水岩作用下砂岩力学特性研究综述

水岩作用下砂岩力学特性研究综述

张化晋

重庆交通大学 河海学院 重庆 400074

摘要：随着三峡水库的运营，在库水位反复起落作用下，库岸边坡消落带部分岩体长期处于浸泡-风干循环状态，水岩循环作用造成的岩体力学特性劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。本文结合前人的研究，以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为代表岩体，分析总结了水岩作用下砂岩力学特性劣化规律。

关键词：水-岩作用；砂岩；岩性劣化

1 引言

岩石是一种由多种矿物组成且包含有许多孔隙、裂痕等不连续面的非均匀非线性体。对于构成库岸边坡的岩体来说，将面临周期蓄水、排水而带来的重大工程实际问题。按照水库运行要求，库水每年都将按“冬蓄夏洪”的调度计划在145m的防洪水位和175m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速的升降。在约600km长河道两岸形成高差为30m的消落带。在库水位的周期性升降变化过程中，消落带部分岩体处于浸泡-风干循环状态，水岩作用效应尤为明显，消落带是库岸边坡水岩作用的敏感地带^[1-2]。蓄水以来，三峡库区较多岸坡出现了明显的变形破坏迹象。在水库长期运行过程中，水岩作用对库岸边坡岩土体物理力学性质影响显著^[1]。为了保障人民财产安全，合理且有效地对库岸边坡进行治理，结合库区岸坡岩组情况，本文以砂岩为代表岩体，结合前人所做的研究，进行水岩作用下的力学特性分析，分析结论可为库区库岸边坡岩体的稳定性分析提供一定的实验依据。

2. 水岩作用下砂岩的研究

关于水岩作用对岩石物理性能的影响，许多学者做了大量的基础性研究，并获得了丰富的成果。然而国内外对岩石的研究大部分都只是单一的水-岩作用，而较少考虑岩石在不同水岩条件下的岩石力学性能劣化，只有极少数研究涉及两种不同水岩作用的对比。

2.1 单一水岩作用下的研究

F S Jeng^[3]、M.L.Lin^[4]研究了干湿循环作用下砂岩劣化的微观机制。刘新荣等研究发现，干湿循环作用下砂岩的弹性模量、抗压强度、黏聚力与内摩擦角都有不同程度的降低^[5]。阎宗岭^[6]对处于干湿循环条件下的砂岩进行了单轴压缩试验，得到其应力-应变曲线，发现砂岩强度和弹性模量随着干湿循环次数的增加而劣化，且与循环次数之间呈对数关系。周翠英对西南地区的红砂岩进行不同时间的饱水处理，测定其不同饱水时间点的单轴抗压强度、抗拉强度和抗剪强度与饱水时间的关系，发现三者的变化皆呈指数态势，各参数指标随着饱水时间的增加而不断弱化，最终趋于恒值。邓华锋等针对库岸边坡水岩作用过程，研发了YRK-1 岩石浸泡仪，进行了考虑水压力升降变化和浸泡−风干循环的水−岩作用试验，发现浸泡水压力变化幅度越大，水岩作用损伤效应越明显。李克钢根据“饱和-风干”循环作用下岩石吸水性、单轴压缩和剪切试验测得数据，深入研究了岩石吸水率、单轴抗压及抗剪强度、弹性模量等岩石参数对“饱和-风干”循环作用下的演化特征。

不同浸泡-风干循环次数，所有砂岩试块的应力-应变关系曲线形态总体一致，都能划分为4个重要阶段：①微裂隙压密阶段；②弹性变形阶段；③屈服阶段；④破坏阶段。随着浸泡风干循环次数的增加，应力-应变曲线的初始斜率逐渐降低，压密阶段逐渐变长，弹性阶段逐渐变短，而且斜率逐渐变小，屈服阶段逐渐明显，峰值强度逐渐降低，达到峰值强度的时的轴向应变值逐渐增大，岩样破坏时应力-应变曲线的跌落趋势逐渐变缓，砂岩的脆性特征逐渐减弱，延性逐渐明显。其中对岩样的弹性模量、峰值强度和峰值应变进行了定量分析。由试验可以得出，随着浸泡-风干循环次数增加，砂岩的弹性模量呈现明显的先陡后缓的劣化趋势，总体而言，前6次浸泡-风干循环作用对砂岩的弹性模量影响较大，占总劣化幅度的85%左右，其中前两次的浸泡-风干循环作用导致的劣化幅度明显较大。砂岩的单轴抗压强度呈现出与弹性模量一致的劣化趋势。

