于 越，李長(zhǎng)冬*，洪望兵，孟 杰，付國(guó)斌

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)湖北巴東地質(zhì)災(zāi)害國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 武漢 430074；3.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

水-巖相互作用機(jī)制與工程巖土體穩(wěn)定性相關(guān)，是巖土工程領(lǐng)域的前沿問(wèn)題[1]。大量研究表明，水-巖相互作用引起的巖石風(fēng)化是物理、化學(xué)、生物等多種因素綜合作用的結(jié)果[2-8]。水-巖作用導(dǎo)致巖石風(fēng)化的外在表現(xiàn)為巖石的結(jié)構(gòu)松散和各項(xiàng)參數(shù)的劣化，在水-巖相互作用各種影響因素中物理因素的影響最為普遍、直觀。隨著我國(guó)水利水電建設(shè)的發(fā)展，庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題成為滑坡研究的重點(diǎn)問(wèn)題[9]。干濕循環(huán)是影響水-巖相互作用的重要因素[10]，庫(kù)水位升降導(dǎo)致庫(kù)岸消落帶巖體處于天然干濕循環(huán)狀態(tài)，庫(kù)水位升降過(guò)程中消落帶巖體由于所處高程差異導(dǎo)致巖體浸水過(guò)程存在水壓差，從而導(dǎo)致不同的浸水效果。針對(duì)干濕循環(huán)導(dǎo)致巖石劣化，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞干濕循環(huán)過(guò)程中巖石物理力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、巖石損傷等進(jìn)行了大量研究。如申培武等[11]對(duì)紅層泥巖進(jìn)行了干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)，并引入分形理論對(duì)泥巖崩解過(guò)程中顆粒質(zhì)量、粒徑、形態(tài)分布特征進(jìn)行了描述；馬芹永等[12]對(duì)干濕循環(huán)下粉砂巖的蠕變特性進(jìn)行了研究，指出隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂巖的破壞特征呈現(xiàn)出由張拉破壞向剪切破壞的轉(zhuǎn)化；傅晏等[13-14]開(kāi)展了干濕循環(huán)條件下砂巖的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)和CT掃描試驗(yàn)，對(duì)干濕循環(huán)過(guò)程中砂巖力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了函數(shù)擬合，并指出干濕循環(huán)過(guò)程中砂巖各力學(xué)參數(shù)的劣化程度存在差異性；Coombes等[15]采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)多種材料干濕循環(huán)作用下的風(fēng)化機(jī)理進(jìn)行了研究；Zhang等[16]采用三軸壓縮試驗(yàn)、超聲波速度測(cè)試、孔隙度測(cè)量、SEM等方法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)侏羅系紅層砂巖干濕循環(huán)過(guò)程中的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明第一次干濕循環(huán)對(duì)砂巖強(qiáng)度損傷最大，砂巖黏聚力和強(qiáng)度表現(xiàn)出了劣化的一致性，而砂巖內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)無(wú)關(guān)；李明[17]、段天柱等[18]對(duì)煤系砂巖的強(qiáng)度損傷采用聲波法進(jìn)行了表征，并提出了損傷變量表征公式，取得了一系列重要成果。

本課題研究區(qū)位于白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)，白鶴灘水電站建成后將成為我國(guó)僅次于三峽水電站的第二大水電站，對(duì)我國(guó)水資源利用和能源安全具有重大的戰(zhàn)略意義。白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)廣泛分布三疊系、白堊系紅層軟巖，水理性質(zhì)較差，蓄水后易失穩(wěn)，對(duì)庫(kù)區(qū)安全構(gòu)成威脅，迫切需要對(duì)庫(kù)區(qū)紅層軟巖進(jìn)行力學(xué)及水理特性分析。為此，本文以白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)白堊系下統(tǒng)小壩組(K1x)紅層砂巖為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了自然浸水、真空吸水兩組干濕循環(huán)試驗(yàn)用來(lái)反映庫(kù)岸消落帶砂巖隨庫(kù)水位升降的不同浸水狀態(tài)，并采用吸水試驗(yàn)研究了砂巖空隙的變化，采用波速法對(duì)巖石強(qiáng)度損傷進(jìn)行表征，分析了干濕循環(huán)作用下白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)小壩組紅層砂巖力學(xué)特性、空隙特性及損傷特性的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1. 1 試驗(yàn)材料與制備

