干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验

岩相互作用研究的重要课题之
收稿日期:２０１４－０４－１１ꎻ责任编辑:曾康生㊀ ㊀ ＤＯＩ:１０.１３１９９ / ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.１０.０１２ ) ꎬ男ꎬ陕西汉中人ꎬ博士ꎬ讲师ꎮ Ｔｅｌ:１５０２９７５３８５９ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｓｏｎｇｙｊ７９＠ １６３.ｃｏｍ
引用格式:宋勇军ꎬ雷胜友ꎬ毛正君ꎬ等. 干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验[ Ｊ] . 煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２(１０) :４８－５２. Ｓｔａｔｅｓ[ Ｊ] .Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２(１０) :４８－５２.
表 １㊀ 岩样变形参数
试样 状态 围压 / ＭＰａ １０ １５ ２０ 饱水 １０ １５ ２０ ０ ０ 偏差应 力 / ＭＰａ ２３������ ６６ ５０������ ３１ ６９������ ７３ ８９������ ４５ ２２������ ０３ ２７������ ２８ ５３������ １４ ５７������ ３２ 应变峰 ０������ １７０ ０������ ２６４ ０������ ３１８ ０������ ４７３ ０������ ２０８ ０������ ３０１ ０������ ３０８ ０������ ６１７ 值/ ％ 弹性模 量 / ＧＰａ １１������ １７ ２１������ ０９ ３０������ ３９ ２１������ ４４ １４������ １２ １７������ ０９ １９������ ５５ １７������ ３４ 泊松比 ０������ ２４ ０������ ２４ ０������ ２１ ０������ ２３ ０������ ２６ ０������ ２５ ０������ ２１ ０������ ２３
间点的一系列强度试验ꎬ结果表明ꎬ浸水后岩石强度 变化一般服从指数变化规律ꎬ 各力学强度指标将随 着饱水时间的延长而不断降低ꎬ６ 个月的饱水时间 点为岩石强度趋于稳定的临界点ꎮ 杨春和等 [１１] 研 究了板岩泡水后发生软化的过程与机理ꎮ 郭富利 获得了围压和饱水时间对软岩残余强度和峰后体积 变化的影响规律ꎮ 邓建华等 [１３] 进行了烘干和天然 情况下膏溶角砾岩力学性能的试验ꎬ研究表明ꎬ膏溶 角砾岩的峰值强度和弹性模量随着含水率的增加呈 指数减少ꎬ而泊松比呈线性增大ꎮ 兰渝铁路二期木 寨岭隧道洞身通过炭质板岩区ꎬ 板岩及炭质板岩段 岩体层理发育ꎬ富含裂隙水ꎬ 遇水易软化ꎬ 围岩稳定 合计长 ８ ８５０ ｍꎬ 占隧道全长的 ４６������ ５３％ꎮ 炭质板岩 性较差ꎬ极易产生大变形且局部易垮塌 [１４] ꎮ 笔者通 对木寨岭隧道炭质板岩的强度和变形特性有了较为 系统的认识ꎬ对该类岩石工程建设具有指导意义ꎮ 过一系列干燥和饱水状态下的岩石力学特性试验ꎬ 等 [１２] 对炭质页岩进行不同饱水时间下的三轴试验ꎬ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｔｈａｔ ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ ｓｌａｔｅ ｏｆ Ｍｕｚｈａｉｌｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ Ｌａｎｚｈｏｕ－Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｆｔｅｎｅｄ ｉｎｔｏ ｗａｔｅｒꎬｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂａｓｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｔｅｓｔｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ ｓｌａｔｅ ｗｈａｔ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｒｉａｘｉ￣ ａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎꎬＢｒａｚｉｌ ａｎｄ ｗｅｄｇｅ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｒｙ ａｎｄ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｔａｔｅｓ.Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｆａｉｌｕｒｅ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ ｓｌａｔｅ ｗａｓ ａｃｃｒｅｓｃｅｎｔ ｗｉｔｈ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｌｉｎｇꎬｂｕｔ Ｐｏｉｓｓｏｎ̓ｓ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ.Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬｔｈｅ ｄｒｙ ｓａｍｐｌｅ̓ｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏｗａｒｄｓ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ.Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅꎬｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅｄｇｅ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｌ￣ ｉｎｇ.Ｗａｔｅｒ ｈａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ ｓｌａｔｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ ｓｌａｔｅꎻｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓꎻｄｒｙ ａｎｄ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｔａｔｅｓꎻｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｘｃｅｅｄ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓａｍｐｌｅ.Ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｃｏｍｐａｒｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｒｙ ｒｏｃｋꎬｈｏｗｅｖｅｒ ｔｈｅ ｐｅａｋ
ＳＯＮＧ Ｙｏｎｇ￣ｊｕｎꎬＬＥＩ Ｓｈｅｎｇ￣ｙｏｕꎬＭＡＯ Ｚｈｅｎｇ￣ｊｕｎꎬ ｅｔ ａｌ. Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ Ｓｌａｔｅ Ｕｎｄｅｒ Ｄｒｙ ａｎｄ Ｓａｔｕｒａｔｅｄ
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宋勇军等:干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验
㊀ 第 ４２ 卷第 １０ 期
㊀ ２０１４ 年 １０ 月
Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
煤炭科学技术
Ｖｏｌ������ ４２㊀ Ｎｏ������ １０㊀ Ｏｃｔ.㊀ ２０１４㊀
干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验
３. 西安科技大学 地质与环境学院ꎬ陕西 西安㊀ ７１００５４ꎻ４. 中铁隧道集团有限公司 技术中心ꎬ河南 洛阳㊀ ４７１００９) (１. 西安科技大学 建筑与土木工程学院ꎬ陕西 西安㊀ ７１００５４ꎻ２. 长安大学 公路学院ꎬ陕西 西安㊀ ７１００６４ꎻ
微细观结构ꎬ使其产生孔隙㊁ 溶洞及溶蚀裂隙等ꎬ 并 增加其孔隙率ꎬ由此引起其强度和刚度等力学性质 的劣化 [１] ꎮ 尤其对于某些特殊的软岩ꎬ 在天然状态 下较为完整㊁坚硬ꎬ 力学性能良好ꎬ 遇水后短时间内 迅速膨胀㊁崩解和软化ꎬ从而造成力学性质快速大幅 下降ꎬ其研究意义更为重要ꎮ 目前ꎬ 国外学者 [２－３] 通 过不同含水状态下的岩石各种试验结果证实ꎬ 随着
宋勇军１ꎬ２ ꎬ雷胜友２ ꎬ毛正君３ ꎬ邹㊀ 翀４ ꎬ张文新４
摘㊀ 要:针对兰渝铁路二期木寨岭隧道炭质板岩富含裂隙水ꎬ遇水易软化的工程特性问题ꎬ 开展了干 燥和饱水状态下炭质板岩基本力学特性的试验研究ꎬ包括三轴压缩㊁巴西劈裂和楔形剪切试验ꎮ 结果 表明:炭质板岩饱水前后的应力峰值㊁应变峰值以及弹性模量均随围压的提高而增大ꎬ 泊松比随围压 的提高有所降低ꎬ并且干燥试样强度和弹性模量对围压的敏感度要高于饱水试样ꎮ 相对于干燥岩石ꎬ 饱水状态下岩石的强度峰值降低ꎬ而应变峰值提高ꎬ并根据楔形剪切试验结果ꎬ 得到了饱水前后岩石 的抗剪强度包络线ꎬ反映了水对炭质板岩强度和变形特性具有显著的影响ꎮ 关键词:炭质板岩ꎻ岩石力学ꎻ干燥和饱水状态ꎻ力学特性 中图分类号:ＴＤ３５３㊀ ㊀ ㊀ 文献标志码:Ａ㊀ ㊀ ㊀ 文章编号:０２５３ － ２３３６(２０１４)１０ － ００４８ － ０５
