1、 收稿日期： 2017 7 - 27 作者简介： 王会琼（ 1982-），女，云南宣威人，讲师，安全工程硕士，主要从事矿山安全方面的教学及研究工作。 E-mail： 。 干湿循环对砂岩剪切特性影响试验研究 王会琼 1， 黄维辉 2 (1. 云南能源职业技术学院，云南 曲靖 655001； 2.核工业江西工程勘察研究总院 ， 江西 南昌 330029) 摘要 ： 为了掌握干湿循环作用对岩石剪切特性的影响规律，以砂岩为研究对象，利用 YZW50 型微机控制电动应力式直剪仪对其开展干湿循环次数分别为 1、 5、 10、 15、 20 及 30 次共 6 种不同状态下的直剪试验。试验结果表明：砂岩抗剪
2、参数具有明显的干湿循环效应，当干湿次数为 30 次时，粘聚力下降到 7.31MPa，内摩擦角减小为34.82，与干 湿循环 1 次相比，下降幅度分别高达 37.31%和 20.59%。同时，砂岩的剪切破坏特征也会随着干湿交替次数的增加产生较为显著的变化，即呈现出从脆性到塑性逐渐转化的趋势。研究成果为岩土工程的设计和稳定性评价提供了重要的理论和实际指导意义。 关键词 ： 岩石力学 ； 砂岩 ； 干湿循环；剪切特性 中图分类号 ： TD 文献标识码 ： A 文章编号 ： INFLUENCE OF DRY-WET CIRCULATION ON SHEAR PROPERTIES OF SANDSTON
3、E WANG Huiqiong1， HUANG Weihui2 (1. Yunnan vocational institute of energy technology , Qujing, Yunnan 655001， China； 2. Jiangxi Institute of Engineering Prospecting, Nuke Industry, Nanchang, Jiangxi 330029， China) Abstract： In order to grasp the influence of the dry-wet circulation on rock mechanics
4、 characteristics, taking the sandstone as an example, a series of shear tests were conducted by YZW50 microcomputer control electric stress direct shear apparatus, 6 kinds of tests of different dry-wet circulation number were set, which respectively were 1, 5, 10, 15, 20 and 30 times. The test resul
5、ts show that the shear characteristics of sandstone have obvious wetting-drying effect, when the dry-wet number is 30 times, the cohesion is 7.31MPa, the internal friction angle is 34.82, and comparing with 1 times, native state, the falling range of which are severally up to 37.31% and 20.59. In ad
6、dition, with the increase of dry-wet number, the failure characteristics of sandstone are also changed, and a transformation law from brittleness to ductility is showed. Key words： rock mechanics, sandstone, dry-wet circulation, shear properties 0 引 言 大量的 理论分析与工程实际已经证明 ， 水会显著改变岩土体的物理力学性质，进而对 岩 土 体的
7、稳定性产生影响 。因此，长期以来， 有关 水岩相互作用规律 方面的研究 一直是众多科技工作者研究的重点内容。 在水岩相互作用方面， L. Obert 等 1研究了 含水量 对 矿岩强度 的影响规律 ， 试验 结果 显示与风干状态相比， 饱水状态下 砂岩 的抗压强度较 减小了1020%； Hawkins A B 等 2开展了 35 种 砂岩在 不同含水 量时 的单轴抗压试验， 发现 随着含水量的增加，砂岩的力学性能下降，且其下降幅度砂岩内部不同矿物的含量及比例密切相关的结论；孟召平等 3对不同含水条件下煤系沉积岩石的力学性质进行了室内试验，研究表明随含水量的增加，岩石的单轴抗压强度和弹性模量圴出
8、现降低，但受含水量的影响，不同岩性岩石的降低幅度并不相同 ； A.Prick4比较了干湿、冻融两种水岩作用方式对页岩风化程度的影响，认为虽然冻融作用 的影响更为强烈，但干湿效应亦不可忽略；傅晏 5对 砂岩抗剪强度特性随干 2 矿冶 2017 年 湿交替次数的变化规律 进行了研究 ，结果表明随干湿循环幅度的 增加， 砂岩抗剪强度参数有减小的趋势；李克钢等 6对砂岩开展了 15 次干湿交替试验，获得了干湿循环作用下砂岩变形特性、强度特性及破坏特征等的变形规律。 如前所述 ， 在水岩相互作用方面 ，除了简单的岩土体吸（浸）水饱和，诸如库水位涨落、大气降水的反复蒸发等干湿循环作用亦是 非常重要的 水岩
