不同风化程度砂岩力学特性实验研究

工程地质

第30卷　第12期

2008年12月武　汉　理　工　大　学　学　报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.30　No.12　Dec.2008

不同风化程度砂岩力学特性实验研究

代　伟1,2,陈建宏1,李志江2

(1.中南大学资源与安全工程学院,长沙410083;2.中南财经政法大学安全科学与管理学院,武汉430074)

摘　要:　选用不同风化程度的砂岩试件为研究对象,对其单轴、三轴力学强度进行了试验研究。结果表明,随着风化程度的增加,砂岩的力学强度逐渐降低;三轴曲线的主应力差对砂岩强度的影响基本呈线性;不同风化程度的砂岩试件的内摩擦角随着风化程度的增加逐渐增大;粘聚力则随着风化程度的增加而减小。

关键词:　风化;　砂岩;　强度

中图分类号:　TU471文献标识码:　A文章编号24431(2008)1220140203

ResearchoninDifferent

DAIWei1,2,CHENJian2hong,LIZhi2jiang12

(1.SchoolofResources&SafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.SchoolofSafety

ScienceandAdministration,ZhongnanUniversityofEconomicsandLaw,Wuhan430074,China)

Bothuniaxialandtriaxialsandstonestrengtharestudiedindifferentlevelofweathering.Theresultsshow,sand2Abstract:　

stonestrengthwillreducedasthelevelofweatheringrise;theeffectonthestrengthofsandstonecausedbyprincipalstressdif2ferenceislinearessentially;internalfrictionangleofsandstonewillriseandcohesionwillreducedasthelevelofweatheringrise.Keywords:　weathering;　sandstone;　strength

地壳中的岩石,无时无刻不在遭受着来自太阳辐射能量、风力、水等的作用,因而容易导致风化作用,使岩石的结构和力学性质发生严重劣化。在边坡工程中,由于岩石遭受风化作用而致使其力学性质和结构发生劣化引起的滑坡灾害非常严重,造成了极大的危害。岩石力学强度特性一直是岩石工程界研究的热点问题,很多学者做了大量的理论和实验研究工作[124]。但在考虑风化程度对岩石力学特性影响方面所做的工作甚少,故研究岩石不同风化程度力学特性和本构关系对于维护边坡工程稳定性具有极为重要的意义。

以向家坡边坡治理工程为工程实例,选取美国MTS公司生产的MTS815岩石材料实验机为加载系统,对取自向家坡滑坡不同风化程度的砂岩试件分别就单轴和三轴实验条件进行了力学性质研究,重点研究了风化程度对同类岩石特别是力学强度性质的影响。

1　实　验

1.1　试件制备

试验采用的砂岩试件均取自重庆市向家坡边坡治理工程现场[5]。在采取试件时注意到砂岩的不同风化程度,分强风化砂岩和弱风化砂岩2组,在地下空间中现场打钻取岩芯后,立即封蜡,目的是保持试件与现收稿日期:2008207203.

基金项目:国家自然科学基金(50774092)和全国优秀博士学位论文作者专项基金(200449).

作者简介:代　伟(19772),男,博士生.E2mail:DAVID@http://doc.guandang.net

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第30卷　第12期　　　　　　　　　代　伟,等:不同风化程度砂岩力学特性实验研究　　　　　　　　　　　141场条件具有相同的条件;运抵实验室后经过切、磨而加工成标准岩石试件。标准砂岩试样为圆柱形,尺寸为<=50mm、h=100mm,其平整度、垂直度等均符合岩石试验规范与标准[6]。

1.2　试验设备

表1　MTS815岩石伺服试验系统主要技术指标　　实验的主要试验内容为风化砂岩的

单轴、三轴压缩试验。主要设备为美国参数指标参数指标MTS公司生产的MTS815岩石材料实

验机[7],主要测试高强度高性能固体材

料在复杂应力条件下的力学性质以及渗

流特性,可以进行岩石的抗拉试验、单轴

压缩试验、在常温和高温下的三轴试验、轴压/kN围压/MPa孔隙水压/MPa水渗透压差/MPa机架刚度/(109-1)≤2800≤80≤80210.5液压源流量/(L min-1)伺服阀灵敏度/Hz数采通道数最小采样间隔/μs/mm31.82901050100循环压缩试验、蠕变试验、渗透性试验等。其主要技术指标如表1所示。

