干湿循环对砂岩剪切特性影响试验研究

干湿循环对砂岩剪切特性影响试验研究王会琼1，黄维辉2(1. 云南能源职业技术学院，云南曲靖655001；2.核工业江西工程勘察研究总院，江西南昌330029)摘要：为了掌握干湿循环作用对岩石剪切特性的影响规律，以砂岩为研究对象，利用YZW50型微机控制电动应力式直剪仪对其开展干湿循环次数分别为1、5、10、15、20及30次共6种不同状态下的直剪试验。

试验结果表明：砂岩抗剪参数具有明显的干湿循环效应，当干湿次数为30次时，粘聚力下降到7.31MPa，内摩擦角减小为34.82°，与干湿循环1次相比，下降幅度分别高达37.31%和20.59%。

同时，砂岩的剪切破坏特征也会随着干湿交替次数的增加产生较为显著的变化，即呈现出从脆性到塑性逐渐转化的趋势。

研究成果为岩土工程的设计和稳定性评价提供了重要的理论和实际指导意义。

关键词：岩石力学；砂岩；干湿循环；剪切特性中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：INFLUENCE OF DRY-WET CIRCULATION ON SHEAR PROPERTIES OFSANDSTONEWANG Huiqiong1，HUANG Weihui2(1. Yunnan vocational institute of energy technology , Qujing, Yunnan 655001，China；2. Jiangxi Institute of Engineering Prospecting, Nuke Industry, Nanchang, Jiangxi 330029，China)Abstract：In order to grasp the influence of the dry-wet circulation on rock mechanics characteristics, taking the sandstone as an example, a series of shear tests were conducted by YZW50 microcomputer control electric stress direct shear apparatus, 6 kinds of tests of different dry-wet circulation number were set, which respectively were 1, 5, 10, 15, 20 and 30 times. The test results show that the shear characteristics of sandstone have obvious wetting-drying effect, when the dry-wet number is 30 times, the cohesion is 7.31MPa, the internal friction angle is 34.82°, and comparing with 1 times, native state, the falling range of which are severally up to 37.31% and 20.59. In addition, with the increase of dry-wet number, the failure characteristics of sandstone are also changed, and a transformation law from brittleness to ductility is showed.Key words：rock mechanics, sandstone, dry-wet circulation, shear properties0 引言大量的理论分析与工程实际已经证明，水会显著改变岩土体的物理力学性质，进而对岩土体的稳定性产生影响。

因此，长期以来，有关水岩相互作用规律方面的研究一直是众多科技工作者研究的重点内容。

在水岩相互作用方面，L. Obert等[1]研究了含水量对矿岩强度的影响规律，试验结果显示与风干状态相比，饱水状态下砂岩的抗压强度较减小了10 20%；Hawkins A B等[2]开展了35种砂岩在不同含水量时的单轴抗压试验，发现随着含水量的增加，砂岩的力学性能下降，且其下降幅度砂岩内部不同矿物的含量及比例密切相关的结论；孟召平等[3]对不同含水条件下煤系沉积岩石的力学性质进行了室内试验，研究表明随含水量的增加，岩石的单轴抗压强度和弹性模量圴出现降低，但受含水量的影响，不同岩性岩石的降低幅度并不相同；A.Prick[4]比较了干湿、冻融两种水岩作用方式对页岩风化程度的影响，认为虽然冻融作用的影响更为强烈，但干湿效应亦不可忽略；傅晏[5]对砂岩抗剪强度特性随干收稿日期：2017 – 7 - 27• 2 • 矿冶 2017年湿交替次数的变化规律进行了研究，结果表明随干湿循环幅度的增加，砂岩抗剪强度参数有减小的趋势；李克钢等[6]对砂岩开展了15次干湿交替试验，获得了干湿循环作用下砂岩变形特性、强度特性及破坏特征等的变形规律。

如前所述，在水岩相互作用方面，除了简单的岩土体吸（浸）水饱和，诸如库水位涨落、大气降水的反复蒸发等干湿循环作用亦是非常重要的水岩作用形式[7]，同时，与其它岩石物理力学参数相比，岩石的抗剪参数在岩土工程稳定性分析与评价中占有着更加重要的地位。

但鉴于有关干湿循环对岩石抗剪强度特性影响规律方面的研究偏少，更多的成果多是集中在不同含水率方面[8-10]。

因此，为了分析干湿循环效应对岩石剪切特性的影响，本文以砂岩为研究对象，开展室内干湿循环直剪试验研究，探讨砂岩粘聚力、内摩擦角及剪切破坏特征等随干湿次数的变化关系，以期为岩土工程的设计和稳定性评价提供相应的理论依据。

1 干湿循环试验方案1.1 试验对象本次试验用岩样为砂岩，取自云南先锋露天矿，经X 射线衍射鉴定，该批砂岩为中粒含长石石英砂岩，中粒砂状结构，孔隙式胶结，岩石主要由石英、岩屑、少量长石等被泥、硅质充填胶结而成。