試驗(yàn)巖樣采用四川省寧南縣白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)小壩組紫紅色砂巖，砂巖的天然密度為2.629 g/cm3，天然含水率為1.013%，干密度為2.603 g/cm3?，F(xiàn)場(chǎng)剝離風(fēng)化層取新鮮巖石進(jìn)行鉆孔取樣，將試樣制成Φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣，對(duì)制好的巖樣進(jìn)行聲波測(cè)速，篩除聲波差異較大的巖樣。

白鶴灘水電站建成后將成為我國(guó)第二大水電站，庫(kù)岸消落帶有幾十米。對(duì)于庫(kù)岸消落帶巖體，庫(kù)水位位于最高水位時(shí)，消落帶上部巖體與下部巖體浸水會(huì)受到不同的水壓，從而導(dǎo)致不同的浸水效果?！白匀唤焙汀罢婵瘴狈謩e是對(duì)庫(kù)岸消落帶上部巖體和下部巖體不同浸水狀況的放大。因此，在室內(nèi)樣品處理過(guò)程中將圓柱樣分為自然浸水組和真空吸水組兩大組，每一大組又分為5小組，每小組3塊巖樣；另用3組，每組3塊巖樣做初始干樣、初始自然浸水樣、初始真空吸水樣單軸壓縮試驗(yàn)，共計(jì)39個(gè)巖樣，如圖1所示。

圖1 白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)小壩組紅層砂巖巖樣Fig.1 Red sandstone samples of Xiaoba formation in Baihetan hydropower station reservoir region

將獲取的巖樣進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析,得到研究區(qū)小壩組紅層砂巖的礦物含量,見(jiàn)圖2。

圖2 白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)小壩組紅層砂巖的礦物含量Fig.2 Red sandstone mineral content of Xiaoba formation in Baihetan hydropower station reservoir region

由圖2可見(jiàn)，研究區(qū)小壩組砂巖中黏土礦物的含量較高，為36.6%，說(shuō)明其易受水的作用影響發(fā)生強(qiáng)度劣化。

1. 2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方案

研究區(qū)小壩組紅層砂巖巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)、CT掃描試驗(yàn)、超聲波測(cè)速試驗(yàn)分別采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)INSTRON-1346型電液伺服巖石實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、通用電氣公司phoenix v|tome|x s工業(yè)CT和Sonic Viewer-SX波速儀。

首先,將小壩組砂巖巖樣分組、編號(hào)并測(cè)量尺寸；然后，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)[19]，將巖樣放置于105℃烘箱中烘干24 h后取出放入干燥箱中冷卻后稱重(ms)，測(cè)定此時(shí)波速為初始波速，而后取初始干燥巖樣組做單軸壓縮試驗(yàn)，得到初始干巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和單軸抗壓強(qiáng)度。其中，自然浸水組及初始自然浸水組巖樣采用自然浸水飽和：將試樣放入水槽中，先注水至試樣高度1/4處，以后每隔2 h注水，使水量分別為浸至試樣高度的1/2、3/4處，6 h后試樣全部浸沒(méi)并使水面高出試樣1～2 cm，繼續(xù)浸泡48 h后取出試樣，取初始自然浸水組做單軸壓縮試驗(yàn)，得到自然浸水狀態(tài)下巖樣的初始單軸抗壓強(qiáng)度；真空吸水組和初始真空吸水組巖樣采用抽真空法真空吸水飽和：將試樣先采用上述自然浸水法飽和后取出沾去表面水分并稱重(m1)，再將試樣放入抽真空容器中，并使水面高于試樣，密封真空容器并抽真空，使得真空壓力表讀數(shù)達(dá)到100 kPa，直至試樣不再冒出氣泡，持續(xù)抽真空4 h，再將抽真空后的試樣在原容器中標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下靜置4 h，取出后沾去表面水分并稱重(m2)，隨后將初始真空吸水組巖樣取出做單軸壓縮試驗(yàn)，得到真空吸水狀態(tài)下巖樣的初始單軸抗壓強(qiáng)度。完成上述步驟后將巖樣取出放入105℃烘箱烘干24 h后放入干燥箱中冷卻稱重(ms)并測(cè)其波速，而后兩大組巖樣分別按上述方法進(jìn)行飽和并稱重，此為一次干濕循環(huán)。巖樣每次干濕循環(huán)后都測(cè)波速并稱重，第1次、3次、6次、10次、15次干濕循環(huán)后取飽和巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。對(duì)小壩組砂巖不同浸水條件、不同干濕循環(huán)次數(shù)的巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)后再對(duì)巖樣進(jìn)行CT掃描試驗(yàn)，得到自然浸水和真空吸水兩種飽水條件下不同干濕循環(huán)次數(shù)的小壩組砂巖巖樣破裂面擴(kuò)展的CT圖像。最后，將得到的CT圖像利用VGStudio MAX對(duì)砂巖破裂面擴(kuò)展情況進(jìn)行提取，再進(jìn)一步計(jì)算砂巖破裂面的分形維數(shù)[20]。

