基于點荷載試驗的新生代紅砂巖彈性模量估計及其衰變規律研究

陳冠琪， 郭昭贏， 張曉溫， 李 劍， 周 哲， 陳佳鑫,4

(1. 中鐵十一局集團有限公司第二工程公司， 湖北 十堰 442000； 2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 3. 中國科學院武漢巖土力學研究所， 湖北 武漢 430071；4. 常州大學 環境科學與工程學院， 江蘇 常州 213164)

新生代紅砂巖是一種含可溶性鹽較多的、典型的內陸湖相沉積，主要分布在湖泊退化地區的地表，由于成巖時間晚，巖石膠結性差，使其具有一些獨特的工程地質特性[1～3]。新生代紅砂巖遇水后易發生軟化、崩解，巖層中泥化夾層和層間軟弱面較發育，導致巖體強度低、抵抗變形的能力弱。因此，對新生代紅砂巖力學特征的影響研究多從裂隙和水這兩個關鍵因素開展。例如，文獻[4～6]開展了不同裂隙條件下紅砂巖強度特征以及裂隙發育規律；文獻[7～9]研究了紅砂巖滲透規律、孔隙水壓力以及干濕循環對紅砂巖力學特征的影響。

巖體力學特征是影響巖土工程安全的首要因素。彈性模量是巖體力學特征的關鍵參數之一，它反映了巖體承載變形特征。一般情況下，巖石的彈性模量通過單軸或三軸抗壓試驗得到，但是這種方法操作較為困難，不僅需要取完整的原狀樣，還需要進行操作復雜的試驗，對快速測定巖石彈性模量并不友好。因此，學者們嘗試了其他快速測試巖石彈性模量的方法。如丁鵬程[10]建立了現場聲波測試數據與巖石彈性模量之間的預測關系。田家勇、高金雪[11，12]基于巖石的聲彈理論，通過脈沖回波方法測量雙軸加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超聲縱、橫波波速變化，來測定巖石的三階彈性模量。楊鳳英[13]利用巖石的儲層特性與地震響應之間的關系，建立了基于巖石物理特征的彈性模量測算方法。

以上嘗試為巖石彈性模量的快速測定提供了新的思路和借鑒，為了進一步探討快速測定新生代紅砂巖彈性模量的方法，本文利用已開展的新生代紅砂巖點荷載試驗數據，研究并提出了一種基于點荷載試驗的新生代紅砂巖彈性模量估計方法，并針對新生代紅砂巖遇水軟化的特點，研究了其彈性模量的衰變規律，可為相關工程提供借鑒和參考。

1 新生代紅砂巖工程性質

1.1 基本物理性質

本次試驗所采用的新生代紅砂巖取自安徽九華山機場附近，是一種典型的內陸湖相沉積巖。巖石顏色為朱紅色，具有很強的風化、崩解及吸水軟化特征。新生代紅砂巖巖樣如圖1所示。

圖1 新生代紅砂巖巖樣

通過室內試驗，首先確定了天然狀態下新生代紅砂巖的基本物理性質。具體巖樣指標見表1。

表1 新生代紅砂巖基本物理指標

1.2 巖樣礦物成分與微觀結構

通過X衍射試驗和電鏡掃描試驗，對新生代紅砂巖的礦物成分和微觀結構進行了檢測。

圖2為新生代紅砂巖的礦物成分組成?？梢钥闯?，新生代紅砂巖中礦物成分含量從高到低依次是石英、蒙脫石、方解石、伊利石和高嶺土。由于巖樣中含大量蒙脫石，導致新生代紅砂巖吸水性較強，且蒙脫石的密度較低，具有很強的吸水膨脹性，故吸水后的蒙脫石體積增大，降低了巖體密度，從而降低了巖體強度。

圖2 新生代紅砂巖礦物組成

圖3為新生代紅砂巖巖樣電鏡掃描結果。圖中可以看到新生代紅砂巖的礦物晶體形態呈蜂窩狀，棉絮狀，表面附有球形、姜狀等形態的顆粒，礦物結構中有明顯的空洞和孔隙，容易導水，孔隙度較大。

