周期性饱水下砂岩单轴抗压强度特性试验

魏伟 刘耕 关英俊

四川省交通勘察设计研究院有限公司 四川 成都 610017

1 概述

三峡库区建成运行以来，库水位一年之中水位在145m～175m来回变动，形成一个高达30m的水位差。库区沿岸大量码头桩基嵌入砂岩地层，库水位变动区岩体由于经历饱水-疏干往复作用致使其的力学性能弱化，从而间接导致码头嵌岩桩承载能力下降，影响码头结构的稳定性。桩基承载力弱化会引起库岸码头结构的大变形甚至威胁码头的整体问题，因此开展周期性泡水条件下库区砂岩力学性能弱化特征研究十分必要[1、2、3]。单轴抗压强度是岩石重要力学性能评价指标之一。

基于室内试验，进行了砂岩在不同次泡水次数下的单轴抗压试验，通过试验分析了砂岩在循环浸泡下单轴压缩试验下应力应变曲线变化规律及抗压强度的变化规律；同时引入劣化度对不同浸泡次数的砂岩劣化程度进行了评价，试验结果对库区桩基工程等具有参考意义。

2 砂岩单轴试验

在砂岩饱和状态、干燥状态下两种状态下分别进行1次、5次、10次、15次、20次、40次的周期性饱水循环单轴压缩实验。在进行实验中，规定压力头压力大于1000Kpa，并放置于合适位置上。数据采集使用位移传感器，安装在被测试样本两侧以及顶端，使用感器自带的传感器位置监测系统确定传感器位置摆放是否合理。传感器安装完成之后，使用操作软件进行实验预加载，即压力头正好与实件接触，随后进行实验，压力增加速率为0.5～1.0 MPa/s，压力加载停止的条件为试件被完全破坏。在试验过程中，收集并保存数据，同时记录试验过程中明显的试验现象。

3 试验结果分析

下图1、图2为砂岩分别经过5次和40次循环浸泡后进行单轴试验的图。

图1 5次循环

图2 40次循环

在不同周期性泡水次数情况下对砂岩进行单轴压缩实验，得出的砂岩单轴压缩实验应力-应变的曲线可以看出其变化特征如图3所示，通过该曲线可以看出在不同周期性饱水次数单轴压缩实验中，砂岩的变化特征可以划分为5各阶段，分别为裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段、裂隙加速扩展阶段和应变软化阶段。其中，裂隙压密阶段，在实验初期岩石样本会出现天然裂隙或者空隙的闭合，其应变曲线呈现非线性的趋势；弹性变形阶段，砂岩样本应力曲线呈现直线特征，其变形会伴随压力的撤销而恢复，该阶段受实验环境和条件的影响较小，所以取得弹性模量值较为完善、准确。

图3 砂岩单轴压缩试验应力应变曲线

砂岩样本在裂隙拓展阶段中，其应力与应变曲=曲线呈现出近似线性的特征，但是当前阶段实验样本的变化为实质性，不会伴随压力的撤销而恢复原来状态。该阶段的标志为实验样本出现损伤。在裂隙加速扩展阶段，裂隙经历由出现到贯通并形成剪切面阶段，当出现抗压强度峰值点（单轴压缩抗压强度）之后，标志该阶段结束。应变软化阶段出现在抗压强度峰值点之后，此时砂岩样本失去大部分抗压强度和承载重量水平，最终表现出残余强度。

由样本实验阶段变化曲线特征可以得出，砂岩为脆性岩石。在样本出现峰值点（最大应力点）之后，其抗压性能会出现直线型下降。在弹性阶段，应力与压力呈现出线性关系且明显。

依据公示进行计算的弹性模量并做出的曲线图如图1所示，该数据结果表明砂岩样本的单轴抗压强度以及其弹性模量与周期性饱水循环次数呈现相互负相关线性关系。

表1 单轴压缩试验结果

使用劣化程度来描述和研究周期性饱水循环对于砂岩样本的劣化程度，将该数值与干燥状态下的砂岩样本数据进行对比，将在周期性饱水循环中损失的力学数值百分比作为总猎花都，得出结果如表2所示。

表2 砂岩样本单轴压缩试验劣化程度分析

根据表中数据可以得出，在第一次的周期性饱水循环中，砂岩样本的单轴抗压强度和弹性模量相比较于之后的饱水循环实验，其损失均较大，并且在之后的20次实验中，其劣化总量所占的比重也很大。该发现与很多学者的发现一致，在之前有多位学者表明不论对砂岩进行周期性饱水试验、冻融实验、荷载试验，在第一次进行循环时均会出现砂岩样本劣化程度最大，最后的劣化程度逐渐减少。

4 结论

本文开展了砂岩在不同周期饱水循环下单轴压缩试验，分析了砂岩在循环浸泡下单轴压缩试验下应力应变曲线变化规律及抗压强度的变化规律。通过试验得出：

（1）不同周期性饱水次数下应力应变曲线都可分为5个阶段：裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定至贯通阶段、裂隙加速扩展阶段、应变软化阶段。

（2）砂岩样本单轴抗压强度及模量与周期性饱水循环次数呈现出负相关性，线性关系。

（3）砂岩样本在第一次循环饱水中出现的劣质化最为严重，在随后的实验中其劣质化程度逐渐减少。