楊有貞, 金夢(mèng)華, 強(qiáng)文華, 郭 家, 馬文國(guó)

(寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院 固體力學(xué)研究所,寧夏 銀川 750021)

賀蘭口巖畫(huà)區(qū)屬于干旱大陸季風(fēng)氣候[1],降水量小,但該地區(qū)屬于沖溝,為地表明流,巖石裂隙可填充水,水-巖相互作用不可忽視.暴露在自然環(huán)境下的巖石,會(huì)受到降水、地表流水或地下水的影響,巖石浸水后巖石裂隙吸水會(huì)改變內(nèi)部的一些物理、力學(xué)性質(zhì)[2].例如水分子進(jìn)入巖石裂隙或者孔隙時(shí),其中的鹽分可能會(huì)發(fā)生結(jié)晶而撐裂孔隙[3],或水分子在溫度較低情況結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹使得裂隙或孔隙被撐大.此外，巖石中的水分子在進(jìn)行無(wú)休止的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),可能會(huì)使巖石結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成發(fā)生變化,使巖石分解.

巖石的超聲波波速對(duì)巖石內(nèi)部的物理、力學(xué)性質(zhì)有較好的相關(guān)性.巖石的吸水特性表明,吸水后巖石物理力學(xué)性質(zhì)的變化,可通過(guò)探究飽水度對(duì)縱波波速的影響來(lái)進(jìn)行分析.朱合華等[4]分別對(duì)飽和狀態(tài)下的砂巖、大理巖、花崗片麻巖、黑云母麻巖在干燥和浸水飽和狀態(tài)下的波速研究發(fā)現(xiàn),飽和后的縱波波速均有不同程度的增加.周治國(guó)等[5]在飽水度對(duì)砂巖縱波波速及強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)研究中對(duì)巖石進(jìn)行飽水和風(fēng)干實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,巖石的縱波波速與飽水度并無(wú)線(xiàn)性關(guān)系,亦非單調(diào)的,在飽水度不同的變化過(guò)程中,飽水度與縱波波速的關(guān)系亦不相同.劉新榮等[6]在巖石尺度效應(yīng)對(duì)吸水率影響的研究中發(fā)現(xiàn)砂巖的吸水效果與樣品的縱波波速的平方和CT數(shù)值反比例相關(guān).鄧濤等[7]研究發(fā)現(xiàn),浸水飽和后的巖樣縱波波速明顯不同于干燥狀態(tài)下的縱波波速并表現(xiàn)出分散性,巖石的各向異性被弱化.

對(duì)于賀蘭山地區(qū)巖畫(huà)載體巖石的吸水特性,馮曉芳[8]建立了砂巖在時(shí)間序列上的吸水特征.然而,考慮到賀蘭口巖石經(jīng)常處于含水環(huán)境中,測(cè)試巖石波速必須考慮巖石吸水率這一參數(shù).為此,本文以賀蘭山口巖石材料為研究對(duì)象,探究巖石吸水特性的時(shí)間變化規(guī)律及巖樣縱波波速隨吸水率的變化情況.

1 實(shí)驗(yàn)方案

賀蘭山在我國(guó)的400 mm年等降水量線(xiàn)上,降雨集中在7,8,9月份,暴雨較多,存在局部洪災(zāi)[9].賀蘭山較為特殊的地勢(shì)地貌,使得山體中含有大量的巖隙水,這些巖隙水便是浸入到巖石里的地下水.巖石由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化等應(yīng)力作用的影響,會(huì)產(chǎn)生斷層或者裂隙并且不斷發(fā)育擴(kuò)大,從而為溝內(nèi)裂隙水提供了條件[10];同時(shí),賀蘭山地區(qū)的豐沛雨水為溝內(nèi)裂隙水提供了水源.由于山體的地表受到外力作用產(chǎn)生地形切割,地下水又以泉水的形式露出地表形成溪流,富集在山溝內(nèi)并沿著谷溝低洼處流出,在山前荒漠平原形成洪積扇.