圖3 新生代紅砂巖微觀結構

1.3 崩解特性試驗

圖4 為新生代紅砂巖在自然環境中進行淋濕 - 風干試驗結果，反復干濕循環次數為8次。

圖4 新生代紅砂巖崩解性試驗

可以看出，對于完整紅砂巖試樣，在干濕循環2～3次后，試樣開始緩慢崩解，有碎屑逐漸剝落，試樣整體保持一定的完整性，試樣主體質量略有降低；在干濕循環4～5次后，試樣崩解加速，呈塊狀、碎屑狀剝離，試樣完整性降低，但仍可見較大塊完整試樣，試樣主體質量持續減??；在干濕循環6～8次后，試樣崩解迅速至崩解完全，完整試樣崩解為碎塊狀、碎屑狀以及泥狀，難以辨別初始形態，未保留較為完整的試樣主體。

1.4 新生代紅砂巖單軸抗壓強度

針對本次所取的新生代紅砂巖開展了單軸抗壓強度試驗。試驗結果如表2所示。

表2 紅砂巖單軸抗壓強度

可以看到，新生代紅砂巖試樣最大單軸抗壓強度為4.38 MPa，平均抗壓強度為2.96 MPa，強度較低，屬于軟巖類。

1.5 新生代紅砂巖工程地質特征

由新生代紅砂巖的基本性質、礦物成分及微觀結構、崩解特性，并結合成巖方式和時間，可知：

(1)新生代紅砂巖由于成巖時間晚，巖石膠結差，有的為半膠結狀態，膠結物大都為泥質成分，礦物穩定性差，從而使其具有一些獨特的工程地質特性。

(2)新生代紅砂巖強度低，遇水后易發生軟化、崩解，發育泥化夾層和層間軟弱面。經開挖、爆破揭露后，新鮮巖石在自然環境下即可崩解碎裂成土狀，甚至泥化。

2 基于點荷載試驗的新生代紅砂巖彈性模量估計

2.1 新生代紅砂巖點荷載試驗結果

圖5為典型的天然狀態下紅砂巖的點荷載試驗曲線。

圖5 新生代紅砂巖典型點荷載試驗曲線

利用國際巖石力學學會[14]推薦的方法，對天然狀態下新生代紅砂巖點荷載試驗結果進行處理。其中修正后的點荷載強度與換算的單軸抗壓強度之間的倍數關系取8.96[15]，具體結果見表3。

表3 基于點荷載換算的單軸抗壓強度

2.2 新生代紅砂巖彈性模量

根據前述開展的新生代紅砂巖單軸抗壓強度試驗，計算得到了其彈性模量，如表2所示。

通過10組試樣試驗結果的對比，可以看到，對于新生代紅砂巖來講，其彈性模量與單軸抗壓強度有較強的對應關系，不同試樣的彈性模量與單軸抗壓強度的比值在87～108之間，平均94左右。

2.3 基于點荷載試驗的彈性模量估計方法

從新生代紅砂巖點荷載試驗曲線上看，除了在加載端與巖樣初始接觸的瞬間有一段微小的平緩曲線，試驗過程中巖樣的荷載 - 位移曲線基本處于直線發展，因此，可以認為點荷載試驗狀態下，新生代紅砂巖的表征彈性模量可以用點荷載強度換算后的單軸抗壓強度與點荷載應變的比值來確定。此處定義點荷載應變為巖樣破壞時加載端位移與等效直徑的比值。

以點荷載試驗為基礎的表征彈性模量可以用下式表示：

(1)

式中：Edzh為點荷載表征彈性模量；σdzh為點荷載換算的單軸抗壓強度；εdzh為點荷載應變，可用式(2)計算。

(2)

