饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用

第24卷第1期岩石力学与工程学报V ol.24 No.1 2005年1月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2005 饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用周翠英1，2，3，邓毅梅1，2，谭祥韶2，刘祚秋1，2，尚伟4，詹胜1(1. 中山大学应用力学与工程系，广东广州 510275；2. 中山大学地下工程与信息技术研究中心，广东广州 510275；3. 中山大学规划设计研究院岩土工程研究所，广东广州 510275；4. 广东省东深供水改造工程建设总指挥部，广东东莞 510800)摘要：软岩遇水后力学性质软化规律的研究，是水–岩相互作用研究的重要课题之一，在重大工程的设计与实践中具有重要意义。

通过对华南地区广为分布的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩等几种不同类型的典型软岩在不同饱水状态的试验设计和力学性质测试，重点探讨了软岩软化的力学规律性。

试验按照天然状态、饱水1，3，6和12个月等饱水时间点进行采样分析，测定其不同饱水时间点的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度及其随饱水时间的变化规律。

结果表明：软岩与水相互作用后，其抗压强度、抗拉强度及抗剪强度变化的定量表征关系一般服从指数变化规律，各力学强度指标将随着饱水时间的延长而不断降低，最终将趋向稳定；6个月的饱水时间点为软岩力学强度趋于稳定的临界点。

以此研究获得的软岩参数为基础，采用非线性有限元强度折减法对广东省东深供水改造工程中BIII2边坡稳定性进行了分析计算，结果表明：在塑性应变区贯通前，该边坡主断面的稳定性系数为0.83，说明BIII2边坡处于不稳定状态。

这与实际边坡所处的状态非常一致。

表明该试验研究结果用于工程计算中具有较好的意义，亦可为华南地区类似工程的设计、施工和长期稳定性分析等提供具有重要价值的参考。

关键词：岩石力学；饱水软岩；力学性质软化；试验研究；工程应用中图分类号：TU 458+.3 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)01–0033–06EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE SOFTENING OF MECHANICAL PROPERTIES OF SATURATED SOFT ROCKS AND APPLICATIONZHOU Cui-ying1，2，3，DENG Yi-mei1，2，TAN Xiang-shao2，LIU Zuo-qiu1，2，SHANG Wei4，ZHAN Sheng1(1. Department of Applied Mechanics and Engineering，Sun Yat-Sen University，Guangzhou510275，China；2. Reseach Center of Underground Engineering and Information Technology，Sun Yat-Sen University，Guangzhou510275，China；3. Institute of Geotechnical Enigineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou510275，China；4. General Headquarters of Water Supply Reconstruction Project from Dongjiang to Shenzhen，Dongguan510800，China)Abstract：Research on softening regularities of mechanical properties of saturated soft rocks and their application is one of the important theoretical and practical problems in geotechnical fields. The mechanical regularities of some typical kinds of soft rocks such as red siltstone，red mudstone，and black carbonaceous mudstone，which are widely distributed in South China，are discussed by designing a series of experiments of interaction between soft rocks and water，and their mechanical parameters are correspondingly tested. By sampling according to a time sequences including natural state and saturated states in different time (1 month，3 monthes，6 monthes，and 12 monthes) of soft rocks，the uniaxial compressive strength，cleave tensile strength，shearing strength，and their varying regularities along with time developing are analyzed. The results show that the mechanical properties收稿日期：2003–11–08；修回日期：2004–05–15基金项目：国家自然科学基金资助项目(59809008)；广东省自然科学基金(013188)；广东省东江–深圳供水改造工程总指挥部科研基金资助项目(DSGZ–KJ–020，DSGZ–KJ–021)作者简介：周翠英(1963–)，女，博士，1986年毕业于中国地质大学工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩土工程与环境地质方面的教学与研究工作。

E–mail：eeszcy@，stdzhcy@。

• 34 • 岩石力学与工程学报 2005年mentioned above probably conform to an exponent curve after different saturated time on which the point in 6 month is the critical time for mechanical properties changing from gradually declining to stable state. On the basis of experimental data，by selecting a main section，the BIII2 slope stability in Water Supply Reconstruction Project from Dongjiang to Shenzhen，Guangdong China，is analyzed by nonlinear strength reduction finite element method (FEM). The calculated safety factor is 0.83，which coincides very well with the actual state of the slope. It means that the test results have an important significance for application to engineering and can provide a scientific reference for designing and construction as well as long term safety monitoring and analysis for other similar engineering problems in South China.Key words：rock mechanics；saturated soft rocks；softening of mechanical properties；experimental research；engineering application1 引言水–岩相互作用研究是岩土工程中的前沿课题之一。

岩石在一定的渗透压力或水动力条件下产生的物理、化学和力学作用过程是导致工程岩体发生变形破坏的根本原因[1～3]。

尤其对于某些特殊的软岩[4～7]：在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，遇水后短时间内迅速膨胀、崩解和软化，从而造成力学性质快速大幅度降低的岩体，其研究意义更为重要。

华南地区广为分布的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩即属此类。

它是造成重大工程变形破坏或安全隐患的关键之所在。

因而，开展重大工程中不同类型软岩在饱水条件下力学性质变化的试验研究，对于深入探讨软岩在饱水条件下力学性质软化的本质和规律具有重要理论意义。

同时，在软岩工程设计中，设计参数的合理选择仍是一个急待深入探讨的课题。

研究不同类型软岩在各种饱水状态下力学参数的变化规律，对于重大工程建设的设计、施工和安全运营等具有重要的实际价值。

基于此，本文采取广东省东深供水改造工程中揭露的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及炭质泥岩进行饱水试验设计和相应的的力学性质测试，以获得其饱水软化的规律和参数变化特征，同时，将研究结果初步应用于该工程中。

2 软岩饱水的力学试验设计本试验主要是为取得各类型软岩在饱水条件下力学性质的变化规律而设计。

试验设计流程如图1所示。

结合华南地区重大工程建设，本试验选定该区图1 试验设计流程图Fig.1 Flowchart of experimental design广为分布的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及炭质泥岩等典型软岩进行研究。

为了反映软岩的工程环境，试验中的各类软岩岩样及水样均采自广东省东深供水改造工程施工现场及其沿线的石马河流域。

首先，将所采集的软岩岩样进行分类、选样并将其置于饱水环境下；然后，分别在天然状态、饱水1，3，6和12个月时，开展软岩的力学性质试验——单轴压力机法测定软岩的单轴抗压强度、劈裂法测定软岩的抗拉强度以及直剪法测定软岩的抗剪强度。

通过统计和拟合，获得软岩饱水后力学性质的软化规律。

需要指出的是，由于炭质泥岩在遇水后，短时间内迅速软化为淤泥状，无法按岩石力学试验方法测定有关强度指标(如抗压、抗拉强度等)，故对这类软岩的强度测试按照土工试验的直剪法进行。