2.2 不同水岩作用下研究

目前国内对岩石的研究大部分都只是单一的水岩作用, 而较少考虑岩石在不同水岩条件下的岩石力学性能劣化。崔凯研究了板岩在不同饱水作用和干湿循环在不同水岩作用次数下的岩石力学参数变化特征，并对两种水岩作用下的力学参数进行横向对比研究。朱朝辉对砂岩在饱水-干燥循环、饱和及长期浸泡饱和三种状态下进行巴西劈裂试验，发现饱和-干燥循环后的砂岩抗拉强度比长期浸泡的要低。由此可见，上述研究对岩石在不同水岩作用下的弱化有一定的研究，但是对不同水岩作用下的岩石力学参数研究不够系统，只集中在单一的岩石参数上，对岩石在水岩作用下的内部劣化机制也缺乏明确的分析，且考虑砂岩受不同水岩作用影响的研究则是更少。

通过对砂岩试块在饱水作用和干湿循环两种不同水岩作用下单轴压缩试验的研究，发现其应力-应变曲线均为压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段；水岩作用对砂岩试块有很强的劣化效应，具体表现为各组砂岩试块平均单轴抗压强度、弹性模量与水岩作用次数之间的负相关关系，即随着水岩作用次数的增加，砂岩试块单轴抗压强度和弹性模量表现为单调递减的走向，而曲线的降低幅度不断变小。

饱水作用和干湿循环是两种常见的水岩作用，砂岩在这两种作用下的劣化机理有所不同。饱水作用下，水从试件表面浸入试件内部裂隙，亲水性矿物颗粒吸附水膜增厚发生体积膨胀，进而对岩石内部裂隙产生损伤作用；干湿循环过程是试件在饱和损伤的基础上，对试件进行干燥。

3 结语

本文通过对水岩相互作用研究现状的描述，以及对众多专家学者所做的水岩相互作用下的试验的分析，可知在水岩作用过程中，砂岩的力学性能劣化效应明显，其劣化程度随着水岩作用次数的增加而增加；砂岩力学参数在水岩作用初期的弱化响应比较强烈，后期弱化幅度降低；干湿循环对砂岩力学特性的劣化效应强于饱水作用对砂岩力学特性的劣化效应。

参考文献：

[1] 王思敬,马凤山,杜永廉.水库地区的水岩作用及其地质环境影响[J].工程地质学报,1996(03):1-9.

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[3] JENG F S, LIN M L, HUANG T H. WETTING deterioration of soft sandstone—microscopic insights[C]//An International Conference on Geotechnical and Geological Engineering. Melbourne: [s. n.], 2000: 525.

[4] LIN ML, JENG F S, TSAI L S, et al. Wetting weakening of tertiary sandstones-microscopic mechanism[J]. Environ Geol, 2005, 48: 265－275.

[5] 刘新荣,李栋梁,张梁,王震.干湿循环对泥质砂岩力学特性及其微细观结构影响研究[J].岩土工程学报,2016,38(07):1291-1300.

[6] 姜永东,阎宗岭,刘元雪,阳兴洋,熊令.干湿循环作用下岩石力学性质的实验研究[J].中国矿业,2011,20(05):104-106+110.

作者简介：张化晋（1994-12-06），男，汉族，籍贯：河北省邢台市，当前职务：学生，学历：在读硕士，研究方向：岩土工程与边坡工程