9、作用形式 7， 同时， 与其它岩石物理力学参数相比，岩石的抗剪参数在岩土工程稳定性分析与评价中占有 着 更加重要的 地位 。但鉴于 有关 干湿循环 对 岩石抗剪强度特性 影响规律 方面的研究偏少 ，更多的成果多是集中在不同含水率方面 8-10。 因此，为了分析干湿循环效应对岩石剪切特性的影响，本文以砂岩为研究对象， 开展室内干湿循环直剪试验研究，探讨砂岩粘聚力、内摩擦角及剪切破坏特征等随干湿次数的变化关系，以期为岩土工程 的设计和 稳定性 评价提供相应的 理论依据。 1 干湿循环试验方案 1.1 试验对象 本次试验用 岩样为砂岩，取自云南先锋露天矿，经 X 射线衍射鉴定，该批砂岩为中粒含长石石
10、英砂岩，中粒砂状结构，孔隙式胶结，岩石主要由石英、岩屑、少 量长石等被泥、硅质充填胶结而成。石英、岩屑、长石含量分别为 80%、 5%和 510%，而胶结物也占到了 1015%11。图 1 为砂岩显微结构图。图 1 砂岩显微结构图 Fig.1 Microscopic structure diagram of sandstone 1.2 试验方案 参考相关文献 5,12并 考虑到岩石本身的自然环境 ， 将 “岩样放入烘箱中以 50 温度烘 12 小时 ， 待岩样冷却至室温 ， 再将岩样放入水中浸泡 48 小时 “定义为 1 次干湿循环。 根据试验目的，共设置 6 个主要干湿循环试验点，分别是：干
11、湿循环 1 次、 5 次、 10 次、 15 次、20 次和 30 次，试样为高 直径 =5050mm 的圆柱形标准试件，试验仪器采用 YZW50 型微机控制电动应力式直剪仪。 按照相关规范开展直剪试验 13， 试验过程中， 5 块砂岩试样的法向荷载依次设定 为10KN、 20KN、 30KN、 40KN 和 50KN，加载速率为 2.4KN/S。 2 试验结果与分析 2.1 干湿循环效应对抗剪 参数的影响 表 1 为干湿循环状态下砂岩抗剪强度试验结果。由表 1 可以得知，干湿循环 1 次 时 砂岩的粘聚力为 11.66MP，内按摩角为 43.85，与干燥状态次时 的 14.70MPa 和 5
12、0.19相比 ，下降 幅度分别为20.68%和 12.63%。随着干湿循环次数的增加，砂岩粘聚力和内摩擦角不断减小，当干湿循环达到 30次时，砂岩粘聚力仅为 7.31MPa，内摩擦角为 34.82，相比干湿循环 1 次， 下降幅度分别高达 37.31%和20.59%。 不难看出 ，砂岩抗剪参数 具有较为显著的干湿循环效应，受 干湿循环 次数的增加，砂岩的粘聚力和内摩擦角均逐渐减小 ， 而且，与内摩擦角相比， 粘聚力 对干湿效应的响应程度更敏感 。 图 2 为砂岩抗剪参数随干湿循环次数 拟合 规律图，相应拟合关系式见式 (1)(2)。 nenc 01.0-80.11)( (n30) R2=0.9
13、96 (1) nen 00 8.0-705.44)( （ n30） R2=0.875 (2) 表 1 干湿循环作用下砂岩剪切试验数据 Table 1 Shear test results of sandstone under dry-wet circulation 岩样 编号 干湿循环次数n(次 ) 法向应力(MPa) 切向应力(MPa) 粘聚力c(MPa) 内摩擦角() Z-G-1 干燥 7.20 21.30 14.70 50.19 Z-G-2 12.80 29.30 Z-G-3 17.60 39.20 Z-G-4 23.10 41.70 Z-G-5 27.70 45.00 Z-1-1 1
14、6.70 17.10 11.66 43.85 Z-1-2 11.70 26.20 Z-1-3 18.40 26.70 Z-1-4 22.70 32.00 Z-1-5 27.60 40.00 Z-5-1 5 7.40 15.60 10.84 43.22 王会琼等 . 干湿循环作用对砂岩剪切特性影响试验研究 3 Z-5-2 12.00 25.00 Z-5-3 16.80 26.70 Z-5-4 22.40 31.60 Z-5-5 28.00 36.70 Z-10-1 10 7.10 15.50 10.11 41.85 Z-10-2 12.20 24.90 Z-10-3 17.20 20.40 Z-
15、10-4 22.00 31.50 Z-10-5 27.60 34.80 Z-15-1 15 7.10 15.40 11.33 38.63 Z-15-2 11.60 21.40 Z-15-3 17.30 26.20 Z-15-4 22.20 30.60 Z-15-5 28.10 32.00 Z-20-1 20 8.20 13.90 8.36 40.50 Z-20-2 11.70 21.20 Z-20-3 16.80 20.70 Z-20-4 22.50 29.40 Z-20-5 28.30 31.60 Z-30-1 30 6.30 9.50 7.31 34.82 Z-30-2 12.00 17.
