三軸壓縮下砂巖強度特征和破壞特性試驗研究

張 駿 （安徽建工檢測科技集團有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

砂巖屬于沉積巖的一種，由碎屑和填隙物兩部分構成，其中碎屑的含量≥50%，顆粒直徑在0.05～2.00mm，碎屑常見礦物有石英、長石、巖屑以及少量的白云母等。砂巖結構穩定，有紅色、綠色、灰色、白色、淡褐色等多種顏色，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵。填隙物由兩種組分組成，即膠結物和碎屑雜基。膠結物類型一般分為鈣質膠結、硅質膠結、鐵質膠結等。雜基為沉積時顆粒更細小的黏土或粉砂質物。砂巖是母巖在物源區風化、剝蝕作用后形成的碎屑顆粒再經流水搬運作用在盆地機械沉積形成的。砂巖在我國30 個?。ㄊ?、區）廣泛分布，其不同的礦物組成可膠結形式導致不同種類砂巖的工程特性差異較大，是目前的研究熱點所在。

目前，國內相關學者對砂巖進行廣泛而深入的研究。李嘉薏等[1-2]對紅砂巖改良土進行干濕循環試驗，通過直接剪切試驗分析了紅砂巖改良土干濕循環后的強度劣化特性。魏堯等[3-4]在不同溫度和不同圍壓下進行三軸蠕變試驗，利用兩種數學模型計算砂巖凍結后的長期強度，將三軸強度與長期強度進行對比分析，并比較了兩種計算模型的優、劣。于越等[5-6]分別以自然浸水法、真空飽和吸水法對紅層砂巖進行干濕循環試驗，對不同干濕循環次數的試樣進行強度、波速、吸水、CT 掃描試驗等，研究了不同飽和方式的干濕循環作用下紅層砂巖力學損傷特性、孔隙變化特征。林志南等[7]對細粒石英砂巖進行不同圍壓下的三軸壓縮試驗，獲得了巖石的應力-應變曲線，并對巖石破壞后的剪切裂隙面進行分析，研究了石英砂巖三軸壓縮應力下的強度變化特性、破壞模式和裂隙結構面的形態特征。周輝等[8]設計不同的浸泡時間對泥質砂巖進行浸泡試驗，對不同浸泡時間的樣品進行三軸壓縮試驗，研究不同浸泡時間下巖石的強度和變形特性。梁忠豪等[9-10]設計巖石高溫損傷試驗，對損傷后的巖石進行三軸壓縮試驗和掃描電鏡試驗，研究黃砂巖高溫損傷作用下的力學、變形特性和微細觀破壞機制。陳四利等[11]設計了不同pH 值和不同化學溶液對砂巖進行化學腐蝕試驗，對腐蝕后的試樣進行三軸壓縮試驗，在試驗中全程運用CT識別技術對砂巖加載過程進行掃描試驗，結合砂巖應力-應變曲線研究了不同pH 值和不同化學溶液對砂巖強度和變形的影響規律。張俊文等[12]利用巖石真三軸系統模擬不同深度和不同應力路徑下的深部巖石真三軸試驗，通過試驗獲取不同工況下巖石的全應力-應變曲線，研究了相應的變形和強度特征。高陽等[13]通過對三種巖石進行三軸壓縮聲發射試驗，獲取了巖石破壞后的空間裂隙形態特征，三軸壓縮聲發射試驗，獲取了不同種類巖石的空間裂縫形態和變形破壞特征。目前國內學者對砂巖的研究多集中在砂巖的力學特性上，但少有研究不同風化程度下砂巖的強度特征和破壞特性。鑒于此，本文在前人研究基礎上，以中風化、微風化兩種風化程度的砂巖為研究對象，進行巖石三軸壓縮試驗，研究不同風化程度下的砂巖的強度特征和破壞特性，為區域工程設計與施工提供參考。

1 試驗方案

本試驗所用巖樣取自安徽省某工程鉆探現場，按巖石風化程度劃分為強風化組和中風化組，試驗根據《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266-2013）進行制樣和試驗，試驗儀器為巖石三軸儀。利用鉆石機、磨石機等工具將巖石預制成高徑比為2：1 的標準圓柱形試樣（高度H=100 mm、直徑Φ=50 mm）。兩組巖石分別設置0、5、10、15 MPa 四種圍壓進行三軸壓縮試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 強度特征

2.1.1 試驗參數

巖石三軸試驗的參數主要有最大主應力、壓縮模量和泊松比。

由試驗結果可知，強風化組砂巖的最大主應力分別為7.76、16.71、22.24、30.64 MPa，壓縮模量分別為1.4、1.6、1.7、2.6 GPa；中風化組砂巖的最大主應力分別為46.45、56.41、68.24、72.44 MPa，壓縮模量分別為10.2、13.1、15.3、18.2 GPa；中風化組砂巖的最大主應力和壓縮模量在4 種圍壓下均顯著高于強風化組砂巖；兩組砂巖的最大主應力和壓縮模量隨著圍壓的增大均呈現出增加的趨勢。

