馬福榮， 張信貴， 易念平

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

取樣卸荷對膨脹性泥巖強(qiáng)度與變形特性影響的試驗研究

馬福榮， 張信貴， 易念平

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

泥巖強(qiáng)度和變形參數(shù)是工程設(shè)計與施工控制的重要指標(biāo)。為研究卸荷作用和水巖作用對膨脹性泥巖強(qiáng)度和變形特性的影響程度，選取南寧盆地典型膨脹性泥巖為研究對象，進(jìn)行了加卸荷剪切試驗和無荷膨脹率試驗，在此基礎(chǔ)上，分析了卸荷泥巖強(qiáng)度變化規(guī)律，探討了水巖作用對卸荷泥巖變形特性的影響程度。試驗結(jié)果表明，卸荷作用引起泥巖強(qiáng)度降低，壓縮性增大，相比于加載條件，卸荷狀態(tài)下泥巖的黏聚力明顯較高，而內(nèi)摩擦角則相對較小。引入卸荷比和強(qiáng)度損失率分析了卸荷泥巖的強(qiáng)度變化規(guī)律，卸荷泥巖強(qiáng)度損失率隨卸荷比增加而增大，當(dāng)卸荷比為0.7～0.8時，泥巖強(qiáng)度損失率最大。相對于卸荷作用，水巖作用對泥巖變形特性的影響較大，對樣品的損傷約占30%～65%。研究結(jié)果表明獲取試樣力學(xué)參數(shù)中不能忽略取樣過程對泥巖強(qiáng)度和變形特性的影響。

泥巖； 取樣卸荷； 應(yīng)力路徑； 強(qiáng)度； 變形

取樣過程中存在著三類擾動作用，即機(jī)械擾動、應(yīng)力釋放和水巖作用[1]。對膨脹性泥巖而言，該三類擾動是影響獲取泥巖樣品相關(guān)參數(shù)中最重要的影響因素。機(jī)械擾動、應(yīng)力釋放會加速泥巖樣品裂隙擴(kuò)張，為水巖作用開辟通道。由于泥巖具有遇水膨脹失水收縮的特性，水作用將引發(fā)泥巖表層膨脹、崩解甚至泥化，尤其是干濕循環(huán)后膨脹、崩解進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致泥巖樣品品質(zhì)降低。卸荷樣品與原位樣品的力學(xué)性質(zhì)和變形特性存在顯著不同[2-3]。因此，在水巖作用的基礎(chǔ)上探討卸荷對膨脹性泥巖性質(zhì)的影響規(guī)律，可獲取可靠的試驗參數(shù)用于工程實踐。

巖體工程在加載與卸載條件下,其力學(xué)特性截然不同。許多學(xué)者對卸荷硬巖體的變形特性、力學(xué)性質(zhì)及破壞模式進(jìn)行了研究，取得了一系列成果。王璐等[4]結(jié)合錦屏二級深埋引水隧洞工程，對大理巖進(jìn)行了常規(guī)和卸荷三軸試驗，發(fā)現(xiàn)卸荷應(yīng)力狀態(tài)下縱橫向應(yīng)變較常規(guī)狀態(tài)小，內(nèi)聚力降低，摩擦角增大。張凱等[5]從卸荷速率分析了卸荷速率對大理巖強(qiáng)度的影響，指出圍壓卸荷速率越大，巖樣強(qiáng)度越高，卸荷點處于彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力路徑對強(qiáng)度的影響不明顯。張成良等[6]對輝綠巖進(jìn)行加、卸荷三軸試驗，指出相對于加載狀態(tài)，卸荷狀態(tài)脆性破壞特征明顯，體積擴(kuò)容加劇。嚴(yán)鵬等[7]從取樣損傷的角度，研究了深部高應(yīng)力區(qū)巖樣獲取方法，提出了一種低應(yīng)力取樣方法，即套鉆取樣，可以有效提高樣品強(qiáng)度。趙國彥等[8-9]從不同應(yīng)力路徑的角度對花崗巖進(jìn)行了三軸卸荷試驗，指出卸載狀態(tài)下側(cè)向擴(kuò)容顯著。黃偉等[10]結(jié)合錦屏水電樞紐二級水電站交通輔助洞的綠泥質(zhì)砂巖工程，進(jìn)行高圍壓條件下巖石卸荷試驗，得到了巖石卸荷擴(kuò)容特性和卸荷本構(gòu)模型。郭印同等[11]結(jié)合金壇地下鹽穴儲氣庫工程，進(jìn)行了卸圍壓三軸試驗，得到了鹽巖卸圍壓過程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和變形特征。李棟偉等[12]通過先固結(jié)后徑向卸載的三軸剪切試驗方法模擬煤礦泥巖巷道開挖過程中應(yīng)力狀態(tài)變化, 獲得了軟巖彈黏塑本構(gòu)力學(xué)模型。原先凡[13]和王宇等[14]分別對砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖進(jìn)行了三軸卸荷流變試驗，建立了軟巖卸荷流變本構(gòu)模型。鄧華鋒等[15]對砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了三軸加、卸載試驗，研究了泥巖加、卸荷抗壓強(qiáng)度取值問題，提出半對數(shù)數(shù)據(jù)分析法確定軟巖強(qiáng)度。

