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

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

2、驗(yàn),從微觀和宏觀兩個(gè)方面探討干濕循環(huán)作用下不同礦物成分砂巖變形及強(qiáng)度參數(shù)等相關(guān)物理力學(xué)特性的變化規(guī)律,最終通過(guò)對(duì)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(xué)特性變化機(jī)理。本文主要的試驗(yàn)成果和獲得的試驗(yàn)結(jié)論概括如下:
　　(1)采用超聲波測(cè)試方法,對(duì)Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)砂巖試樣在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的波速變化進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明:Ⅰ號(hào)砂巖試樣在干燥狀態(tài)下,波速較高,當(dāng)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(hào)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(méi)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(yàn),對(duì)干燥和經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)砂巖試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,獲得試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量和峰值強(qiáng)度,以及巖樣的破壞形式,試驗(yàn)結(jié)果表明:在單軸壓縮試驗(yàn)后,兩種砂巖的應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)度階段),

4、在達(dá)到峰值強(qiáng)度后很快破壞,沒(méi)有出現(xiàn)塑性流動(dòng)階段。Ⅰ號(hào)砂巖巖樣的彈性模量和峰值強(qiáng)度當(dāng)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(hào)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(qiáng),試樣的破壞大多沿單一斜面剪切破壞。Ⅱ號(hào)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(qiáng)度并沒(méi)有明顯的弱化,大多與干燥狀態(tài)下試樣的量值相當(dāng),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(yàn),對(duì)干燥和經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)砂巖試樣進(jìn)行不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度測(cè)試,獲得了試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、峰值強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角,以及巖樣的破壞形式。試驗(yàn)結(jié)果表明:在三軸壓縮試驗(yàn)后,兩種砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本遵循典型巖石的一般發(fā)展階段。Ⅰ號(hào)砂巖巖樣的彈性模量、峰值強(qiáng)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(méi)有內(nèi)摩擦角的劣化顯著;Ⅱ號(hào)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(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角沒(méi)有明顯的弱化,變化量值較干燥狀態(tài)下相近。當(dāng)Ⅰ號(hào)砂巖在圍壓較低時(shí)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(duì)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(hào)砂巖試樣的破壞形式與單軸壓縮試驗(yàn)下的相似。
　　(4)采用電鏡掃描技術(shù),對(duì)干燥和經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)砂巖試樣進(jìn)行表面圖像和斷口形態(tài)的觀察,觀察

7、結(jié)果表明:Ⅰ號(hào)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(hào)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(méi)有出現(xiàn)顯著的泥化現(xiàn)象。Ⅰ號(hào)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(guò)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(hào)砂巖試樣更容易發(fā)生剪切形式的破壞;Ⅱ號(hào)砂巖試件經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后斷口處沒(méi)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(cè)試和抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Ⅰ號(hào)砂巖試樣干燥狀態(tài)下,波速較好,強(qiáng)度較高,遇水之后波速和強(qiáng)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(qiáng)度的衰減幅度逐漸減小;Ⅱ號(hào)砂巖試件在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后,波速和強(qiáng)度均沒(méi)有明顯的衰減趨勢(shì),大多與干燥狀態(tài)下的波速和強(qiáng)度的量值相近。
　　(6)通過(guò)對(duì)干燥和經(jīng)歷多次干濕循環(huán)之后

9、的Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)砂巖巖樣在單、三軸壓縮試驗(yàn)下的彈性模量、峰值強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化情況進(jìn)行分析,獲得了兩種砂巖的強(qiáng)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(jī)理。Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)砂巖巖樣的強(qiáng)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(hào)砂巖巖樣主要由石英與長(zhǎng)石被白云母、方解石泥質(zhì)膠結(jié)而成;Ⅱ號(hào)砂巖試樣主要由石英與長(zhǎng)石被絹云母膠結(jié)而成。兩種砂巖的主要礦物成分是石英,但是Ⅰ號(hào)砂巖的石英顆粒較小,其次礦