強風化組砂巖的泊松比分別為0.18、0.19、0.17、0.21，中風化組砂巖的泊松比分別為0.23、0.25、0.22、0.22。中風化組砂巖的泊松比整體高于強風化組砂巖；兩組巖石的泊松比隨著圍壓的增加，均無明顯變化。

2.1.2 抗剪強度

根據莫爾-庫倫強度理論，利用上述試驗數據繪制出不同圍壓下的應力莫爾圓，同時繪制出這些應力莫爾圓的公切線，所得截距和曲線傾角分別為黏聚力C 和內摩擦角φ，根據應力莫爾圓獲得兩組砂巖的抗剪強度參數如表1 所示。

表1 黏聚力和內摩擦角

由表1 可知，強風化組砂巖的黏聚力C=2.59 MPa、內摩擦角φ=25.24 °；中風化組砂巖的黏聚力C=14.40 MPa、內摩擦角φ=27.53°。由試驗結果可知，中風化組砂巖的抗剪強度較強風化組高。

2.2 破壞特性

2.2.1 全應力-應變曲線

為了研究巖石破壞時軸向和徑向的應力應變特征，根據試驗數據繪制出兩組砂巖的全應力-應變曲線，如圖1、圖2所示。

圖1 強風化組應力-應變曲線

圖2 中風化組應力-應變曲線

由圖1 和圖2 可知，隨著圍壓的增加，兩組砂巖的最大主應力均呈現增大的趨勢。圍壓在15.00 MPa 時，強風化組砂巖的最大主應力為30.64 MPa，中風化組砂巖的最大主應力為72.44 MPa，中風化組砂巖的最大主應力整體較高。強風化組砂巖的軸向應變分布在0.7%～2.0% 之間，徑向應變分布在0.3%～0.5%之間；中風化組砂巖的軸向應變分布在0.5%～0.7%之間，徑向應變分布在0.2%～0.3%之間。強風化組砂巖的軸向和徑向應變整體較中風化組大。

由圖1 和圖2 兩組砂巖的應力-應變曲線可知，兩組砂巖的破壞過程大致可分為4 個階段。第一階段為裂隙壓密階段，此時曲線較緩，巖石內部裂隙壓密閉合，軸向和徑向應變增加較快，中風化組砂巖在該階段較為明顯；第二階段為彈性變形階段，巖體由不連續介質轉變成似連續介質，此階段曲線直線上升，軸向和徑向應變增加較慢，偏應力增加較快；第三階段為穩定破裂發展階段，此階段已超過彈性極限，巖體進入塑性變形階段，巖體內部出現的微小裂隙隨著應力的增加而持續擴展變大，當應力保持不變時，裂隙也停止發展，此時偏應力增加速率減緩、軸向和徑向應變速率增加，強風化組砂巖此階段較為明顯；第四階段為不穩定破裂發展階段（破壞階段），此時應力-應變曲線出現轉折點，偏應力達到峰值，試樣發生破壞。

2.2.2 破壞模式

兩組砂巖破壞后試樣的情況如圖3和圖4所示。

圖3 強風化組砂巖

圖4 中風化組砂巖

結合全應力-應變曲線和巖石破壞后的情況可知，強風化組砂巖屬于塑性破壞，巖石在破壞前變形較大，該組巖石軸向應變最大達到2.0%，徑向應變最大達到0.5%，未出現明顯的破壞荷載，表現出顯著的塑性變形。中風化組砂巖屬于脆性破壞，巖石在荷載作用下變形較小就突然破壞，該組巖石軸向應變最大在0.7%左右，徑向應變最大在0.3%左右，由于巖石中存在的節理裂隙在荷載作用下發育的結果，反映出巖石的強度較高。

3 結論

本文以中風化、微風化兩種風化程度的砂巖為研究對象，進行巖石三軸壓縮試驗，研究兩種風化程度下的砂巖的強度特征和破壞特性，主要結論如下。

①中風化組砂巖的最大主應力和壓縮模量在不同圍壓下均顯著高于強風化組砂巖，中風化組砂巖的泊松比整體高于強風化組砂巖。隨著圍壓的增加，兩組砂巖的最大主應力和壓縮模量均呈現出增大的趨勢，而泊松比無明顯變化。中風化組砂巖的抗剪強度較強風化組高。

②兩組砂巖的最大主應力隨著圍壓的增大均呈現出增加的趨勢，中風化組砂巖的最大主應力整體較高。強風化組砂巖的軸向和徑向應變整體較中風化組大。兩組砂巖的破壞過程均可分為裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂紋穩定擴展階段和裂紋非穩定擴展階段，中風化組砂巖在裂隙壓密階段表現明顯，強風化組砂巖在裂紋穩定擴展階段表現明顯。

③強風化組砂巖屬于塑性破壞，巖石在破壞前變形較大，未出現明顯的破壞荷載，表現出顯著的塑性變形。中風化組砂巖屬于脆性破壞，巖石在荷載作用下變形較小就突然破壞，反映出巖石的強度較高。