Analysis of Deformation Characteristics of Unloaded Sandstone under Different
Temperature and Water Pressure
胡鹏 HU Peng；郭永成 GUO Yong-cheng；王克辉 WANG Ke-hui；
刘鑫宇 LIU Xin-yu；朱千凡 ZHU Qian-fan
（三峡大学土木与建筑学院，宜昌 443002）
（College of Civil Engineering and Architecture，China Three Gorges Univ.，Yichang 443002，China）
摘要：为研究不同温度和水压对卸荷岩体变形特征的影响，使用TOP INDUSTRIE岩石三轴试验仪进行不同温度（20℃、40℃、60℃）和不同水压（0.3MPa、0.6MPa、1.2MPa）条件下的砂岩三轴卸荷试验。结果表明：砂岩试样变形模量值随着围压和温度的增大而上升，随着水压的增大而下降；轴向峰值应变随着围压增大逐渐增大，随着温度的增大逐渐减小。
Abstract: In order to study the influence of different temperature and water pressure on the deformation characteristics of unloaded rock mass, the TOP INDUSTRIE rock triaxial test instrument was used to carry out the unloaded sandstone triaxial test under different temperatures (20℃, 40℃, 60℃) and different water pressure(0.3 MPa, 0.6 MPa, 1.2 MPa). The results show that the deformation modulus of sandstone samples increases with the increase of confining pressure and temperature, but decreases with the increase of water pressure. The peak Axial strain increases with confining pressure and decreases with temperature.
关键词：温度；水压；卸荷；变形模量；峰值应变
Key words: temperature；water pressure；unloading；deformation modulus；peak strain
中图分类号：TU458 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0072-02
0 引言
大量隧道开挖、矿山开采和水利水电工程等的陆续建设，在水压和温度作用下的库岸边坡岩体开挖卸荷问题越来越受关注。岩体经过温度、水等外部环境的影响，其变形特性发生了改变，使得岩土工程开挖难度加大，建设人员无法准确掌握岩石的变形、强度及破坏等特征，因此，如何做到合理开挖边坡成为了开挖工程建设成功与否的关键问题[1]。
近年来越来越多的学者在温度、水压、应力等方面进行多场耦合试验，取得了一些成果。Millard A[2]开展了热-水-力耦合作用下核废料处置地下工程中花岗岩力学特性试验，主要研究了热-水-力耦合对花岗岩力学性能的影响。邵伟[3]开展了不同高温后花岗岩的力学性能试验，研究了花岗岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量、应力一应变曲线等变化规律。刘琦等[4]开展了温度与动水压力作用下灰岩力学试验，主要研究了温度和动水压力对岩样表面的孔隙、裂隙的影响，并分析了灰岩的渗透性变化规律。李鹏等[5]开展了红砂岩的热-水-力（THM）耦合断裂试验，主要研究了脆性岩石热-水-力耦合断裂的宏微观特征，并揭示了热-水-力耦合的断裂机制。陈宇龙[6]进行了温度-孔隙水压耦合的三轴试验，研究了砂岩渗透率与力学性质的演化规律等。王冲等[7-8]开展了不同温度和不同含水率下岩石的劈裂、压缩试验，主要研究了其抗拉强度、含水率、抗压强度和破坏特征等变化规律。
以上研究均涉及到了温度-应力-水压的三场耦合，但是同时考虑砂岩卸荷问题的研究相对较少。因此，采用TOP INDUSTRIE岩石三轴试验仪进行不同温度和水压作用下的砂岩三轴卸荷试验，对多场耦合下卸荷砂岩的变形特征进行研究，以期为后续工程实践提供参考。
1 试验方案
