphi = {\sin ^{ - 1}}\frac{{m - 1}}{{m + 1}} $ (2)

    式中,σc为最佳关系曲线在纵坐标上的截距(MPa);m为最佳关系曲线的斜率。

    对试验岩样不同围压下的抗压强度进行拟合分析,可以得出水岩作用过程中岩石不同饱水时间下黏聚力和内摩擦角劣化规律(表 2图 6)。

    表 2 岩石强度参数 Table 2 Rock strength parameter

    图 6 岩石力学参数与饱水时间关系曲线 Fig. 6 Fitting curve of rock strength parameter and saturated time

    观察图 6可知,岩石的黏聚力C、内摩擦角φ随着饱水时间的增加而逐渐减少,两种参数饱水60d后变化幅度相对变弱并趋于平缓。

    3.3 岩石饱水劣化规律分析

    经3.2分析,随岩石饱水时间增加,其各种力学参数将会降低,其降低程度称为劣化度,可表示为:

    $ {S_i} = \left({{T_0} - {T_i}} \right)/{T_0} \times 100\% $ (3)

    式中,T0为天然状态下的岩石力学参数;Ti为不同饱水时间下的岩石力学参数。

    根据表 1表 2与式(3),用劣化曲线描述3种围压下的岩石轴向峰值应力、内摩擦角与黏聚力随饱水时间的劣化幅度(图 7图 8)。

    图 7 峰值应力劣化度 Fig. 7 Degradation grade of peak stress

    图 8 内摩擦角、黏聚力劣化度 Fig. 8 Degradation grade of C, φ

    分析图 7峰值应力劣化度曲线可得:(1)峰值应力最终劣化度随围压增大而减小,饱水90d后,围压5MPa、10MPa、15MPa的峰值应力分别下降了56.5%、55.5%、55.1%,从总体上观察可知,3种围压下岩石抗压强度劣化较为相似,差值较小,这与邓华锋等(2015)研究成果相一致。(2)峰值应力受饱水影响劣化程度具有明显的非均匀性与时间效应,衰减幅度呈现先增大后趋于平稳的趋势:饱水30d后,峰值应力阶段劣化程度最强,30d至饱水60d劣化程度逐步降低,60d至90d峰值应力劣化趋于平稳。

    分析图 7可得:(1)黏聚力受饱水时间影响较大,而饱水对内摩擦角影响相对较小。(2)根据黏聚力、内摩擦角劣化趋势曲线可知,饱水初期参数值衰减幅度较小,后期较大且内摩擦角逐渐趋于平稳。原因在于岩石的黏聚力主要受矿物颗粒之间的胶结程度控制,水通过岩石孔隙进入岩石内部发生物理化学变化,矿物颗粒之间的胶结程度变差,而内摩擦角主要受矿物颗粒镶嵌程度与矿物自身强度影响,黏聚力劣化速率相对于内摩擦角较快(邓华锋等,2015)。

    综合分析峰值应力、内摩擦角及黏聚力劣化度,饱水90d,峰值应力平均总劣化度在55%左右,内摩擦角劣化度为32.29%,黏聚力劣化度为53.77%。饱水对岩石力学参数的影响顺序为:峰值应力>黏聚力>内摩擦角。由于试验中岩样饱水时处于无压力状态,岩石内部孔隙释放,水岩作用更为强烈,岩样各个抗剪强度指标衰减幅度较大,最终导致岩样天然状态下与饱水90d后峰值应力差值较大。

    4 结论

    本文以某水电站边坡的千枚岩为研究对象,通过观察岩石不同饱水时间条件下,力学性能变化与破坏特征变化规律。得出以下结论:

    (1) 在不同饱水时间下,岩石的破坏均以剪切破坏为主,随饱水时间增长,岩石受压破坏后更加松散破碎,且破裂面形成由矿物颗粒的错动、剪切为主转化为滚动、滑动为主。

    (2) 在相同围压作用下,岩石力学参数劣化规律具有明显的时效性与非均匀性,各参数随着饱水时间的增长而逐渐降低,劣化幅度呈现先增大再减小最终趋于平稳的趋势。

    (3) 饱水对岩石力学参数的影响顺序为:峰值应力>黏聚力>内摩擦角,峰值应力衰减幅度较大,原因为岩石在无压力条件下进行饱水,孔隙释放,千枚岩吸水性好,水岩作用充分,力学性质衰减较大。

    (4) 由于饱水过程中岩样未处于实际应力状态中,岩石饱水软化更为充分,与实际情况有差异,因此本试验结果更适用于处于较低应力状态的边坡浅表层蓄水后稳定性评价。

    参考文献
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