干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究

80 70 60 50 40 30 20 10 0
0
干燥 1 次干湿交替 4 次干湿交替 8 次干湿交替
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 ε1 / %
(b) 围压为 5 MPa
120 100 80 60 40 20
0 0
干燥 1 次干湿交替 4 次干湿交替 8 次干湿交替
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 ε1 / %
1引言
由于降雨、河流水位升降等原因引起的地下水 位的波动，岩体往往处于干湿交替状态。例如，三 峡水库在运营过程中库水位在 145～175 m 之间变 化。在库水位上升和消落的重复循环中。这种干湿 交替作用对岩土介质来说是一种“疲劳作用”，它对 岩土介质的劣化作用通常比持续浸泡还要强[1]。这
种作用是一种累积性发展的过程，即每一次的效应 并不一定很显著，但多次重复发生，却可使效应累 进性增大，直到灾变发生。
(c) 围压为 10 MPa
140
干燥
120
1 次干湿交替
4 次干湿交替
100
8 次干湿交替
80
60 40 20
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
ε1 / % (d) 围压为 15 MPa
图 1 干湿交替作用下砂岩的应力-应变曲线 Fig.1 Stress-strain curves of sandstone under cyclic drying and wetting
5.837
σ1干燥 − σ1 ×100 σ1干 燥 /%
E干燥 − E ×100 E干 燥 /%
73.7
8.178
109.0
9.623
124.0
10.597
7.5
1.406
79.1
75.9
50.3
6.357
31.8
22.3
68.7
7.527
37.0Biblioteka 21.889.79.138
27.7
13.8
11.6
2.167
对于一般岩石来说，其典型全过程应力-应变关 系曲线如图 2 所示，可分为 5 个主要阶段[11]：① 微 裂隙压密阶段（OI 段），这是由于细微裂隙受压闭 合造成的；②弹性变形阶段（IA 段），该阶段应力应变曲线近似直线型，岩石表现出明显的线弹性； ③ 屈服阶段（AB 段），进入本阶段后岩石微裂隙岩 石微破裂不断发展、累积，直至试件完全破坏。 A 点是岩石从弹性转变为塑性的转折点，也就是所 谓的屈服点。本阶段上界应力为峰值强度（B 点）； ④应变软化阶段（BC 段），试件达到峰值强度之 后，随着应变增加，应力下降，到本阶段裂隙快速 发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面；⑤塑性流 动阶段（CD 段），试件破裂后岩石的承载能力没有 完全丧失，还具有一定的承载能力，强度减小到残 余强度。
岩石干燥－ 饱水次数 0 次（干燥）
1次
4次
8次
围压 σ 3 / MPa
0 5 10 15
0 5 10 15
0 5 10 15
0 5 10 15
表 1 砂岩试验结果 Table 1 Experimental results of sandstones
峰值强度 σ 1 / MPa
35.9
弹性模量 E / GPa
第 12 期
姚华彦等：干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究
3705
间效应。周翠英等[5]、郭富利等[6]研究了不同饱水 时间下的岩石力学特性，结果表明，岩石力学强度 指标随着饱水时间的增长而逐渐降低。
考虑到水对岩石的作用是一种复杂的应力腐蚀 过程，水对岩石产生物理力学作用之外，还有化学 作用，因而学者们开展了一系列考虑水岩化损伤作 用的试验研究[7－9]。上述研究成果表明，在认识水 对岩石损伤机制和规律方面在一步步推进。但目前 关于干湿交替作用下对岩石力学特性影响的研究成 果还很少。刘新荣等[10]虽然开展了库水饱水－风干 水-岩循环作用造成岩性劣化的研究，但其考虑的是 岩石在风干状态的力学特性，对于干湿交替作用后 饱和岩石的力学特性还缺乏研究，而实际岩体在含 水条件下更容易发生失稳破坏。
相对于没有经过干湿交替作用的干燥试件，经过不同次数的干燥－饱水交替作用后，砂岩的弹性模量、单轴和三轴抗压强度、
黏聚力、内摩擦角等都有不同程度的降低。各力学指标的总体变化趋势是在第 1 次饱水之后均有较大幅度的下降，此后，随
着干湿交替作用次数增加其降低的幅度逐渐减小，干湿交替作用使岩石的延性增强。在围压作用下，砂岩的峰值强度均随着
（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥 230009；2.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点试验室，湖北 宜昌 443002； 3.二滩水电开发有限责任公司，成都 610051）
摘 要：由于地下水位的升降等原因，岩体经常处于干湿交替状态，这对岩体工程的长期稳定性不利。以红砂岩为研究对象，
进行了干燥－饱水干湿交替作用后的常规单轴和三轴压缩试验研究，获得了砂岩应力-应变曲线，分析了其变形破坏特征。
国内外在水对岩石损伤研究方面积累了很多成 果，如一些研究者在室内试验的基础上对饱水或不 同含水率岩石的强度及变形特性进行了研究[2－4]。 结果表明，含水岩石的强度及弹性模量等均有不同 程度的降低。同时，水对岩石的软化作用还具有时
收稿日期：2009-10-30 基金项目：国家自然科学基金项目（No. 50909053）；三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室开放基金（No. 2008KDZ07）；合肥工业大学博士 专项资助项目（No. GDBJ2009－013）；三峡大学博士启动基金（No. 0620080083）。 第一作者简介：姚华彦，男，1979 年生，讲师，博士，主要从事岩土力学与工程方面的教学和研究工作。E-mail: yaohuayan@
4 次和 8 次后的力学试验。每组试件有 4 个，分别 进行单轴以及围压分别为 5、10、15 MPa 的常规三 轴压缩试验。试验在长江科学院 RMT 试验机上进 行，加荷过程中采用位移控制方式，位移速率为 0.02 mm/s。
3 试验结果分析
将各组试验结果记录整理如表 1 所示。各试件 的应力-应变曲线如图 1 所示。对于干燥试件，可以 看作是经过 0 次干燥－饱水交替作用的情况，因此， 下文的分析中提到的 0 次干湿交替作用，亦指干燥 状态。 3.1 变形特性分析
45.6
3.10
43.0
3.06
40.3
2.79
37.4
3706
岩土力学
2010 年
σ1 / MPa
σ1 / MPa
40 35 30 25 20 15 10 5 0
0
干燥 1 次干湿交替 4 次干湿交替 8 次干湿交替
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 ε1 / %
(a) 围压为 0 MPa
Abstract: Cyclic wetting and drying usually occurs in rockmass for some reasons such as water level variation, which is fairly harmful for its long term safety. A series of uniaxial and triaxial compression experimental tests on sandstone under cyclic drying and wetting have been carried out. The corresponding complete stress-strain curves are obtained; and characteristics of deformation and failure are analyzed. Compared with the dry specimens, elastic modulus, cohesion, internal friction angle, uniaxial and triaxial compressive strengths of the specimens under “dry-saturation” cycling are all decreased to some degree. The general trend is that all mechanical indices have a relatively sharp decline after the first time saturated with water; and thereafter, decrease gradually followed by an increase in cycling times. The rock samples become more ductile under cyclic drying and wetting. Sandstone peak strength increases along with the increasing of confining pressure. The effect of confining pressure on peak strength is greater for dry specimens than for “dry-saturation” cycling specimens. Key words: rock mechanics; experimental study; mechanical properties; cyclic drying and wetting; deformation; strength
第 31 卷第 12 期 2010 年 12 月
文章编号：1000－7598 (2010) 12－3704－06
岩土力学 Rock and Soil Mechanics