干湿循环作用下石膏岩劣化效应的试验研究

李 亚，余宏明，李 科,李雄峰

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710000)

干湿循环作用下石膏岩劣化效应的试验研究

李 亚1，余宏明1，李 科2,李雄峰1

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710000)

选取巴东十字垭隧道的石膏岩为研究对象，室内完成了0，1，3，6，12次干湿循环试验，测得了循环过程中吸水率、孔隙度和单轴压缩的试验数据。试验表明：石膏岩的吸水率和孔隙度与干湿循环次数呈对数函数形式，并随着干湿循环次数的增多而不断增大，但吸水率、孔隙度的增加量却逐渐减少；同样，石膏岩的单轴抗压强度和弹性模量随着干湿循环次数的增多而减小，并随着循环次数的增多，单轴抗压强度和弹性模量的减少量逐渐减少。通过分析对比石膏岩劣化参数变化率，得到干湿循环作用对石膏岩各个参数的劣化效果是不同的，其排序为：吸水率>弹性模量>单轴抗压强度>孔隙度。

石膏岩；干湿循环；吸水率；孔隙度；单轴压缩试验；劣化效应

1 研究背景

水与岩土体在一定的温度、压力范围内，进行物理、化学、动力作用称为水岩作用[1-2]。干湿循环过程是水岩作用的一种组成部分，是岩石受到水的侵蚀而产生损伤，再到自然失水而变得干燥；如此反复侵蚀，使得岩石损伤逐步积累，造成岩土体岩性劣化，影响其强度和变形程度[3-4]，对岩土工程的稳定性产生影响。如在隧道建设的过程中，原岩体应力状态发生改变，围岩次生裂隙发育，并为地下水的渗透提供了通道，随着地下水位的升高，岩石遭到侵蚀，地下水位下降，岩石又自然失水而干燥，如此干湿交替条件下，岩石的结构遭到破坏[5-6]，岩土体的稳定性受到影响，从而造成比较严重的工程问题。如，三峡2009年完成175 m高的水位蓄水，放水时水位下降30 m，如此季节性的水位升降，必然导致两岸岩土体长期受到干湿循环作用，长此以往，也将导致三峡库区比较严重的地质灾害作用。因此，干湿循环作用，长期作用于岩土体，引起岩土体强度的改变[7-10]，并由此产生比较严重的地质灾害是我们将面对的不可回避的问题。

本文选取巴东十字垭隧道的石膏岩为研究对象，结合室内试验“饱水-烘干-饱水”过程，模拟石膏岩干湿循环作用下的劣化过程，研究其对石膏岩的劣化影响，对相关工程问题有一定的参考意义。

2 试验设计

2.1 石膏岩的基本物理特性

试验设计所采用的石膏岩均采自湖北巴东十字垭隧道，选取有代表性的岩块，切割成尺寸约为50 mm×100 mm的标准圆柱试件，共20个，以便接下来的试验。并通过薄片鉴定，X衍射等试验测得其基本物理参数，见表1。

表1 石膏岩基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of gypsum rock

2.2 室内试验

为了模拟干湿循环的过程，将20个岩样分成5组，分别进行干湿循环试验。其中第Ⅰ组为0次干湿循环状态，第Ⅱ组—第Ⅴ组分别为进行1，3，6，12次的干湿循环试件。本次干湿循环试验吸水饱和过程采用自然浸泡法吸水，具体方法是在自然条件下，将试件置于饱和缸中2 h，浸没试样高度的1/4，6 h后完全浸没，48 h后取出。为了尽快干燥试样，将试样放于烘箱中，保持烘箱温度50℃不变，48 h后取出，试件干燥，这就是干湿循环的过程。将5组试件分别进行0，1，3，6，12次干湿循环，并将干湿循环过程完成之后的试件放于干燥缸中，以备接下来的试验。

2.2.1 石膏岩试件吸水率试验

吸水率计算公式为

(1)