2 干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖的力學(xué)與空隙特性

干濕循環(huán)伴隨著一系列微觀的物理化學(xué)作用，導(dǎo)致巖體的力學(xué)特性發(fā)生劣化，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加巖體的劣化損傷會(huì)發(fā)生累積。本文利用單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)小壩組紅層砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度σ、彈性模量E、泊松比μ等進(jìn)行研究，探究干濕循環(huán)作用對(duì)小壩組紅層砂巖力學(xué)特性變化規(guī)律的影響。

2. 1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數(shù)下小壩組紅層砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數(shù)下小壩組紅層 砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of red sandstone in Xiaoba formation under two saturation modes and different numbers of wetting-drying cycles

由圖3可知：干燥狀態(tài)下小壩組砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型近似為彈性型，飽和狀態(tài)下其應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型為彈塑性型，近似無(wú)孔隙裂隙壓密階段，反映該巖石孔隙及微裂隙發(fā)育不顯著；小壩組砂巖巖樣飽和后單軸抗壓強(qiáng)度降幅較大，反映該巖石具有較強(qiáng)的軟化性；自然浸水巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率(彈性模量)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化較真空吸水巖樣分布均勻，表明真空吸水方式能更快、更徹底地使巖樣達(dá)到飽和狀態(tài)；真空吸水巖樣第15次干濕循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率降低較大，表明巖樣力學(xué)特性發(fā)生了顯著劣化。

2.2 砂巖力學(xué)特性隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化規(guī)律

采用自然浸水和真空吸水兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數(shù)下小壩組紅層砂巖巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1。其中，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度σc取每小組3個(gè)巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的平均值；巖樣彈性模量E和泊松比μ均為巖石伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得出。

表1 兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數(shù)下小壩組紅層砂巖的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖的力學(xué)參數(shù)(單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E和泊松比μ)隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化曲線以及階段力學(xué)參數(shù)減小量變化圖，見(jiàn)圖4。

圖4 兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖力學(xué)參數(shù)隨 干濕循環(huán)次數(shù)n的變化圖Fig.4 Changes of mechanical parameters of Xiaoba formation red sandstone with numbers of wetting-drying cycles n under different saturation modes

由圖4可以看出：

(1) 兩種不同飽水方式下小壩組砂巖巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化規(guī)律表現(xiàn)出了一致性，大致可分為3個(gè)階段：在前10次干濕循環(huán)過(guò)程中只有第1次干濕循環(huán)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度降低幅度較大，為陡降階段；其后各次干濕循環(huán)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度降低幅度趨緩，為緩降階段(真空吸水方式導(dǎo)致巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度的減小量更大，在第6次至第10次干濕循環(huán)之間，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)入平穩(wěn)階段，基本保持在一定誤差范圍內(nèi)浮動(dòng)變化)；第15次干濕循環(huán)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度降低幅度較第10次干濕循環(huán)巖樣大，且真空吸水巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度降幅大于自然浸水巖樣，表明在第10次至第15次干濕循環(huán)之間兩種不同浸水方式巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了拐點(diǎn)，為轉(zhuǎn)折階段。

(2) 兩種飽水方式下小壩組砂巖巖樣的彈性模量E隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化曲線與σc-n曲線表現(xiàn)出了規(guī)律上的一致性：兩種飽水方式下前10次干濕循環(huán)中第1次干濕循環(huán)使得巖樣的彈性模量E降低幅度較大，以后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加巖樣的彈性模量趨于平穩(wěn)，第15次干濕循環(huán)巖樣的彈性模量出現(xiàn)較大幅度降低，同樣在第10次與第15次干濕循環(huán)之間巖樣的彈性模量E出現(xiàn)拐點(diǎn)。