石英、岩屑、长石含量分别为80%、5%和5~10%，而胶结物也占到了10~15%[11]。

图1为砂岩显微结构图。

图1 砂岩显微结构图Fig.1 Microscopic structure diagram of sandstone1.2 试验方案参考相关文献[5,12]并考虑到岩石本身的自然环境，将"岩样放入烘箱中以50℃温度烘12小时，待岩样冷却至室温，再将岩样放入水中浸泡48小时"定义为1次干湿循环。

根据试验目的，共设置6个主要干湿循环试验点，分别是：干湿循环1次、5次、10次、15次、20次和30次，试样为高×直径=50×50mm 的圆柱形标准试件，试验仪器采用YZW50型微机控制电动应力式直剪仪。

按照相关规范开展直剪试验[13]，试验过程中，5块砂岩试样的法向荷载依次设定为10KN 、20KN 、30KN 、40KN 和50KN ，加载速率为2.4KN/S 。

2 试验结果与分析2.1 干湿循环效应对抗剪参数的影响表1为干湿循环状态下砂岩抗剪强度试验结果。

由表1可以得知，干湿循环1次时砂岩的粘聚力为11.66MP ，内按摩角为43.85°，与干燥状态次时的14.70MPa 和50.19°相比，下降幅度分别为20.68%和12.63%。

随着干湿循环次数的增加，砂岩粘聚力和内摩擦角不断减小，当干湿循环达到30次时，砂岩粘聚力仅为7.31MPa ，内摩擦角为34.82°，相比干湿循环1次，下降幅度分别高达37.31%和20.59%。

不难看出，砂岩抗剪参数具有较为显著的干湿循环效应，受干湿循环次数的增加，砂岩的粘聚力和内摩擦角均逐渐减小，而且，与内摩擦角相比，粘聚力对干湿效应的响应程度更敏感。

图2为砂岩抗剪参数随干湿循环次数拟合规律图，相应拟合关系式见式(1)~(2)。

n e n c 01.0-80.11)(=(n≤30) R 2=0.996 (1)n e n 008.0-705.44)(=φ（n≤30） R 2=0.875 (2)表1 干湿循环作用下砂岩剪切试验数据王会琼等. 干湿循环作用对砂岩剪切特性影响试验研究• 3 •（a) 粘聚力(b)内摩擦角图2 砂岩抗剪参数随干湿循环次数拟合曲线Fig.2 Relationship of shear parameters with n2.2 剪切强度与干湿循环次数的关系图3为不同干湿循环作用下砂岩抗剪强度曲线图。

可以看出，砂岩抗剪强度一方面随着法向应力的增大而增大，一方面随着干湿次数的增加而减小，也就是说，即便岩土体产状、外部所受荷载等没有发生任何变化，但一旦遭受了降雨-蒸发等干湿循环过程，岩土体力学性质同样会出现较大幅度的下降，进而使原本较为稳定的岩体工程稳定性下降，甚至产生变形、破坏等失稳现象，这一点在实际工程中需要重点关注。

将式（1）、式（2）代入库仑准则，可得到考虑干湿循环效应的砂岩抗剪强度公式：nnn ee008.0-01.0-705.44tan80.11στ+=(3)图3 不同干湿循环作用下砂岩抗剪强度曲线Fig.3 Shear strength curves of sandstone in different dry-wetcirculation2.3干湿循环对砂岩破坏特征的影响从不同干湿循环次数下砂岩破坏情况可知，砂岩破坏特征同样具有干湿循环效应（图4）。

当在干湿次数仅为1次等较少次数时，砂岩受剪破坏面• 2 • 矿冶 2017年基本上没有较为明显的擦痕，也很少出现岩粒或者碎屑，而且剪切面较为平直，呈现一种脆性剪切破坏特征；一旦干湿次数增加，砂岩剪切面上的岩粒、碎屑等被剪切下来的颗粒物质越来越多，同时会显现较为明显的擦痕，且断面起伏度增大，以上试验结果说明干湿循环作用会对砂岩的剪切破坏特征产生影响，干湿次数越多，塑性特征越显著，而脆性特征愈减弱，即呈现一种脆延转化的态势。

(a) 循环1次 (b)循环5次(c)循环10次 (d)循环30次图4 不同干湿循环次数砂岩破坏特征Fig.4 Failure characteristics of sandstone under differentdry-wet circulation3 结 论通过对砂岩在不同干湿循环次数下的直剪试验研究，可得到如下结论：(1) 砂岩的粘聚力和内摩擦角均随着干湿循环次数的增大而减小，说明砂岩的抗剪参数具有明显的干湿循环效应，且粘聚力比内摩擦角更敏感。