式中：ωs为吸水率(%)；ms为吸水饱和后的质量(g)；md为干燥后试件的质量(g)。

通过记录每次吸水饱和后和干燥后的质量,可计算得出石膏岩的吸水率，计算结果见表2。

表2 石膏岩干湿循环试验结果Table 2 Result of drying-wetting test of gypsum rock

2.2.2 石膏岩孔隙度的试验

随着干湿循环次数的增加，吸水率逐渐增大，石膏岩的孔隙度也不断增加。通过室内试验可测得干湿循环试件的孔隙度，结果见表2。

2.2.3 石膏岩单轴压缩试验

将5组分别进行0，1，3，6，12次干湿循环的试件，进行单轴压缩试验。试验是在地质大学(武汉)工程学院岩石三轴伺服机实验室内采用Instron-1346三轴伺服机进行的，加载速率为0.01 mm/s直至试件破坏，测得不同干湿循环次数后石膏岩的单轴抗压强度与弹性模量，具体结果见表2。

3 试验数据结果分析

石膏岩干湿循环试验结果见表2。由表2可知，随着干湿循环次数的增加，吸水率与孔隙度不断增加，单轴抗压强度与弹性模量表现为不断减少，干湿循环作用对石膏岩的吸水率、孔隙度以及力学性质有较为明显的影响。为了进一步探求干湿循环作用对石膏岩的影响规律，首先，分别以石膏岩吸水率ωs、石膏岩孔隙度Φ、单轴抗压强度σc、弹性模量E为纵坐标，以干湿循环次数n作为横坐标，对试验数据进行分析。如图1所示，可得干湿循环次数n与ωs，Φ，σc，E的拟合表达式及相关系数r(n≤12)分别为：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：n为干湿循环次数;ωs(0)为0次干湿循环状态下石膏岩的吸水率；Φ(0)为0次干湿循环状态下石膏岩的孔隙度；σc(0) 为0次干湿循环状态下石膏岩的单轴抗压强度；E(0)为0次干湿循环状态下石膏岩的弹性模量；ωs(n) 为n次干湿循环状态下石膏岩的吸水率；Φ(n)为n次干湿循环状态下石膏岩的孔隙度；σc(n) 为n次干湿循环状态下石膏岩的单轴抗压强度；E(n)为n次干湿循环状态下石膏岩的弹性模量。

图1 干湿循环次数n与吸水率、孔隙度、 单轴抗压强度及弹性模量的拟合曲线Fig.1 Fitted relation curves of dry-wet cycle number n vs. water absorption rate，porosity，uniaxial compressive strength，and elastic modulus respectively

(1) 由图1中的(a),(b)可知，石膏岩的吸水率与孔隙度随着干湿循环次数的增加逐渐增大的，而且在干湿循环的初期增幅度较大，后期则较小，并趋向与稳定，拟合曲线的表达式(对数函数)也主要反映了该规律。

(2) 由图1中的(c),(d)可知，石膏岩的单轴抗压强度和弹性模量是随着干湿循环的次数增加逐渐减小，同样，初期减小幅度较大，后期较小，说明干湿循环对石膏岩的劣化强度在前期的影响速度相对较大。

然而，如何判定循环次数对石膏岩的各个参数的劣化效果的影响也是一个值得思考的问题。我们知道，干湿循环作用是一个以循环方式出现，并随着循环次数增加，劣化不断积累的过程，因此，利用每次干湿循环所引起的劣化的增量能比较好地反映循环作用效果。为了探求干湿循环作用对石膏岩孔隙度、吸水率、抗压强度以及弹性模量的劣化效果，可以通过拟合公式对干湿循环次数n求导，获得的干湿循环劣化的变化率，以变化率的大小来判定干湿循环次数的多少对石膏岩各个参数的劣化效果。

对式(2)—式(5)式进行归一化处理，可得归一化函数R的表达式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

按式(6)—式(9)可以绘制相应的图形，如图2所示。

图2 干湿循环次数与归一化函数R的关系Fig.2 Relation between dry-wet cycle number and normalized function R

