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干湿-循环状态下岩体劣化过程分析*

时间:2016-10-27来源: 作者: 点击: 190次

刘广宁 齐信

(中国地质调查局武汉地质调查中心,武汉,430205)

摘要:在掌握三峡库区周期性调水消落带内岩体宏观变形破坏特征的基础上,为了进一步揭示在干-湿循环状态下其岩体劣化改造过程和特性,为三峡库区类似消落带改造岸坡的研究和治理提供借鉴。野外采集原位岩石、江水样品,进行饱和-烘干循环试验,在单轴压缩状况下进行声发射(AE)特性试验。进而获取多组次试件力学性质变化规律AE试件的振幅(能量)、信号数量随应力变化之间的关系,同时对干-湿循环样品试验进行力学试验测试校验。由于岩性的差异,AE特性随着干湿循环次数的增加而各有不同,主要表现在压密――启裂――破坏各阶段AE事件的差异性,岩石试件力学特性随着干湿循环次数的增加呈明显降低趋势。研究区岸坡劣化改造程度侏罗系聂家山组(J1n>桐竹园组(J1t>沙溪庙组(J2s)。

关键词:三峡库区 消落带 干湿循环 劣化岩体 声发射

中图分类号:P642.22    文献标识码:A

0.引言

三峡库区蓄水以来,由于库水周期性波动,形成约30m垂直落差的涨落变动带――消落带。该区域内岩体长期在库水物理、化学、力学联合作用下发生劣化和微观改造。消落带宏观通常表现出岩体破碎、局部垮塌。今年来三峡库区由于消落带区域岩体劣化而导致岸坡失稳事件频繁发生。其中巫峡段,2008年以来一直持续发生变形破坏的水泥厂滑坡、青石滑坡、马鞍子斜坡[1],巴东王家咀-观音桥一带斜坡[2],其中造成巨大经济损失、人员伤亡的典型灾害事件如:2008年11月23日发生的巫峡龚家方崩塌,产生高达32m的涌浪[3]2015年6月24日大宁河口对岸发生的红岩子崩滑,产生5~6m的涌浪;给当地经济发展、航道安全运营、人们的生产生活产生巨大影响。究其原因,主导因素为消落带岩体受库水波动影响,产生劣化和微观改造,其具有明显的渐进性和累积性[4]。本文选择长江干流北岸归州河口-泄滩河口消落带改造强烈、变形破坏迹象明显的侏罗系库岸段调查库岸总长度约11km,发生变形破坏的岸坡长度有5.8km,约为岸坡总长度的52.7%。采集原位岩石、水样进行室内干湿循环状况下声发射AE)特性试验及力学特性测试,进而分析其劣化改造过程和趋势。

1. 研究区概况

研究区位于三峡库区西陵峡长江左岸归州河口-泄滩河口库岸段,该库岸段总长度7.3kmkm,发生岸坡改造长度有4km,约为岸坡总长度的54.8%,其中岩质改造岸坡长度为1.57km。该区域属于中低山峡谷地貌,多发于近南北向“V”型冲沟,切割深度15~100m。该段岸坡主要出露地层岩性为侏罗系地层,其包括侏罗系桐竹园组(J1t)、聂家山组(J1n)、沙溪庙组(J2s)、遂宁组(J3s),岩性主要以紫红色、灰绿、黄褐色薄~中层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩以及其互层结构,岩层产状:25~65°∠35~55°为斜向结构岸坡。根据该段岸坡消落带改造程度,选取宏观改造强烈、变形迹象最为明显的侏罗系桐竹园组(J1t)、聂家山组(J1n)和沙溪庙组(J2s)进行干湿循环状况下劣化改造特性试验研究。

2.试样烘干-饱和循环试验

烘干试验方法:将室温试样放入烘箱中,在105℃~107℃的恒温下烘24h,然后将试样取出放入干燥器内冷却至室温(图1)。

饱和试验方法:将烘干冷却后的试样放入自由吸水箱中,自由吸水48h后取出放入真空泵中进行“抽气-吸水浸泡-再抽气”过程,真空压力表读数约为-100kPa,抽气时间约4h;抽气结束后,在大气压下试样在江水中静置4h(图2),然后将试样取出擦干,备做试验或下一步的烘干试验流程。以上将试样烘干后进行饱和的一系列过程,称为1个“干-湿”循环[5]。进行多个循环时重复上述过程,以模拟改造岸坡岩体在库水周期性波动状况下岩体浸泡-暴晒的交替状态[6]