０㊀ 引㊀ ㊀ 言
㊀ ㊀ 岩石是一种含有裂隙㊁ 节理和各种缺陷的复杂 的非均质天然地质材料ꎬ 岩石遇水后力学性质软化 规律的研究ꎬ 是水 一ꎮ 长期受水浸泡的岩石不仅会使矿物颗粒间的摩 擦因数和黏聚力减小ꎬ 还可改变岩石的矿物组成与
基金项目:陕西省教育厅科学研究计划资助项目(１４ＪＫ１４８０) 作者简介:宋勇军( １９７９
测定了 ３ 种软岩按照不同饱水时
Hale Waihona Puke Baidu
２㊀ 试验结果分析
２������ １㊀ 三轴压缩试验 ㊀ ㊀ 考虑到岩石力学性质指标测试离散性较大ꎬ 对 干燥和饱水状态岩样各分 ３ 组进行平行测定ꎬ 每组 将试验结果进行整理ꎬ 其在各种围压下的 ８ 个典型 弹性模量取为轴向应力应变曲线上峰值强度以前近 似直线部分的平均斜率ꎬ泊松比采用下式计算: ν ＝－ 轴向应力应变曲线斜率 径向应力应变曲线斜率
Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ Ｓｌａｔｅ Ｕｎｄｅｒ Ｄｒｙ ａｎｄ Ｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ
ＳＯＮＧ Ｙｏｎｇ￣ｊｕｎ １ꎬ２ ꎬＬＥＩ Ｓｈｅｎｇ￣ｙｏｕ ２ ꎬＭＡＯ Ｚｈｅｎｇ￣ｊｕｎ ３ ꎬＺＯＵ Ｃｈｏｎｇ ４ ꎬＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ￣ｘｉｎ ４
４ 个岩样ꎬ共计 １２ 个岩样ꎬ 在各种围压下进行测试ꎬ 试验曲线如图 １ 所示ꎬ岩样变形参数见表 １ꎮ 其中ꎬ
(１)
１㊀ 岩石试验
１������ １㊀ 岩样制备
㊀ ㊀ 现场采集的炭质板岩岩块为长方体ꎬ 不存在肉 眼可见裂隙ꎮ 为了避免各向异性对岩石力学特性试 采集的试验岩块经实验室钻石机ꎬ 采用水钻法钻孔 度为 １００ ｍｍꎬ钻取的岩样的两端面首先用锯石切割 验结果的影响ꎬ制备岩石试样时沿同一个方向加工ꎮ 取芯ꎬ 制备岩样ꎮ 岩样为圆柱体ꎬ 直径为 ５０ ｍｍꎬ 长 机切平整ꎬ 然后在磨石机上进行研磨ꎬ 制成标准岩 样ꎮ 岩样直径的误差不超过 ０������ ３ ｍｍꎬ端面不平行度 误差不超过 ０������ ０５ ｍｍꎮ 岩样制备完毕后ꎬ 放入烘干 机内在 １０５ ~ １１０ ħ 的恒温下烘烤 ２４ ｈ 作为干燥岩 样ꎻ饱水状态试样的制备ꎬ 先使试样逐步浸水ꎬ 首先 淹没试样高度的 １ / ４ꎬ然后每隔 ２ ｈ 分别升高水面至 试样高度的 １ / ３ 和 １ / ２ 处ꎬ６ ｈ 后全部浸没试样ꎬ 再 采用真空抽气法强制饱水ꎮ
２０１４ 年第 １０ 期
岩石含水量或饱水度的增加ꎬ 各项力学性能指标均
[４－５]
发生不同程度的降低ꎮ 国内学者对大理岩 ㊁砂 [６－７] [８－９] 岩 ㊁花岗岩 等多种岩类进行过各种力学特性 试验ꎬ积累了丰富的试验资料ꎬ并得到大量的研究成 果ꎮ 周翠英等
[１０]
不同的加载速率ꎮ 试验用位移控制加载方式ꎬ 加载 速率控制在 ０������ ５ ｍｍ / ｍｉｎꎮ 楔形剪切试验是在楔形 剪切仪上进行的ꎬ试验方法是将标准岩石试样置于 倾斜压模内ꎬ采用不同的压模做试验ꎬ并根据剪切面 的平衡条件ꎬ计算得出剪断面上的正应力和剪应力 的大小ꎬ进而回归出岩石抗剪强度曲线ꎬ再按照库伦 定律计算黏聚力 Ｃ 和内摩擦角 φꎮ 巴西劈裂试验方 进而根据弹性力学解答计算岩石的抗拉强度ꎮ 法是在圆柱体试样的直径方向施加荷载直至破坏ꎬ
４.Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＣｅｎｔｅｒꎬＣｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ. ꎬＬｔｄ. ꎬＬｕｏｙａｎｇ㊀ ４７１００９ꎬＣｈｉｎａꎻ)
(１.Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＸｉ̓ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ̓ａｎ㊀ ７１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ＨｉｇｈｗａｙꎬＣｈａｎｇ̓ａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＸｉ̓ａｎ㊀ ７１００６４ꎬＣｈｉｎａꎻ３.Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬＸｉ̓ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ̓ａｎ㊀ ７１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