(3) 小壩組砂巖巖樣的泊松比μ隨干濕循次數(shù)n的增加并未發(fā)生明顯改變，且兩種浸水方式下巖樣的泊松比并無(wú)明顯差異。

2.3 砂巖空隙特性隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化規(guī)律

巖石中存在大大小小的空隙，巖石的空隙可分為孔隙和裂隙；根據(jù)巖石空隙與外界的連通情況又可分為開(kāi)空隙和閉空隙；巖石的開(kāi)空隙根據(jù)開(kāi)啟程度又分為大開(kāi)空隙和小開(kāi)空隙。巖石的開(kāi)空隙主要通過(guò)巖石吸水試驗(yàn)來(lái)測(cè)得，具體計(jì)算公式如下[21]：

(1)

(2)

(3)

(4)

na=n0-nb

(5)

式中：ωa為巖石的自然吸水率(%)；ωp為巖石的真空飽和吸水率(%)；n0為巖石的總開(kāi)空隙率(%)；nb為巖石的大開(kāi)空隙率(%)；na為巖石的小開(kāi)空隙率(%)；ms為巖石的干質(zhì)量(g)；m1為巖石浸水48 h后的質(zhì)量(g)；m2為巖石抽真空飽和后的質(zhì)量(g)；ρd為巖樣干密度(g/cm3)；ρω為水的密度，取1 g/cm3。

不同干濕循環(huán)次數(shù)下小壩組紅層砂巖空隙率的變化曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下小壩組紅層砂巖空隙率的 變化曲線Fig.5 Xiaoba formation red sandstone void fraction change curves under different numbers of wetting-drying cycles

由圖5可以看出：小壩組砂巖的總開(kāi)空隙率、大開(kāi)空隙率、小開(kāi)空隙率均與干濕循環(huán)次數(shù)n呈正相關(guān)關(guān)系，且其總開(kāi)空隙率、大開(kāi)空隙率與n可以較好地用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，但砂巖的小開(kāi)空隙率與n的線性關(guān)系不明顯；小壩組砂巖大開(kāi)空隙率的擬合線較小開(kāi)空隙率的擬合線陡峭，表明隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加砂巖大開(kāi)空隙的增長(zhǎng)更為迅速。

2. 4 砂巖空隙對(duì)其力學(xué)特性的影響

空隙的增加會(huì)使巖石結(jié)構(gòu)變得松散，因而巖石的空隙發(fā)育會(huì)使巖石的力學(xué)特性發(fā)生劣化。由圖5可知，小壩組砂巖總開(kāi)空隙率n0隨干濕循環(huán)次數(shù)n呈線性增加，砂巖大開(kāi)空隙率nb擬合線的斜率為0.050 33，砂巖小開(kāi)空隙率na擬合線的斜率為0.018 17，表明隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加大開(kāi)空隙對(duì)小壩組砂巖強(qiáng)度劣化的貢獻(xiàn)大于小開(kāi)空隙。

3 干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖強(qiáng)度劣化及損傷特性

3.1 基于CT掃描的砂巖破裂面分形維數(shù)分析

針對(duì)干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖強(qiáng)度損傷特性進(jìn)行了三維重建分析，其結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖破壞試樣原始 掃描縱斷面圖Fig.6 Original scan profile of the damaged specimen of Xiaoba formation red sandstone under wetting-drying cycles

由圖6可見(jiàn)：隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，小壩組砂巖試樣在單軸壓縮下的破壞模式逐漸由局部破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樨炌ㄆ茐?，最后發(fā)展成X型貫通破壞；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增加，試樣經(jīng)加載發(fā)生破壞后，縱斷面中識(shí)別出的裂隙數(shù)量顯著增加，且更加復(fù)雜；兩種不同飽水方式下的巖樣展現(xiàn)了相似的破壞特征，需進(jìn)一步對(duì)其三維破裂面的分形維數(shù)進(jìn)行分析。

干濕循環(huán)作用下小壩組砂巖單軸壓縮破裂面三維重構(gòu)圖和兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數(shù)下小壩組紅層砂巖單軸壓縮破裂面的分形維數(shù)，見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖單軸壓縮破裂面 三維重構(gòu)圖Fig.7 Three-dimensional reconstruction of the fracture surface of Xiaoba formation red sandstone under uniaxial compression and different numbers of wetting-drying cycles

圖8 兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數(shù)下小壩組紅層 砂巖單軸壓縮破裂面的分形維數(shù)Fig.8 Fractal dimension of Xiaoba formation red sandstone fracture surface under uniaxial compression under different numbers of wetting-drying cycles under two saturation modes