 

 

1干燥箱烘干

Fig.1 Drying by drying-oven

2岩石样品浸泡饱和

Fig.2 Soak saturated of sock samples

3.声发射特性试验

岩石受到外力或加载时,其变形、破坏过程中包括岩体内部的孔隙压密、摩擦、微裂隙的开裂、拓展、局部区域应力集中过程中,都会发生能量释放并产生瞬态弹性波的声发射现象(Acoustic EmissionAE),利用声发射仪探测岩块AE事件,通过应力波振幅反映其破坏释放的能量大小,通过AE累积数来反映试件内部摩擦、碰撞试件发生的多少,该方法是对岩体力学性质及内部损伤破坏进行无损检测的有效手段[7~8]

对野外采集的岩石样品和水样分成多组进行干湿循环试验后,取不同组次的岩石试件,采用MTS系统三轴室在围压为零条件下进行压缩破坏,将探头布置在三轴室外壁(图4),间接探测试样在压缩破坏过程中的AE事件,了解不同岩性岩石试样在干湿循环前后试样AE事件数与荷载的关系,进而掌握研究区内改造强烈的三种典型岩性组在荷载作用下,干湿循环前后AE特征。由于时间及试验样品数量所限,本次试验仅针对J1nJ1tJ2s岩石样品进行50次、10次、20次干湿循环试验测试。

试验操作流程:干湿循环试验前制备J1nJ1tJ2s试样并进行分组编号;对分组试样分别进行020次干湿循环;分别对0次、10次、20次干湿循环试样进行加载,运用配套计算机及相关软件记录加载过程中岩石样品AE信号;AE数据结果整理、分析(图3

 

 

3 AE特性测试装置及采集系统

Fig.3 AE test equipment and its data processing system

4.试验结果分析

1侏罗系聂家山组(J1n)岩体试件

通过对该岩性试件多组试验,由于其力学性质和耐崩解性极差,抗压强度太低,多数试件加载过程中未采集到明显的AE事件,对于采集到AE事件效果较好、结合力学试验,能够较好反映其AE特征与应力关系的几个典型结果进行了分析。

对于0次干湿循环试件,其加载最初并没有AE信号产生,说明J1n试件内部含有孔隙,加载过程中具有压密过程[9],同时由于泥质含量较高,其粘聚力大、摩擦力小,难以产生AE信号或信号微弱,当其应力达到13Mpa(启裂强度)左右时,开始产生明显的AE信号(图4a),但其应力波能量较小,振幅多在42db左右,判断试件内部出现微裂隙,随着加载的持续,其AE事件逐步增大,应力波能量逐步增大,当应力达到32 Mpa(峰值强度)左右时,AE事件能量和数量骤增,内部摩擦碰撞剧烈,释放大量的能量,判断其内部裂隙拓展、贯通,最终试件破坏。

对于10次干湿循试件,加载过程中其最初同样具有压密过程,经过干湿循环过程试件内部泥质会流失、含量减少、孔隙增大增多,理论上其压密过程应该更长,但事实上并非如此,由于加载是持续均匀进行的,通过(图4b)故可判断该压密过程较0次循环短,分析可知其原因为:本身干湿循环就已经降低了试件的强度,同时压密过程中由于泥质的流失,大大降低了其内部弹性缓冲,加载使其快速压密,期间有零星、能量较小的AE信号产生,说明其粘聚力降低、摩擦力增大,试件内部有摩擦和碰撞产生[10],但其应力波能量较小,振幅多在43db左右。当应力达到6Mpa(启裂强度)左右时,开始产生较为明显的AE信号,但其应力波能量相对增大,振幅最大超过48db,随着加载的持续,其AE信号逐步增强、事件数逐步增多,应力波能量逐步增大,当达到14Mpa(峰值强度)左右时,其AE信号和数量骤增,此时内部摩擦碰撞最为剧烈,释放大量的能量,试件完全破坏。。

对于20次干湿循试件,加载过程中其最初同样具有压密过程类似与10次干湿循环试件,但因其干湿循环次数的增多,其岩体劣化更为强烈,通过(图4c)可知其压密过程更加短暂,加载使其产生溃塌式压密,期间同样有零星、明显的AE信号产生,判断是内部明显的摩擦和碰撞产生的,但其应力波能量相对增大一些,最大振幅超过48db。当应力达到4Mpa(启裂强度)左右时,开始产生更为明显的AE信号,但其应力波能量相对增大,振幅最大超过50db,随着加载的持续,其AE信号逐步增强、事件数逐步增多,应力波能量逐步增大,当达到8Mpa(峰值强度)左右时,其AE信号和数量陡增,此时内部摩擦碰撞最为剧烈,释放大量的能量,试件完全破坏。