1.1 试样制备 试验按照《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-2013）的规范进行砂岩试样的制取，同时为满足试验仪器所需要的尺寸要求，最终加工成Φ50mm×100mm的圆柱体标准试样。通过测量岩样直径、高度、质量、岩样纵波波长及回弹值等进行筛选后，利用全自动三轴试验仪进行试验。
1.2 试验过程 先将试样烘干，再利用真空饱和仪进行饱和，最后对饱水砂岩试样进行强度试验，具体方案如下：①对一组试样进行不同初始围压（5、10、20MPa）下的单、三轴抗压试验，获得峰值强度。②利用仪器温度控制系统加热试样至预定值（20℃、40℃、60℃）后，维持目标温度6h以上，确保受热均匀；加载围压至目标值（5MPa、10MPa、20MPa）后维持恒定；加载水压至预定值（0.3MPa、0.6MPa、1.2MPa）后，维持30min；加载偏压至抗压强度的80%后维持恒定；以0.2MPa/min的速率卸荷至岩样破坏，停止试验，取出试样。为剔除离散性，每组试验取三个试样。
2 结果分析
2.1 峰值点变形模量变化特征 卸荷试验中，线弹性段弹性模量可用变形模量表示，黄润秋等[9]提出三轴卸荷试验中的变形模量采用如下公式进行计算，为形象说明变化规律，将所得数据绘制温度、水压、围压和变形模量的关系曲线，如图1所示。
■ （1）
式中：σ1和σ3分别为轴压和围压，ε1为轴向应变，μ为材料常数泊松比。
从图1-图3中可以看出：①在同一水压和初始围压下，变形模量随着温度增加而逐步提升，其主要原因是：温度升高，岩样内部颗粒发生膨胀，内部之间的孔隙减小，峰值点的应变相对变小，而轴向应力相对变化不够明显，因此，变形模量随温度的升高呈线性增加的趋势，在相邻温度下其变形模量降低值大小相近。②在同一温度和初始围压下的变形模量随水压的增大呈非线性减小的趋势，峰前加载段岩样为饱和岩样，内部存在一定的损伤，水压会增加脆性，当水压为0.3MPa和0.6MPa时，其变形模量水压-变形模量曲线的切线斜率相似，随着水压的增加，变形模量开始加速降低，说明水对砂岩的劣化作用逐步加深，水压越大，劣化效果越明显。③在同一温度和水压下，初始围压越大变形模量越大，变形模量随初始围压的增加而上升，同时不同水压下的曲线变化也基本一致，由于初始围压的上升，对砂岩侧向变形的抑制作用越强，进一步的限制了砂岩的侧向变形。
2.2 峰值应变变化特征 峰值应变为应力-应变曲线中峰值应力对应下的轴向应变，它可以反映出峰前岩样的变形情况，见表1。
■
从表1中的数据可以看出：①同一温度和水压下，初始围压越大，峰值应变也越大，初始围压决定了岩样的初始状态，围压越大，对岩样的抑制作用越强，岩样达到破坏时所需施加的轴压越大，岩样的轴向变形也越大。②同一水压和初始围压下，温度越高，峰值应变也越小，在温度的作用下，使得岩样内颗粒膨胀，岩样孔隙和裂隙减小，使得岩样峰前强度增加，因此对应的峰值点的应变也变小。③为方便了进一步分析温度、水压和轴向峰值应变之间的关系，对其数据进行拟合，发现三者存在函数关系：■■，且其拟合度为■。
3 结论
对三峡库区典型滑坡体的砂岩进行不同温度和水压作用下的三轴卸荷试验，根据试验结果，研究砂岩试样的变形特征，得出如下结论：①在不同温度和水压作用下砂岩试样的变形模量随着温度和围压的上升而增大，随着水压的增大而减小。②砂岩试样的峰值应变在温度和水压恒定时，随着围压逐步增大；在围压和水压恒定时，随着温度逐渐减小。
参考文献：
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[3]邵伟.考虑温度变化与水浸泡作用的混凝土与岩石疲劳破坏的非线性力学分析[D].上海：上海理工大学，2010.
[4]刘琦，卢耀如，张凤娥，等.温度与动水压力作用下灰岩微观溶蚀的定性分析[J].岩土力学，2010，31（S2）：149-154.
[5]李鹏，饶秋华，马雯波，等.脆性岩石热-水-力耦合断裂的断口分析[J].岩石力学与工程学报，2014，33（06）：1179-1186.
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[7]王冲，赖远明，尤哲敏，等.温度和含水状态对岩石劈裂强度影响的试验研究[J].冰川冻土，2016，38（05）：1317-1324.
[8]张欢.低温含水砂岩动态压缩力学性能试验研究[D].淮南：安徽理工大学，2018.
[9]黄润秋，黄达.高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（01）：21-33.
[10]宋文，汪然，黄河.温度作用后大理岩三轴卸荷细观破坏特征研究[J].价值工程，2014，33（04）：312-314. |