本文試驗(yàn)所選巖樣為采集于賀蘭口巖畫(huà)載體砂巖.為降低巖樣個(gè)體性差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,采樣過(guò)程中主要考慮巖石顏色、節(jié)理、均勻性等因素,選用較為新鮮的整體巖塊,無(wú)明顯節(jié)理及裂隙.按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11],在磨平機(jī)上磨平巖樣,以便控制巖樣的加工精度,在允許的誤差范圍內(nèi)(相鄰面互相垂直,偏差不超過(guò)0.25°;相對(duì)面平行,不平行度不大于0.05 mm).如圖1所示,選取直徑均為5 cm,高度分別為10 cm,5 cm的柱狀巖石樣品各5個(gè),分別標(biāo)號(hào)為1a，2a,…，5a,1b，2b,…，5b,其中1a～3a與1b～3b為自然吸水率實(shí)驗(yàn),4a～5a與4b～5b為飽和吸水率實(shí)驗(yàn).

圖1 實(shí)驗(yàn)巖樣圖

在吸水率實(shí)驗(yàn)中,從5 cm和10 cm的試樣中分別選擇3個(gè)巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn).首先,將巖樣放置于真空干燥箱中干燥后,取出冷卻至室溫進(jìn)行稱(chēng)重,稱(chēng)重精確至0.01 g.然后,將巖樣完全浸入水中,分別在浸水后1 h,3 h,5 h,7 h,10 h,14 h,24 h和48 h進(jìn)行稱(chēng)重.最后,由下式計(jì)算出不同時(shí)刻巖樣的自然吸水率和飽和吸水率,即

(1)

式中:wa為巖樣自然吸水率;ms為烘干后巖樣的質(zhì)量;m0為巖樣自然浸水后的質(zhì)量.

巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,屬于非均勻材料,內(nèi)部裂隙隱蔽性強(qiáng),而聲波與巖石的強(qiáng)度以及破壞形式有密切的關(guān)系.通過(guò)聲波變化,可以分析巖石內(nèi)部在水的作用下發(fā)生的變化.本次試驗(yàn)使用圖2的瑞士Proceq材料超聲波測(cè)試儀,測(cè)試方法為圖3所示的直接發(fā)射法.其原理為,發(fā)射探頭發(fā)出的信號(hào)被接收探頭接受,利用超聲波在有限長(zhǎng)度的巖樣中傳播的時(shí)間差以及巖樣高度,由(2)式計(jì)算得出波速結(jié)果,即

圖2 Proceq材料超聲波測(cè)試儀

圖3 直接發(fā)射法示意圖

V=L/t，

(2)

式中:V為待計(jì)算的波速;L為巖樣的高度;t為超聲波傳播的時(shí)間差.

分別計(jì)算自然吸水率實(shí)驗(yàn)和自由飽和吸水率實(shí)驗(yàn)7個(gè)不同時(shí)刻(干燥到飽和)試樣的飽水度并測(cè)量對(duì)應(yīng)的縱波波速.對(duì)比不同吸水率實(shí)驗(yàn)中縱波波速的變化趨勢(shì),并比較同一吸水環(huán)境下不同高度巖樣的縱波波速變化.其飽水度計(jì)算為

(3)

式中:wb為飽水度;mt為某一時(shí)刻巖樣的質(zhì)量;m0為初始質(zhì)量;ms為飽和質(zhì)量.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1中給出了樣品1a～3a吸水過(guò)程中的質(zhì)量變化情況.樣品初始質(zhì)量分別為535.6,527.2,531.2 g,在0～5 h過(guò)程中樣品質(zhì)量分別快速增大至536.4,527.8,523.3 g,在5～10 h過(guò)程中分別緩慢增加至536.6,528.4,532.7 g,10 h后質(zhì)量趨于穩(wěn)定.可以看出,飽和后樣品質(zhì)量的增量分別為1.3,1.4,1.9 g,即飽和后樣品3a吸水的質(zhì)量最大,樣品2a次之,樣品1a吸水質(zhì)量最小.巖樣1b～3b初始干燥質(zhì)量分別為262.4,268.1,270.5 g,飽和后質(zhì)量分別為263.1,268.8,271.5 g.5～10 h時(shí)質(zhì)量緩慢增長(zhǎng)至262.9 g,268.8 g,271.1 g,隨后趨于穩(wěn)定.