由圖7和圖8可知：兩種飽水方式下小壩組砂巖巖樣單軸壓縮破裂面的分形維數(shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)n的增加而增大，從干濕循環(huán)次數(shù)0次至15次真空吸水巖樣單軸壓縮破裂面的分形維數(shù)由2.29增加至2.54，自然浸水巖樣由2.27增加至2.47，這表明隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行小壩組砂巖單軸壓縮破裂面的不規(guī)則程度增加，破裂面逐漸趨于復(fù)雜；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加兩種巖樣單軸壓縮破裂面的分形維數(shù)增速均放緩；隨干濕循環(huán)的進(jìn)行真空吸水巖樣破裂面的分形維數(shù)大于自然浸水巖樣，兩者之間的差值隨干濕循環(huán)的進(jìn)行表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這表明兩種浸水方式對(duì)小壩組砂巖單軸壓縮破裂面擴(kuò)展的影響程度差異表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，即真空吸水加速了干濕循環(huán)對(duì)巖樣的影響，但這種影響隨干濕循環(huán)次數(shù)增加到一定次數(shù)后會(huì)減小。

3. 2 干濕循環(huán)過(guò)程中砂巖波速變化規(guī)律分析

兩種飽和方式下小壩組紅層砂巖波速隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化曲線以及階段波速減小量圖，見(jiàn)圖9。

圖9 兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖波速隨干濕 循環(huán)次數(shù)n的變化圖Fig.9 Changes of wave velocity of Xiaoba formation red sandstone with numbers of wetting-drying cycles n under two saturation modes

由圖9可以看出:隨干濕循環(huán)次數(shù)n的增加，小壩組砂巖縱波和橫波波速都呈下降趨勢(shì)，且前兩次干濕循環(huán)次數(shù)下砂巖縱波和橫波波速下降幅度最大，而后下降趨于平緩；對(duì)于自然浸水巖樣，隨著干濕循環(huán)次數(shù)n從0次至15次，巖樣縱波波速降幅為12.64%，巖樣橫波波速降幅為8.07%，對(duì)于真空吸水巖樣，隨著干濕循環(huán)次數(shù)n從0次至15次，巖樣縱波波速降幅為17.07%，巖樣橫波波速降幅為9.16%，表明干濕循環(huán)對(duì)小壩組砂巖縱波波速的劣化作用更顯著，真空吸水加劇了小壩組砂巖干濕循環(huán)過(guò)程中的強(qiáng)度劣化；兩種飽和方式下巖樣橫波和縱波波速隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化曲線均出現(xiàn)了拐點(diǎn)，這與巖樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果具有一致性，表明隨干濕循環(huán)的進(jìn)行、空隙的增加，巖樣結(jié)構(gòu)發(fā)生了性質(zhì)上的改變，且真空吸水巖樣較自然浸水巖樣更早到達(dá)曲線拐點(diǎn)，反映在實(shí)際工況中便是庫(kù)岸消落帶不同高程巖體的差異性風(fēng)化，此拐點(diǎn)對(duì)于庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要的意義。

3. 3 干濕循環(huán)對(duì)砂巖累積損傷規(guī)律分析

巖石損傷可以用巖石損傷變量來(lái)表示，巖石損傷變量作為一個(gè)熱力學(xué)內(nèi)變量，無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)量[22]，而彈性波的變化可以較好地反映巖石的損傷劣化，在工程研究領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)波動(dòng)理論，在均質(zhì)連續(xù)各向同性彈性介質(zhì)中縱波波速vp和橫波波速vs可用下面公式表示[21]：

(6)

(7)

聯(lián)立公式(6)、(7)，可得：

(8)

(9)

(10)

式中：Ed為巖石的動(dòng)彈性模量(GPa)；μd為巖石的動(dòng)泊松比；Gd為動(dòng)剪切模量(GPa);ρ為巖石的密度(g/cm3)；vp為巖石的縱波波速(km/s)；vs為巖石的橫波波速(km/s)。

依據(jù)巖石損傷力學(xué)，研究區(qū)小壩組砂巖損傷變量D可用下式來(lái)表示：

(11)