16、90 Z-30-3 17.90 20.60 Z-30-4 22.90 23.60 Z-30-5 29.10 26.30 （ a) 粘聚力 (b) 内摩擦角 图 2 砂岩抗剪参数随干湿循环次数 拟合 曲线 Fig.2 Relationship of shear parameters with n 2.2 剪切强度与干湿循环次数的关系 图 3 为 不同干湿循环作用下砂岩抗剪强度曲线图。可以看出，砂岩抗剪强度 一方面随着 法向应力的增大而增大，一方面随着 干湿次数的增加而减小 ，也就是说，即便岩土体产 状、外部所受荷载等没有发生任何变化，但一旦遭受了降雨 -蒸发等干湿循环过程，岩土体力学性质同样会出
17、现较大幅度的下降，进而使原本较为稳定的岩体工程稳定性下降，甚至产生变形、破坏等失稳现象，这一点在实际工程中需要重点关注 。 将式（ 1）、式（ 2）代入库仑准则，可得到考虑干湿循环效应的砂岩抗剪强度公式： nnn ee 0 0 8.0-01.0- 705.44ta n80.11 (3) 010203040500 10 20 30 40切向应力/MPa法向应力 / M P a干燥1 次5 次10 次15 次20 次30 次图 3 不同干湿循环作用下砂岩抗剪强度曲线 Fig.3 Shear strength curves of sandstone in different dry-wet circ
18、ulation 2.3 干湿循环对砂岩破坏特征的影响 从 不同干湿循环次数下砂岩破坏 情况可知， 砂岩破坏特征同样具有干湿循环效应 （图 4）。当在干湿次数 仅为 1 次等 较少 次数 时， 砂岩受 剪破坏面 2 矿冶 2017 年 基本上没有较为明显的擦痕，也很少出现岩粒或者碎屑，而且剪切 面 较为平直，呈现一种脆性剪切破坏特征；一旦 干湿次数 增加 ， 砂岩剪切面上的岩粒、碎屑等被剪切下来的颗粒物质越来越多，同时会显现较为明显的擦痕，且断面起伏度增大 ， 以上试验结果 说明干湿循环 作用会对砂岩的剪切破坏特征产生影响，干湿次数越多，塑性特征越显著， 而脆性特征愈减弱，即呈现一种脆延转化的态
19、势 。 (a) 循环 1次 (b)循环 5次 (c)循环 10次 (d)循环 30次 图 4 不同干湿循环次数砂岩破坏特征 Fig.4 Failure characteristics of sandstone under different dry-wet circulation 3 结 论 通过 对砂岩在不同干湿循环次数下的直剪试验研究， 可得到如 下结论： (1) 砂岩的粘聚力和内摩擦角均随着干湿循环次数 的增大而减小，说明砂岩的抗剪参数具有明显的干湿循环效应，且粘聚力比内摩擦角更敏感。 (2)砂岩抗剪强度 受到 法向应力 和干湿循环次数的双重影响，且与二者分别 呈正 、负 相关关系，也就
20、是说，在外部荷载等条件均不改变的前提下，一旦岩土体经历了降雨 -蒸发等 干湿 作用，岩体工程的稳定性同样会产生较为明显的下降 。 (3)砂岩破坏特征受干湿循环影响较为显著， 即砂岩破坏 特征会 随着干湿次数的增多 呈现 脆延转化的变化规律。 参考文献 (References)： 1 L.Obert, S. L.Windes, W. LDuvall. Standardized tests for determining the physical properties of mine rockJ. RI-3891, Bureau of Mines, U.S. Dept. of the Interi
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