干濕循環(huán)作用下兩種不同礦物成分砂巖物理力學特性變化試驗研究.pdf

1、大量的水庫蓄水與運行引起滑坡的事實表明,水-巖相互作用下庫岸邊坡的穩(wěn)定性主要受控于邊坡巖土體強度對水的敏感程度,庫岸邊坡不同類型的巖土體遇水后,其強度降低程度因巖土體本身的巖性不同而不同。庫水周期性變化引起庫岸邊坡消落帶巖土體在干濕循環(huán)作用下發(fā)生強度劣化,當劣化發(fā)展到一定程度的時候就可能會引起岸坡失穩(wěn)。本文以侏羅系地層中的長英質(zhì)細砂巖(Ⅰ號)和弱蝕變泥質(zhì)石英砂巖(Ⅱ號)為研究對象,開展超聲波測試、掃描電鏡(SEM)技術、單軸和三軸壓縮試

2、驗,從微觀和宏觀兩個方面探討干濕循環(huán)作用下不同礦物成分砂巖變形及強度參數(shù)等相關物理力學特性的變化規(guī)律,最終通過對礦物成分的分析,探討兩種砂巖在干濕循環(huán)條件下的物理力學特性變化機理。本文主要的試驗成果和獲得的試驗結論概括如下:
　　(1)采用超聲波測試方法,對Ⅰ號、Ⅱ號砂巖試樣在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的波速變化進行測試,測試結果表明:Ⅰ號砂巖試樣在干燥狀態(tài)下,波速較高,當遇水之后,波速有大幅度衰減,在經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)次數(shù)后,最終波速趨于

3、穩(wěn)定;Ⅱ號砂巖試樣在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)次數(shù)后,試件的波速并沒有明顯的衰減跡象,干濕循環(huán)之后試件的波速與干燥狀態(tài)下試件的量值相近。
　　(2)采用單軸壓縮試驗,對干燥和經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的Ⅰ號、Ⅱ號砂巖試樣進行抗壓強度測試,獲得試樣的應力-應變曲線、彈性模量和峰值強度,以及巖樣的破壞形式,試驗結果表明:在單軸壓縮試驗后,兩種砂巖的應力-應變曲線并不遵循典型巖石的一般發(fā)展階段(即微裂隙壓密階段、彈性變形階段、屈服階段以及殘余強度階段),

4、在達到峰值強度后很快破壞,沒有出現(xiàn)塑性流動階段。Ⅰ號砂巖巖樣的彈性模量和峰值強度當遇水之后較干燥狀態(tài)下,兩者發(fā)生大幅度衰減,在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后,衰減幅度逐漸減小;Ⅰ號砂巖巖樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加脆性減弱,塑性增強,試樣的破壞大多沿單一斜面剪切破壞。Ⅱ號砂巖試樣在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后,彈性模量和峰值強度并沒有明顯的弱化,大多與干燥狀態(tài)下試樣的量值相當,由于巖樣的脆性較高,試樣大多是剪切破壞與沿軸向破壞的組合。
　　(3)采用三

5、軸壓縮試驗,對干燥和經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的Ⅰ號、Ⅱ號砂巖試樣進行不同圍壓下的抗壓強度測試,獲得了試樣的應力-應變曲線、彈性模量、峰值強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角,以及巖樣的破壞形式。試驗結果表明:在三軸壓縮試驗后,兩種砂巖的應力-應變曲線基本遵循典型巖石的一般發(fā)展階段。Ⅰ號砂巖巖樣的彈性模量、峰值強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角在干燥狀態(tài)下量值較高,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低,粘聚力沒有內(nèi)摩擦角的劣化顯著;Ⅱ號砂巖試樣在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后,彈性模

6、量、峰值強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角沒有明顯的弱化,變化量值較干燥狀態(tài)下相近。當Ⅰ號砂巖在圍壓較低時試樣大部分為單一斷面的剪切破壞,而隨著圍壓的升高,試樣均未產(chǎn)生宏觀的斷裂,只是產(chǎn)生大量的滑移跡線,在周向具有對稱性,傾角大致相同。壓縮變形較大的試樣產(chǎn)生了較大的塑性變形,且明顯呈鼓狀;Ⅱ號砂巖試樣的破壞形式與單軸壓縮試驗下的相似。
　　(4)采用電鏡掃描技術,對干燥和經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的Ⅰ號、Ⅱ號砂巖試樣進行表面圖像和斷口形態(tài)的觀察,觀察

7、結果表明:Ⅰ號砂巖試樣在干燥狀態(tài)下巖樣表面比較粗糙,顆粒之間棱角明顯,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,表面漸漸出現(xiàn)泥化現(xiàn)象;Ⅱ號砂巖試件在多次干濕循環(huán)之后,表面仍就粗糙,顆粒之間棱角比較明顯,并沒有出現(xiàn)顯著的泥化現(xiàn)象。Ⅰ號砂巖試樣在干燥狀態(tài)下斷口形態(tài)比較粗糙顆粒之間棱角明顯,經(jīng)歷過多次干濕循環(huán)之后,斷口處有明顯摩擦痕跡,棱角被“磨平”,多次干濕循環(huán)之后的Ⅰ號砂巖試樣更容易發(fā)生剪切形式的破壞;Ⅱ號砂巖試件經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后斷口處沒有明顯的摩擦跡

8、象,顆粒之間棱角仍就明顯。
　　(5)從超聲波測試和抗壓強度實驗中可以看出,經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后的砂巖巖樣的縱波波速與抗壓強度有著很好的對應關系。Ⅰ號砂巖試樣干燥狀態(tài)下,波速較好,強度較高,遇水之后波速和強度均發(fā)生大幅度衰減,經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后,波速與強度的衰減幅度逐漸減小;Ⅱ號砂巖試件在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后,波速和強度均沒有明顯的衰減趨勢,大多與干燥狀態(tài)下的波速和強度的量值相近。
　　(6)通過對干燥和經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后

9、的Ⅰ號、Ⅱ號砂巖巖樣在單、三軸壓縮試驗下的彈性模量、峰值強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化情況進行分析,獲得了兩種砂巖的強度和變形規(guī)律,并從中探討干濕循環(huán)作用下兩種砂巖巖性的變化機理。Ⅰ號、Ⅱ號砂巖巖樣的強度和變形規(guī)律表現(xiàn)出明顯的不同,其主要由于它們的的礦物成分存在差異。其中,Ⅰ號砂巖巖樣主要由石英與長石被白云母、方解石泥質(zhì)膠結而成;Ⅱ號砂巖試樣主要由石英與長石被絹云母膠結而成。兩種砂巖的主要礦物成分是石英,但是Ⅰ號砂巖的石英顆粒較小,其次礦