以上研究主要對卸荷硬巖力學(xué)特性和變形規(guī)律進(jìn)行研究，但對淺部工程卸荷泥巖的力學(xué)性質(zhì)與變形特性的研究并不多見，尤其是對卸荷膨脹性泥巖的研究涉及較少。因此，開展水巖耦合作用下卸荷泥巖力學(xué)行為與變形特性的研究有重要意義。本文針對南寧盆地灰色膨脹性泥巖，經(jīng)室內(nèi)模擬取樣過程，開展加、卸荷剪切試驗和無荷膨脹率試驗，研究水巖作用下卸荷泥巖的強(qiáng)度和變形特性及其變化規(guī)律。

1 試驗方案及試驗條件

1.1 試驗準(zhǔn)備

圖1 泥巖試樣Fig.1 Samples of mudstone

試樣取自南寧某建筑基坑，取樣深度為8～15 m，在基坑處采用人工開挖法取樣。采用保鮮膜包裹試樣，裝于充填紙屑和海綿的泡沫箱中運(yùn)輸，利用鋼絲鋸和切土刀切取試樣，降低對泥巖的擾動。擬進(jìn)行加、卸載的直接剪切試驗和無荷膨脹率試驗。加、卸載直接剪切試驗采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，采取快剪試驗方法，依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，剪切速率采用0.8 mm/min，無荷膨脹率試驗采用固結(jié)儀。試樣按照《標(biāo)準(zhǔn)》加工成直徑61.8 mm，高20 mm的土餅樣品，泥巖樣品如圖1所示。

1.2 試驗方案

(1)加載試驗。法向應(yīng)力分別為100，200，300，400 kPa作用下進(jìn)行快剪試驗，獲得加載狀態(tài)下的τ-σ曲線和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

(2)卸載試驗。首先對泥巖試樣分別在不同垂直荷載(100，200，300，400 kPa)作用下進(jìn)行固結(jié)試驗，然后逐級卸載，待每級卸載穩(wěn)定后進(jìn)行剪切試驗，獲得卸載狀態(tài)下的τ＇-σ＇曲線和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。卸載試驗具體情況見表1。

表1 卸載試驗情況Tab.1 Test conditions of unloading

(3)為考慮取樣時水對泥巖的影響，從膨脹與變形的角度設(shè)計了水巖作用對卸荷泥巖變形特性影響的試驗。一是進(jìn)行原狀樣品的無荷膨脹率試驗；二是進(jìn)行卸荷樣品的無荷膨脹率試驗，分別獲取無荷膨脹率δe與物理性質(zhì)指標(biāo)。

2 應(yīng)力路徑與強(qiáng)度

2.1 取樣卸荷的應(yīng)力狀態(tài)分析

天然狀態(tài)巖土體是三相受力體，取樣卸荷過程中，深處土體應(yīng)力隨上覆土層的卸除而產(chǎn)生變化，并發(fā)生重分布。鉆孔底部下某深度處土體單元A點的受力過程如圖2所示，應(yīng)力重分布過程如圖3所示。應(yīng)力重分布過程即是泥巖內(nèi)部能量釋放過程，這一過程致泥巖內(nèi)部裂隙增大，結(jié)構(gòu)受損，從而降低了泥巖樣品的強(qiáng)度。

圖2 鉆探過程中A點受力狀態(tài)Fig.2 Stress phase in drilling of point A

圖3 A點卸荷過程的應(yīng)力摩爾圓Fig.3 Mohr’s circles in unloading stress process

2.2 應(yīng)力路徑與強(qiáng)度分析

圖4 超固結(jié)土固結(jié)不排水剪試驗中的應(yīng)力路徑Fig.4 Stress parth for a consolidated-undrained triaxial test on overconsolidated soil