式中：D為巖石損傷變量；S為初始巖石參數(shù)值；Sn為損傷后巖石參數(shù)值。

由公式(11)可知,Ed、μd、Gd都可以用來(lái)定義巖石損傷變量；由公式(8)、(9)、(10)可知，μd只與vp、vs相關(guān)，而Ed、Gd皆與ρ相關(guān)，vp、vs、ρ都與巖石的結(jié)構(gòu)相關(guān)，同時(shí)出現(xiàn)在巖石損傷變量定義公式中不容易控制。砂巖屬于沉積巖，普遍具有層理結(jié)構(gòu)，實(shí)際具有各向異性，因而導(dǎo)致在實(shí)際的砂巖波速測(cè)量中公式(9)一般不可實(shí)現(xiàn)。前文所述的砂巖單軸壓縮試驗(yàn)，砂巖密度和泊松比沒(méi)有明顯改變，可近似設(shè)為定值，依據(jù)公式(8)、(10)本文定義小壩組砂巖隨干濕循環(huán)產(chǎn)生縱向損傷和橫向損傷的累積損傷變量如下：

(12)

(13)

式中：Dvn、Dhn分別為第n次干濕循環(huán)后巖石的縱向和橫向損傷變量；Ed0、Edn分別為巖石的初始動(dòng)彈性模量和第n次干濕循環(huán)后巖石的動(dòng)彈性模量(GPa)；Gd0和Gdn分別為巖石的初始動(dòng)剪切模量和第n次干濕循環(huán)后巖石的動(dòng)剪切模量(GPa)；vp0、vs0、vpn和vsn分別為巖石的初始縱波波速、巖石的初始橫波波速、第n次干濕循環(huán)后巖石的縱波波速和第n次干濕循環(huán)后巖石的橫波波速(km/s)。

采用波速法得到兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖損傷變量隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化曲線以及階段損傷變量增加量變化圖，見(jiàn)圖10。

圖10 兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖損傷變量隨干濕 循環(huán)次數(shù)n的變化曲線Fig.10 Changes of damage variables of Xiaoba formation red sandstone with numbers of wetting-drying cycles n under two saturation modes

由圖10可知，小壩組砂巖巖樣縱向損傷變量和橫向損傷變量具有一致的變化規(guī)律：前兩次干濕循環(huán)后巖樣的損傷變量陡增其后趨于平緩遞增，其中自然浸水巖樣的損傷變量曲線在第13次干濕循環(huán)后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，且?guī)r樣損傷變量增速加快，真空吸水巖樣的損傷變量曲線在第12次干濕循環(huán)后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折；真空吸水巖樣的損傷變量普遍大于自然浸水巖樣，表明真空吸水加劇了巖石的損傷；干濕循環(huán)次數(shù)n從0次至15次，自然浸水巖樣的縱向損傷變量Dvn增加0.237、橫向損傷變量Dhn增加0.155，真空吸水巖樣的Dvn增加0.312、Dhn增加0.175，表明干濕循環(huán)對(duì)巖樣縱向損傷更為顯著，且真空吸水加深了巖石的損傷。

4 小壩組紅層砂巖強(qiáng)度劣化機(jī)制分析

小壩組紅層砂巖單軸抗壓強(qiáng)度σc隨干濕循環(huán)次數(shù)n的變化在初次干濕循環(huán)時(shí)快速下降，而后趨于穩(wěn)定，在n達(dá)到一定次數(shù)后砂巖強(qiáng)度劣化出現(xiàn)拐點(diǎn)，結(jié)合波速隨n的變化曲線可以確定兩種不同飽水方式小壩組砂巖巖樣強(qiáng)度劣化的拐點(diǎn)。Zhang等[16]在干濕循環(huán)試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)巖石強(qiáng)度劣化的拐點(diǎn)，這與巖石的水穩(wěn)性有關(guān)，巖石的水穩(wěn)性越差后自然浸水越早出現(xiàn)強(qiáng)度劣化拐點(diǎn)；相同n下真空吸水巖樣的σc大于自然浸水巖樣，這是因?yàn)樽匀唤捎谒畨翰蛔阒荒芴畛鋷r樣大開(kāi)空隙，而真空吸水巖樣大開(kāi)空隙、小開(kāi)空隙都可被水分填充從而使得其含水量增大，降低了巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度σc；此外，真空吸水加大了水分和巖石的有效接觸面積，加劇了砂巖的強(qiáng)度劣化。