2　风化砂岩力学试验研究

2.1　风化砂岩单轴压缩试验研究

为了对比研究不同的风化程度对砂岩力学性质及结

构的劣化作用,分别对强风化和弱风化情况下的砂岩试

件(每种试样取3个样本)进行了单轴抗压试验研究,

变形关系曲线,根据试验得

线,如图1所示。

分析曲线可知:1)尽管峰值强度差别巨大,但是2条

曲线具有高度的相似性,这说明该砂岩遭受的风化作用仅仅能够改变岩石的力学性能而未能改变岩石的性质,属物理风化作用。2)强风化砂岩和弱风化砂岩的应力应变曲线符合岩石的典型应力应变曲线,基本包括了弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和峰后变形阶段[8]。3)砂岩遭受风化作用后,其强度明显降低;且随着风化程度的增加,砂岩的峰值强度下降逐渐增大;弱风化砂岩强度是强风化砂岩的6倍之多。4)强风化砂岩在单轴压缩应力状态下的峰值强度比较小,且残余强度极小,这说明风化后的砂岩的承载能力较差,这也可能是造成边坡工程失稳的主要内部因素。5)对2种风化程度的砂岩试件的力学参数进行分析发现,风化程度对岩石密度改变较小,弹性模量随风化程度增加而减小;而泊松比则增大。

2.2　风化砂岩三轴压缩试验研究

在工程实际当中,风化砂岩往往处于三双向受载状态。因此,研究常规三轴下风化砂岩的力学性质,对工程实际更具有实际的指导作用。根据工程背景,笔者选择了2种不同风化程度的砂岩试件(每组试样取3个样本),对其进行了不同围压作用下的常规三轴试验研究,得到了典型的三轴试验曲线,如图2所示

。

分析试验曲线可知:1)不同风化程度的砂岩试件,其三轴曲线基本符合典型的岩石三轴应力应变曲线,均可以划分为压密变形、弹性变形、塑性变形以及破坏变形等4个阶段[3]。2)由于围压的施加,砂岩试件进入密实阶段时三轴压缩实验曲线压密变形阶段没有单轴明显。3)同一风化程度的砂岩试件,其达到峰值时

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产生的变形量基本一致,说明风化砂岩的风化程度对砂岩变形的影响不大。4)同一风化程度的砂岩试件,其三轴强度随着围压的增加而增加,且围压增加幅度相同时,峰值增大幅度也基本相同,这说明围岩对风化砂岩三轴强度的影响基本呈线性变化。5)当围压相同时,随着风化程度的增大,砂岩的三轴强度逐渐减小,且围压变化趋势与砂岩强度变化趋势是基本一致。6)当围压差在一定范围内时,不同风化程度的砂岩的变形表现为弹性变形阶段,当围压超过一定的范围时,岩石变形才进入塑性变形阶段。

3　不同风化程度的砂岩的试验参数确定

3.1　参数确定方法

岩石的粘聚力和内摩擦角是岩土工程设计中2个重要的力学参数,也是反应岩石结构与力学特性的关键参数。在研究岩石的变形破坏特征等力学特性时,需要利用Mohr2Coulomb理论来测定所研究岩石的内摩擦角<和粘聚力C,测定这2个常数主要有2种方法。

1)单向拉伸与单向压缩　这种方法是通过岩石的单向

拉伸和单向压缩实验获得岩石的单向拉伸强度σt和单向压

σ轴上绘制单项压缩和单向拉伸摩尔缩强度σc,然后在τ、

圆,进而求取两圆的公切线来获得C、<值。

2)常规三轴压缩实验　件下,通过改变围压获得岩石在不同围压下的强 …… 此处隐藏：4792字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……