南寧盆地泥巖具有較強(qiáng)的超固結(jié)性[16], 前期固結(jié)壓力遠(yuǎn)高于第四系硬土，在一定程度上影響著泥巖強(qiáng)度。圖4為超固結(jié)狀態(tài)下的三軸固結(jié)不排水剪切試驗的應(yīng)力路徑，圖中p=(σ1+σ3)/2，q=(σ1-σ3)/2，σ1,σ3分別為大小主應(yīng)力，p,q為總應(yīng)力，p′,q′為有效應(yīng)力。圖中A表示天然原位狀態(tài)即K0狀態(tài)，B表示取樣卸荷后的狀態(tài)，C表示對試樣進(jìn)行等向固結(jié)后的狀態(tài)。AF為原狀土的總應(yīng)力路徑，ABD為卸荷樣品的總應(yīng)力路徑，ABCE為等向固結(jié)樣品的總應(yīng)力路徑。BD′，CE′，AF′為有效應(yīng)力路徑。卸荷樣品強(qiáng)度(D點)和等向固結(jié)樣品強(qiáng)度(E點)遠(yuǎn)小于原狀土強(qiáng)度(F點)。由應(yīng)力路徑分析可知卸荷對試樣的初始影響不可忽略，必須考慮卸荷對泥巖強(qiáng)度及變形的影響。室內(nèi)試驗用樣為卸荷樣品，試驗參數(shù)值過低，常常無法被工程所利用的現(xiàn)象時有發(fā)生。

圖5 卸荷直接剪切應(yīng)力路徑Fig.5 Stress parth for unloading direct shear test

3 卸荷泥巖的強(qiáng)度變化分析

3.1 試驗內(nèi)容

本試驗利用五聯(lián)直接剪切試驗儀，通過室內(nèi)試驗?zāi)M取樣卸荷過程，其應(yīng)力路徑為固結(jié)-卸荷-快剪，應(yīng)力路徑如圖5所示，圖中p,q意義同上。O→A點為固結(jié)壓力下的固結(jié)過程，A→B→C為卸荷、穩(wěn)定過程，C→D為剪切過程。試驗分為加載試驗和卸荷試驗。

試驗樣品的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。樣品分為兩大組，一組樣品進(jìn)行卸載試驗，在先期固結(jié)壓力P1作用下進(jìn)行固結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定時，進(jìn)行卸荷，每級卸荷量為50 kPa，最后一級卸荷量為25 kPa，終級卸荷至25 kPa，待卸荷穩(wěn)定后，進(jìn)行快剪試驗，并獲得不同先期固結(jié)壓力、不同卸荷等級下的抗剪強(qiáng)度；另一組樣品進(jìn)行加載試驗，剪切試驗時作用在試樣上的法向壓力分別為100，200，300，400 kPa，并獲得加載條件下的抗剪強(qiáng)度。

表2 泥巖物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Physical and mechanical parameters of mudstone

圖6 加、卸狀態(tài)下泥巖強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.6 Intensity curve of mudstone under conditions of loading and unloading respectively

固結(jié)壓力P1/kPa黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/°100275.628.9200299.326.9300331.730.6400363.129.4

3.2 卸荷泥巖力學(xué)性質(zhì)分析

加、卸載作用下的抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，加載狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線呈近似直線變化，其黏聚力c為241.3 kPa,內(nèi)摩擦角φ為39.1°。卸荷狀態(tài)下泥巖抗剪強(qiáng)度包線基本位于加載抗剪強(qiáng)度包線上方，并呈曲線變化。各卸荷作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表3，比較加、卸荷作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可知，卸荷狀態(tài)下的黏聚力均大于加載狀態(tài)，而卸荷狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角均小于加載狀態(tài)。卸荷狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角隨固結(jié)壓力變化而小幅度波動，而黏聚力受固結(jié)壓力的影響較大。

圖7 強(qiáng)度損失率與卸荷比關(guān)系曲線Fig.7 Variations of loss rate of strength and unloading ratio

4 水巖作用對卸荷泥巖變形特性的影響

前面提到取樣過程存在著三類擾動作用，而室內(nèi)試驗時不考慮取樣階段卸荷回彈和膨脹變形對樣品的初始影響，從而直接影響到泥巖的變形特性，因此，不能忽略卸荷與水巖作用對泥巖樣品變形特性的影響。