干濕循環(huán)過(guò)程中砂巖n0與n、nb與n均呈明顯的線性關(guān)系，砂巖na與n的線性關(guān)系不顯著，nb大于na且nb隨n的增速大于na隨n的增速，表明在砂巖強(qiáng)度劣化過(guò)程中大開(kāi)空隙的作用較小開(kāi)空隙顯著，這是由于真空吸水飽和過(guò)程使得水分被壓入巖石小開(kāi)空隙造成不可逆的巖石損傷，從而促進(jìn)巖樣小開(kāi)空隙向大開(kāi)空隙的轉(zhuǎn)化。由吸水試驗(yàn)原理可知，兩種飽水巖樣的飽和含水率與空隙率具有規(guī)律上的一致性，當(dāng)空隙發(fā)展到一定程度后在空隙和水分的共同作用下砂巖出現(xiàn)質(zhì)的改變也就是出現(xiàn)砂巖強(qiáng)度劣化的拐點(diǎn)。

干濕循環(huán)作用對(duì)小壩組砂巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，從而使得砂巖破裂面的破碎程度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。波速試驗(yàn)結(jié)果表明，干濕循環(huán)作用對(duì)小壩組砂巖的縱向損傷大于橫向損傷，這是由于砂巖為沉積巖具有層理構(gòu)造，層理為潛在的結(jié)構(gòu)面，當(dāng)縱波穿越結(jié)構(gòu)面時(shí)會(huì)引起波動(dòng)能量耗散和能量彌散，因此干濕循環(huán)作用對(duì)層理結(jié)構(gòu)的劣化大于不含層理部分，從而導(dǎo)致干濕循環(huán)對(duì)砂巖巖樣的縱向損傷與橫向損傷存在差異。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)、吸水試驗(yàn)、CT掃描試驗(yàn)、波速試驗(yàn)對(duì)白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)小壩組紅層砂巖在干濕循環(huán)條件下的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律、空隙變化規(guī)律、破裂面分形維數(shù)、波速法累積損傷進(jìn)行了研究，得到的試驗(yàn)結(jié)果可互相驗(yàn)證補(bǔ)充，主要結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)不同飽水方式下小壩組紅層砂巖的單軸壓縮試驗(yàn)，分析了砂巖巖樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化特征以及單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等參數(shù)的變化規(guī)律，得出小壩組砂巖單軸抗壓強(qiáng)度隨干溫循環(huán)次數(shù)n的變化規(guī)律，即：第一次干濕循環(huán)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度下降最快，而后趨于平緩，在n達(dá)到10次至15次之間時(shí)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)拐點(diǎn)。

(2) 小壩組砂巖空隙率隨n的增加而增加，巖樣的總開(kāi)空隙率和大開(kāi)空隙率隨n呈現(xiàn)線性增加，巖樣的小開(kāi)空隙率隨n的線性關(guān)系不明顯；巖樣的大開(kāi)空隙率隨n的增速大于小開(kāi)空隙率隨n的增速，表明大開(kāi)空隙率在小壩組砂巖強(qiáng)度劣化中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。對(duì)于小壩組飽和巖樣，隨著n的增加開(kāi)空隙增加，水分填充開(kāi)空隙，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度隨n的變化規(guī)律為空隙和含水率綜合作用的結(jié)果。

(3) 隨著干濕循環(huán)進(jìn)行，小壩組砂巖單軸壓縮破裂面的分形維數(shù)增大，壓裂后試樣更加破碎，表明干濕循環(huán)作用使得砂巖結(jié)構(gòu)顯著劣化。

(4) 小壩組砂巖波速隨n的變化規(guī)律與砂巖單軸抗壓強(qiáng)度隨n的變化規(guī)律表現(xiàn)出一致性，波速法能較好地表征小壩組砂巖巖樣結(jié)構(gòu)的損傷；自然浸水巖樣在第13次干濕循環(huán)后波速出現(xiàn)拐點(diǎn)，真空吸水巖樣在第12次干濕循環(huán)后波速出現(xiàn)拐點(diǎn)，真空吸水飽和使得巖樣更快到達(dá)拐點(diǎn)，加速了小壩組砂巖的強(qiáng)度劣化；干濕循環(huán)對(duì)小壩組砂巖的縱向損傷大于橫向損傷，這是由于小壩組砂巖具層理構(gòu)造，隨n的增加層理構(gòu)造損傷更大，增大了縱波通過(guò)層理構(gòu)造面時(shí)能量消耗和彌散，這是造成小壩組砂巖的縱向損傷大于橫向損傷的原因。