 

4 AE事件与轴向应力间的关系图(J1n

Fig.4 The relationship between AE events and Axial stressJ1n

2侏罗系桐竹园组(J1t)岩体试件

对于0次干湿循环试件,其加载最初便产生AE信号产生,说明该岩石试件内部含有孔隙,加载压密过程,同时由于泥质含量较少,其粘聚力小、内部摩擦碰撞产生的AE信号较为明显,且其振幅较大、能量较高,但随着加压的进行其AE试件的能量和数量呈降低趋势(图5a),当其应力达到27Mpa(启裂强度)左右时,开始产生明显的AE信号,其数量和能量也在随后逐步增加和增大,最大振幅近64db,判断试件内部出现微裂隙[11],当应力达到58 Mpa(峰值强度)左右时,内部摩擦碰撞剧烈,释放大量的能量,振幅明显增大,其AE累计数明显增多、信号强烈,判断内部裂隙拓展、贯通,试件破坏。

对于10次干湿循环试件,其加载最初同样产生AE信号产生,且数量相对较多,但能量有所降低,随着加载的进行,其AE能量和数量同样呈降低趋势(图5b)。说明干湿循环后J1t试件内部由于泥质的流失,其粘聚力降低、内部摩擦增大,AE数量增多,但干湿循环使岩体劣化,强度降低,压密过程释放的能量较低,故其振幅较小。当其应力达到21Mpa(启裂强度)左右时,开始产生明显的AE信号,其数量和能量也在随后逐步增加和增大,最大振幅达56db以上,判断试件内部出现微裂隙,当应力达到46 Mpa(峰值强度)左右时,内部摩擦碰撞剧烈,释放大量的能量,振幅明显增大,其AE累计数明显增多、信号强烈,判断内部裂隙拓展、贯通,试件破坏。

对于20次干湿循环试件,其加载――试件破坏的整个过程与10次干湿循环试件过程大致相同(图5c)。只是其加压过程中其AE试件的振幅和累计数有所不同;同时其启裂强度和峰值强度不同。当其应力达到9Mpa(启裂强度)左右时,开始产生明显的AE信号,其数量和能量也在随后逐步增加和增大,最大振幅近50db以上,判断试件内部出现微裂隙,当应力达到20Mpa(峰值强度)左右时,内部摩擦碰撞剧烈,释放大量的能量,振幅明显增大,其AE累计数明显增多、信号强烈,判断其原生及加压产生的微裂隙拓展、贯通,试件破坏。

 

5 AE事件与轴向应力间的关系图(J1t

Fig.5 The relationship between AE events and Axial stressJ1t

3)侏罗系桐竹园沙溪庙组(J2s)岩体试件

对于0次干湿循环试件,其加载最初便产生AE信号产生,其能量高、振幅较大,最大达64db,但数量较少,没有明显的规律,难以判断其明显的压密过程,说明J2s试件内部质地较均匀,孔隙发育较少,(图6-a),当其应力达到50Mpa(启裂强度)左右时,开始产生明显的AE信号,其数量和能量也在随后逐步增加和增大,判断试件内部出现微裂隙,当应力达到110Mpa(峰值强度)左右时,内部摩擦碰撞剧烈,释放大量的能量,振幅明显增大,其AE累计数明显增多、信号强烈,判断其原生及加压产生的微裂隙拓展、贯通,试件破坏。

对于10次、20次干湿循环试件,其加载――试件破坏的整个过程与0次干湿循环试件过程大致相同(图6-b、c)。加载最初同样产生AE信号产生,且数量相对较多,但能量降低。同样表现出其粘聚力降低、摩擦增大,当应力分别达到34 Mpa、20 Mpa时(启裂强度)其AE振幅和数量有显著的突变;当应力达到时80 Mpa、60 Mpa(峰值强度)附近其AE振幅和数量产生骤变,内部摩擦碰撞剧烈,释放大量的能量,振幅明显增大,判断内部裂隙拓展、贯通,试件破坏[12]

 