圖4為吸水率隨時(shí)間變化的擬合曲線(xiàn).由圖4可知,巖樣吸水率隨浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)型分布,即在浸水初期,巖石吸水速度較快,吸水率增長(zhǎng)較快,隨后吸水率的增長(zhǎng)變緩,直至穩(wěn)定.圖4中,各曲線(xiàn)代表不同的擬合曲線(xiàn),擬合公式為

圖4 巖樣吸水率特性曲線(xiàn)

wa=alnt+wa0,

(4)

式中:a,wa0為擬合數(shù);t為吸水時(shí)間;wa為自然吸水率.

表1 樣品吸水過(guò)程中質(zhì)量變化情況表 g

由于不同的巖石樣品具有差異性,具有不同的吸水特性,即使高徑比相同,不同樣品的吸水率隨時(shí)間變化的擬合系數(shù)也不盡相同,其中系數(shù)a的數(shù)值越大,表示巖樣吸水率的變化越快.在樣品1a～3a中,樣品3a的系數(shù)a最大,表明樣品3a的吸水率變化快,樣品的孔隙體積較大,孔隙的數(shù)量較多.樣品1b～3b中，樣品3b的系數(shù)a最大,表明樣品3b的吸水率變化較快,樣品的孔隙較大,孔隙數(shù)量較多.

表2為吸水過(guò)程中不同時(shí)刻下樣品1a～3a,1b～3b的縱波波速,表3為相應(yīng)時(shí)刻的飽水度.

表2 自然吸水過(guò)程的縱波波速 m/s

表3 自然吸水過(guò)程不同時(shí)刻的飽水度 %

測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)巖樣完全飽和時(shí),對(duì)應(yīng)的縱波波速最快,以此為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)自然吸水過(guò)程中的波速進(jìn)行歸一化處理,得到巖樣縱波波速和飽水度變化關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5.由圖5可知,當(dāng)飽水度小于40%時(shí),巖樣波速隨著飽水度的增加變化緩慢;當(dāng)飽水度為40%～75%時(shí),巖樣波速變化明顯,隨著飽水度的增加,巖樣的縱波波速呈現(xiàn)非線(xiàn)性的增長(zhǎng)趨勢(shì);當(dāng)飽水度為75%～90%(自由飽和狀態(tài))時(shí),波速出現(xiàn)了明顯下降趨勢(shì);飽和度為90%～100%時(shí),歸一化波速迅速增加到1.結(jié)合表4,得到賀蘭山砂巖飽水過(guò)程中縱波波速增量與吸水率之間近似呈二次函數(shù)關(guān)系.這主要是因?yàn)樗M(jìn)入巖石孔隙,對(duì)巖石具有軟化作用,礦物質(zhì)之間的連接降低,使波速降低;隨著飽水度的增加,水在巖石孔隙中自由存在,導(dǎo)致縱波在傳播過(guò)程中傳播路徑增大,從而使得波速持續(xù)降低;當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),水充滿(mǎn)孔隙,將巖石中的空氣逼出,縱波在水和巖樣的耦合體中傳播,傳播路徑減小,波速增大.

表4 巖樣的縱波波速與飽和吸水率

圖5 縱波波速和飽水度變化關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)兩種巖樣進(jìn)行吸水試驗(yàn),分析了巖樣的吸水率隨浸水時(shí)間的變化,得出以下結(jié)論:

1)巖樣吸水率和浸水時(shí)間滿(mǎn)足對(duì)數(shù)型函數(shù)關(guān)系,即浸水時(shí)間越長(zhǎng),巖樣吸水率的增長(zhǎng)逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定.

2) 吸水過(guò)程對(duì)縱波波速影響很大,與浸水之前干燥狀態(tài)下的縱波波速相比,浸水飽和后的巖樣縱波波速明顯增大.