式中:db為巖樣破壞時，加載端的位移；De為等效直徑[11]。

利用上述公式對點荷載試驗數據進行處理后，新生代紅砂巖的表征彈性模量數據，以及利用單軸抗壓強度與彈性模量的關系計算得到的彈性模量數據均如表4所示。

表4 基于點荷載換算的彈性模量

續表4

從新生代紅砂巖表征彈性模量與單軸強度確定的彈性模量之間的關系來看，二者的倍數關系在3.5～4.0倍之間，表明基于點荷載試驗的表征彈性模量與新生代紅砂巖彈性模量之間有較好的比值關系，基于點荷載試驗的紅砂巖彈性模量的估計方法可以用式(3)表示。圖6為新生代紅砂巖彈性模量Ed與表征彈性模量Edzh之間的對應關系。圖中可以看到，二者之間有較好的對應關系，相關系數達到0.96以上。實際應用時，建議紅砂巖彈性模量與表征彈性模量之間的倍數關系k取3.7。

圖6 Ed - Edzh關系曲線

E=kEdzh

(3)

式中：E為新生代紅砂巖彈性模量；k為倍數關系比值，根據試驗確定。

需要指出的是，利用式(3)得到的紅砂巖彈性模量準確與否，與基于點荷載試驗的表征彈性模量直接相關。而表征彈性模量的計算與點荷載試驗數據的精度相關，如等效直徑De是否準確等，為保證彈性模量的準確性，開展點荷載試驗時需嚴格遵守國際巖石力學學會推薦的試驗方法和步驟。

3 新生代紅砂巖彈性模量衰變規律

從新生代紅砂巖的基本物理力學試驗結果及其工程性質分析可知，新生代紅砂巖具有很強的風化和崩解性，對水的敏感性很高，因此，在吸水軟化的情況下，其彈性模量也必然出現迅速衰減的情況。

如圖7不同含水率下新生代紅砂巖點荷載試驗曲線所示，不同含水量下，新生代紅砂巖的位移 - 荷載曲線峰值逐漸向右移動，荷載峰值也不斷減小，說明隨著含水量的增加，新生代紅砂巖的強度不斷降低，其彈性模量也不斷衰減。

圖7 不同含水率下新生代紅砂巖點荷載試驗曲線

圖8為不同含水率狀態下，新生代紅砂巖彈性模量衰減曲線。

圖8 新生代紅砂巖彈性模量衰減曲線

從圖8可以看到，隨著含水率的增加，新生代紅砂巖的彈性模量呈明顯的衰減趨勢，說明水對新生代紅砂巖彈性模量的影響極大。

為了進一步描述新生代紅砂巖彈性模量與含水率之間的關系，采用負指數函數對其進行擬合，得到新生代紅砂巖彈性模量衰減曲線。

E=554.9-220.3ln(w+1)

(4)

此外，從圖7中還可以看到，當新生代紅砂巖含水率小于8%時，其彈性模量衰減迅速，當含水率超過8%時，彈性模量的衰減速度降低，說明新生代紅砂巖的初始含水率對其彈性模量的衰減有重要影響，當初始含水率較低時，其彈性模量隨含水率的增加而衰減迅速，當初始含水率較高時，其含水率的變化對其彈性模量影響較小。

4 結 論

本文通過對新生代紅砂巖基本物理特性的研究，掌握了新生代紅砂巖的工程地質特征，在此基礎上，通過點荷載試驗曲線，提出了基于點荷載試驗的新生代紅砂巖彈性模量的估計方法，并研究了新生代紅砂巖彈性模量衰減規律，主要結論如下：

(1)以單軸抗壓試驗得到的彈性模量為基礎，基于點荷載試驗數據，提出新生代紅砂巖點荷載試驗表征彈性模量與實際彈性模量之間的換算關系，建立了基于點荷載試驗的新生代紅砂巖彈性模量估算方法。

(2)研究了新生代紅砂巖不同含水率條件下彈性模量的衰減規律，提出了新生代紅砂巖彈性模量隨含水率增加而衰減的經驗公式，為相關工程提供了參考依據。

(3)研究得到了影響新生代紅砂巖彈性模量衰減的臨界含水率，即8%。當初始含水率小于8%時，新生代紅砂巖彈性模量隨含水率的增加而衰減明顯，當初始含水率大于8%時，其彈性模量衰減不甚明顯。