6 AE事件与轴向应力间的关系图(J2s

Fig.6 The relationship between AE events and Axial stressJ2s

5.综合分析

将岩性随干湿循环次数进行纵向对比,由J1n干湿循环AE特性试验可知,压密时间随着循环次数的增加呈渐短趋势,其启裂强度峰值强度随着循环次数的增加均呈降低趋势,其在压密、启裂、破坏阶段前[13],应力波能量随随着循环次数的增加呈逐渐增大趋势,在试件完全破坏阶段其应力波能量随着循环次数的增加呈降低趋势,其AE数量随着循环次数的增加呈增大趋势。由J1t试件干湿循环AE特性试验可知,压密时间随着循环次数的增加呈渐短趋势,“启裂强度”和“峰值强度”随着干湿循环次数的增加呈降低趋势,其应力波在压密-启裂-破坏阶段整个过程中应力波能量随干湿循环次数的增加呈降低趋势、AE数量呈增大趋势。由J2s试件干湿循环AE特性试验可知,随着其循环次数的增加,并未显现出明显的压密过程,说明砂岩内部质地均匀、孔隙不发育,其“启裂强度”和“峰值强度”随干湿循环次数增加呈下降趋势,其应力波能量在压密、启裂、破坏各阶段随干湿循环次数的增加呈降低趋势、AE数量呈增大趋势。

将岩性随干湿循环次数进行横向对比可知:J1nJ1t有显著的压密过程,而J2s不明显;其启裂强度和峰值强度均为J2sJ1tJ1n砂质泥岩;三类岩性试件AE事件发生率为J1tJ2sJ1n;根据其AE信号、振幅(能量)、数量数据的分析,消落带岸坡岩体改造强烈程度为J1nJ1tJ2s

6.结论

1调查库岸总长度约11km,发生变形破坏的岸坡长度有5.8km,约为岸坡总长度的52.7%,岩体劣化改造主要发生在侏罗系J1nJ1tJ2s岩组内。

2)通过AE特性试验,不同岩石在逐渐加载过程中均有AE事件发生,但其在压密――启裂――破坏过程中,其AE信号、振幅(能量)、数量随应力变化表现出不同的特征,J1nJ1t具有较为明显的压密过程,而J2s不明显。其“启裂强度”和“峰值强度”有明显的差异性,J2sJ1tJ1n,这也反映了岩体力学性质的强弱差异性,但随着干湿循环次数的增加,岩体发生劣化,“启裂强度”和“峰值强度”都有不同程度的降低。

3)干-湿循环状况下,通过力学特性试验校验表明,岩体强度随着干湿循环次数的增加呈降低趋势,库水对岩体有明显的劣化改造作用,其劣化改造程度侏罗系聂家山组(J1n>桐竹园组(J1t>沙溪庙组(J2s)。

4)由试验可知,库水对消落带岩体的劣化改造具有渐进性和累积性,随着微观改造的持续发展,势必导致宏观岸坡结构的破坏甚至灾害事故的发生,建议加强对劣化改造强烈岸坡段的巡视力度,密切关注改造强烈岸坡上部斜坡的变形破坏迹象。

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Analysis of the deterioration process of rock mass under wet and dry cycle condition

LIU Guang-Ning, QI Xin

(Wuhan Centre of China Geological Survey,Wuhan, 430205)

Abstract: On the basis of mastering the characteristics of macroscopic deformation and failure of rock mass in the period of the Three Gorges Reservoir area, further revealed in the condition of wet - dry cycle the internal degradation process and characteristics of rock mass for the three gorges reservoir area similar down with geological study and management for reference. Field in-situ rock, river water samples, saturated - drying cycle experiment was carried out, under the conditions of uniaxial compression characteristics of acoustic emission (AE) test. And then get more groups of time specimen mechanics properties change law AE amplitude (energy) of the specimens, the relationship between the number of signal change with stress, at the same time, take the dry wet cycle sample for the check test of The mechanical properties. Due to the difference of lithology, the AE characteristics are different with the increase of the number of dry wet cycles, the AE event differences Embodied in the pressure ,crack,damage various stages. The mechanical characteristics of rock specimen showed a significant decrease with the increase of dry wet cycle times. Bank slope in the study area degradation is transforming the Jurassic (J1n) > (J1t) > (J2s).

Key words: Three gorges reservoir areaWater level-fluctuating zone; Dry-wet circulationDegradation of rock mass; Acoustic emission

 

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