4.1 試驗內(nèi)容

利用固結(jié)儀模擬卸荷回彈與水巖作用下的變形，研究產(chǎn)生過程及量值變化。試驗內(nèi)容為原狀樣品的無荷載膨脹率試驗和對樣品進(jìn)行預(yù)壓固結(jié)后的無荷載膨脹率試驗。無荷載膨脹率試驗是指測定原狀土或擾動土在無荷載有側(cè)限條件下的膨脹率試驗。原狀樣品試驗：在固結(jié)儀內(nèi)安裝試樣，自下而上向容器內(nèi)注入純水，并保持水面高出試樣5 mm，注水后每隔2 h測記豎向位移1次，直至2次讀數(shù)差值不超過0.01 mm，認(rèn)為膨脹穩(wěn)定，記下最終變形量。預(yù)壓固結(jié)樣品試驗：首先在固結(jié)儀中施加豎向固結(jié)壓力，對樣品進(jìn)行固結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定后測記豎向變形量，然后卸荷，待試樣變形穩(wěn)定后測記回彈變形量，接著向容器內(nèi)注入純水，進(jìn)行無荷膨脹率試驗，試驗方法同原狀樣品，固結(jié)與卸荷作用下的變形情況如表4所示。試驗結(jié)束后均測定試樣的含水量和密度。

表4 固結(jié)與卸荷作用下的變形量Tab.4 Deformation under consolidation and unloading

4.2 取樣過程對泥巖初始變形的影響分析

取樣卸荷模擬試驗的變形情況如表5所示。原狀樣品室內(nèi)無荷膨脹率試驗得到的豎向變形量記為損傷樣品膨脹變形量，用△D表示。對原狀樣品進(jìn)行預(yù)固結(jié)處理后的無荷膨脹率試驗得到的豎向變形量記為非損傷樣品膨脹變形量，用△S表示，△H為卸荷回彈變形量。通過模擬取樣過程對巖樣變形的影響可知，在卸荷和水巖作用下樣品的變形量為(△S+△H-△D)，非損傷樣品總變形量為(△S+△H)。用結(jié)構(gòu)損傷度表征水巖作用和卸荷作用分別對泥巖試樣變形的影響程度，由表5可知，水巖作用對泥巖試樣的影響較大，結(jié)構(gòu)損傷度(△D/(△S+△H))約達(dá)30%～65%。相對于水巖作用的影響，卸荷作用對試樣變形的影響較小，結(jié)構(gòu)損傷度(△H/(△S+△H))約為4%～21%。比較樣品損傷前后膨脹變形量試驗結(jié)果可知，取樣擾動損傷后樣品的膨脹變形量遠(yuǎn)小于非損傷樣品，且隨著固結(jié)壓力的增加，損傷影響顯著增加。

表5 取樣卸荷作用模擬試驗的泥巖變形情況Tab.5 Deformation of mudstone under unloading

原狀樣品和卸荷樣品的無荷膨脹率試驗指標(biāo)見表6。

表6 無荷膨脹率試驗指標(biāo)Tab.6 Physical parameters of unloaded swelling ratio test

圖8 無荷膨脹率與吸水量關(guān)系Fig.8 Relationship between swelling rate and water absorption

由表6可知，原狀樣品的吸水量為8.96, 10.34, 6.43, 5.42 g，卸荷樣品的吸水量為9.47,13.28,6.78,7.45 g。比較吸水量可知，卸荷樣品的吸水量明顯高于原狀樣品。相同吸水量下，卸荷樣品的膨脹率大于原狀樣品，且膨脹率隨吸水量的增加而增大，如圖8所示。由膨脹率與時間關(guān)系曲線(圖9)可知，卸荷樣品吸水膨脹時間和無荷膨脹率均大于原狀樣品，卸荷作用致使泥巖膨脹性增強(qiáng)了，吸水能力增大了。

一般地，膨脹量與它的起始含水量和密實程度相關(guān)，但即使所有條件一致，最終膨脹量大小也與是否能充分吸水有關(guān)，即使具有較高的膨脹潛勢，也不能充分吸水，實際產(chǎn)生的膨脹變形必然是不夠充分的。

由此可見，取樣卸荷對泥巖強(qiáng)度與變形的影響表現(xiàn)在兩個方面，一是微觀影響，因卸荷致泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連接發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)重組，其黏聚力降低明顯。取樣時的水巖作用由外及里逐漸弱化了泥巖的膠結(jié)物，破壞了泥巖顆粒間的膠結(jié)作用，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有逐漸減小并消失的趨勢，且水作用使土顆粒水膜增厚，顆粒間引力占優(yōu)勢，泥巖更易膨脹和收縮。二是宏觀影響，取樣的擾動作用對泥巖結(jié)構(gòu)的影響在宏觀上表現(xiàn)出來的是壓縮性增大，可恢復(fù)變形減小，且所有宏觀上表現(xiàn)出來的不可逆和力學(xué)性能的降低歸根結(jié)底是其結(jié)構(gòu)損傷的結(jié)果。