由图2可知，干湿循环作用对各个参数的劣化效果强弱为：吸水率>孔隙度；弹性模量>单轴抗压强度。结合式(6)至式(9)与图2，可以看出，ln(n+1)项的系数的绝对值的大小与干湿循环作用对各个参数的劣化效果相一致，所以，对式(6) 至式(9)求导并取绝对值得：

(10)

(11)

(12)

(13)

按式(10)至式(13)绘制图形如图3所示。

图3 干湿循环次数n与归一化函数导函数|的关系Fig.3 Relation between dry-wet cycle number and the derived function of normalized function R

从图3可以看出石膏岩各个参数随着干湿循环次数n的变化率，函数R中ln(n+1)项的系数的绝对值越大，则各参数的在前几次干湿循环过程中的变化率越大。随着干湿循环次数的不断增加，各个参数的变化率又逐渐减小，并呈现一致的规律。

干湿循环作用对石膏岩各个参数的劣化效果反映到各个拟合公式中，就是对数项系数绝对值的大小，即ln(n+1)项系数的绝对值越大，则在低循环次数阶段各参数随干湿循环的变化率越大，反映其劣化程度越大。

从图3中还明显可以看出干湿循环作用各个参数的劣化效果排序为：吸水率>弹性模量>单轴抗压强度>孔隙度。

4 结 论

(1) 本文通过自行设计试验，对石膏岩分别进行0，1，3，6，12次的“饱水-烘干-饱水”循环试验，对不同干湿循环次数的石膏岩进行了吸水率、孔隙度的测试以及单轴压缩试验，得到了石膏岩的水理性指标和强度参数。

(2) 试验表明，随着干湿循环次数的增多，石膏岩的吸水率、孔隙度逐渐增加，但其增加量不断变少；石膏岩的单轴抗压强度和弹性模量则随着循环次数的增多，而不断减小，且随着循环次数的不断增多，其减小量不断减少。

(3) 石膏岩的劣化参数与干湿循环次数之间呈现良好的对数相关性，因此，探讨了拟合表达式的对数项系数的绝对值大小在低循环次数阶段，对石膏岩劣化参数变化率的影响。并通过分析得到，干湿循环作用对石膏岩各个参数的劣化效果是不同的，其影响次序排序为：吸水率>弹性模量>单轴抗压强度>孔隙度。

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(编辑：王 慰)

Laboratory Study on Degradation of Gypsum Rockwith Dry-Wet Cycles

LI Ya1, YU Hong-ming1, LI Ke2, LI Xiong-feng1

(1.Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;2.China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Xi’an 710000, China)

Test data of water absorption rate, porosity and uniaxial compression of the gypsum rocks from Shiziya tunnel in Badong were obtained through 0, 1, 3, 6, 12 cycles of drying and wetting test. Results showed that the water absorption rate and porosity of gypsum rock were in logarithmic function relationship with the wet-dry cycles. With the increase of wet-dry cycle, water absorption rate and porosity both increased; but the increment alleviated. Meanwhile, the uniaxial compressive strength and elastic modulus both reduced with the number of wet-dry cycles; and the reduction decreased gradually. Furthermore, dry-wet cycles had biggest degradation effect on water absorption rate, followed by elastic modulus, uniaxial compressive strength, and porosity.

gypsum rock; dry-wet cycle; water absorption rate; porosity; uniaxial compression test; degradation effect

2015-12-11；

2016-01-14

国家自然科学基金项目(41272377)

李 亚(1991-)，男，河南商丘人，硕士研究生，主要从事岩体工程方面的研究，(电话)13349838069(电子信箱)1718807117@qq.com。

余宏明(1954-),男 ,湖北武汉人,教授,硕士,主要从事地质灾害与岩土工程领域的教学与科研工作,(电话)18986153319(电子信箱)yuhongming55@sohu.com。

10.11988/ckyyb.20151088

2017,34(3):63-66

TU452

A

1001-5485(2017)03-0063-04