圖9 水巖作用下膨脹率與時間的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between swelling rate and time under water-rock interaction

5 結(jié) 語

對南寧盆地灰色膨脹性泥巖卸荷應(yīng)力路徑與強(qiáng)度的分析表明，取樣卸荷對樣品室內(nèi)參數(shù)的影響是不可忽略的。對泥巖樣品加、卸荷試驗表明，隨著卸荷比增加，強(qiáng)度損失逐漸增大，且在卸荷初期，卸荷比與強(qiáng)度損失率呈近似線性關(guān)系，當(dāng)卸荷比為0.7～0.8時，泥巖強(qiáng)度損失率最大。卸荷作用與水巖作用共同影響下的試驗研究表明，卸荷樣品的吸水量明顯高于原狀樣品。相同吸水量下，卸荷樣品的膨脹率大于原狀樣品的膨脹率，卸荷作用使試樣最終膨脹量增大。取樣卸荷過程從微、宏觀方面影響了泥巖強(qiáng)度和變形特性，水巖作用對泥巖初始變形的影響大于卸荷作用，其對樣品的損傷約占30%～65%。

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[15] 鄧華鋒, 原先凡, 李建林, 等. 軟巖三軸加-卸載試驗的破壞特征及抗壓強(qiáng)度取值方法研究[J]. 巖土力學(xué), 2014, 35(4): 959- 966. (DENG Huafeng, YUAN Xianfan, LI Jianlin, et al. Research on failure characteristics and determination method for compressive strength of soft rock in triaxial loading and unloading tests[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(4): 959- 966. (in Chinese))

[16] 張信貴, 易念平, 黃紹鏗. 南寧盆地泥巖承載性狀研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2000, 19(3): 357- 360. (ZHANG Xingui, YI Nianping, HUANG Shaokeng. Research on the bearing properties of mudstone in Nanning basin[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(3): 357- 360. (in Chinese))

Experimentalstudyofunloadingimpactondeformationbehaviorandstrengthofmudstoneinsamplingstate

MA Furong， ZHANG Xingui， YI Nianping

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

The strength and deformation characteristics of mudstone are important reference indexes in the engineering design and construction management. In order to analyse the effect of water-rock interaction and unloading on the strength properties and deformation characteristics of expansive mudstone, the sample of typical expansive mudstone in Nanning basin is chosen for the loading and unloading shear test and unloaded expansion ratio test. The intensity change rule of unloading mudstone is analyzed. And the influence of water-rock interaction on the deformation characteristics is discussed. The deformation and the curve of unloaded expansion ratio test are obtained. The experimental results show that sampling unloading has a great influence on the strength and compressibility, as well as the expansion deformation. Due to the unloading, the strength of mudstone decreases and the compression ratio of mudstone increases. The internal friction angle under unloading condition is smaller than that under the loading condition, while the value of cohesion increases. The unloading ratio and the loss strength rate are used to analyze the variation law of the strength of unloading mudstone. With the increase of the unloading ratio, the loss strength rate of unloading mudstone also increases. When the unloading ratio is between 0.7 and 0.8, the loss rate of mudstone strength is the largest. Compared with the unloading effect, the water-rock interaction has a greater influence on the deformation characteristics of unloading mudstone, and its structural damage to mudstone is up to 30% ～ 65% during the sampling progress. So, the influence of sampling process on the strength and deformation characteristics of mudstone can’t be ignored.

mudstone; sampling unloading; stress path; strength; deformation

TU43

A

1009-640X(2017)05-0109-08

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.016

馬福榮， 張信貴， 易念平. 取樣卸荷對膨脹性泥巖強(qiáng)度與變形特性影響的試驗研究[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報, 2017(5): 109-116. (MA Furong, ZHANG Xingui, YI Nianping. Experimental study of unloading impact on deformation behavior and strength of mudstone in sampling state[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(5): 109-116. (in Chinese))

2016-08-31

廣西自然科學(xué)基金資助項目(2011GXNSFB018002)； 廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目(KY2016YB586)

馬福榮(1978—)， 男， 廣西資源人， 副教授， 博士研究生， 主要從事軟巖工程及基礎(chǔ)工程等方面的教學(xué)和科研工作。E-mail： mfrong2004@163.com