岩石的崩解特性与抗压强度的试验研究.pdf

第6 3 卷第2 期 20l1 年5 月 有色金属 N o n f e r m u BM e t a l B V 0 1 ．6 3 ．N o ．2 M a v20Il D o l 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 l 一0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 2 ．0 5 5 岩石的崩解特性与抗压强度的试验研究 毕忠伟，张志军 南华大学，湖南衡阳4 2 10 0 1 摘 要结合湖南桃花汀核电厂址的审内岩石试验，通过对粉砂质板岩、粉砂岩、板岩i 类岩石进行崩解试验、物理试验以及抗压强 度试验，分析了三类岩钉的耐崩解指标，深人研究r 崩解指标与抗压强度、软化系数等的关系，为该电厂的选址提供r 依据。 关键词岩石力学；崩解特性；抗压强度 中图分类号x 7 5 3 文献标识码A 文章编号l ∞l 0 2 l l 2 0 1 1 0 2 一0 2 3 3 一0 3 引言 岩石的耐崩解性是指岩石试样经过干燥和湿润 两个标准循环后，岩石抵抗软化及崩解的能力。目 前在岩石力学领域中，对易崩解岩石在荷载作用下 的破坏研究存在不足，而这些易崩解岩石的特性对 于核电站、水电站以及其他岩体工程来说却是至关 重要的“1 。 桃花江核电厂位于桃江县栗山河镇，地质结构 稳定，地震烈度低。中核岩土工程有限责任公司负 责对该厂址进行可行性研究。受中核岩土工程有限 责任公司的委托，作者对湖南桃花江地区的粉砂质 板岩、板岩、粉砂岩3 种岩石进行了室内物理力学试 验。这类岩石在水的作用下极易软化，宏观上具有 崩解破坏的现象，这一特性对工程建设极为不利。 试样全部来自桃花江地区，对9 个标准试件进 行了单轴干燥压缩变形试验、对9 个标准试件进行 了单轴饱和压缩变形试验、对1 5 个标准试件进行了 三轴压缩变形试验，获得了岩石的全过程应力一应 变曲线。通过分析，探讨了中等风化岩石的崩解性 对岩石的强度、变形以及破坏形式的影响规律，为湖 南桃花江核电有限公司的建设提供依据。 1 岩石的水理性质 本次试验采用中核岩土工程有限责任公司提供 的岩芯，直径5 0 2m m 。根据工程岩体试验方法 收稿日期2 0 0 9 一0 2 2 7 基金项目国家自然基金资助项目 5 0 9 0 4 0 3 6 。5 l 0 0 4 0 6 7 ，博士后 资助项目 2 0 1 0 0 3 1 2 8 作者简介毕忠伟 1 9 7 6 一 。男．山西晋城人，博士，副救授。主要从 事岩石力学研究。 标准，按测试研究要求，分别将z K 5 1 、z K 8 ．1 、 z K 3 5 - l 等3 个钻孔同层位的、风化程度相同的岩芯 加工成高度1 0 0 2m m 的试件进行试验。 三种岩石的物理水理性质见表l 。 表l岩石的物理水理性质参数 T a b l e1 P h y s i c a la n dh y d r a u I i cp r o p e r t i e so fm c k 8 地层岩性风化黻名 3 ／翟三兹水嚣／【g ‘c m 。，／【g 。c m 。 甲／％ 奴／％ 粉砂质板岩中等风化 2 ．4 92 ．5 0I ．6 72 ．8 0 板岩中等风化 2 ．3 62 ．4 83 ．5 45 ．2 2 粉砂岩中等飙化 2 ．1 22 ．3 l5 ．5 8 8 ．3 由表l 可知，粉砂岩的天然吸水率和饱水系数 都较大。吸水率的大小主要取决于岩石中孔隙和裂 隙的数量、大小及其开启程度。吸水率愈大，内部孑L 隙越发育。粉砂岩的饱水系数反映了粉砂岩大开型 孔隙与小开型孔隙的相对含量。饱水系数愈大，说 明岩石中的大开型孔隙相对较多，而小开型孔隙较 少，也反映粉砂岩在常压吸水后留出的空间有限。 2 岩石的崩解特性 2 ．1 崩解机制 岩石崩解具有双重机制1 岩石内含有膨胀性 的黏土矿物。当岩石浸水后，由于渗透作用，亲水矿 物易迅速吸附水分子而引起岩石微结构的破坏。膨 胀变形后，导致岩石崩裂，即“膨胀机制”；2 岩石内 部存在空隙，粒间局部含有可溶盐类。浸水后，盐类 首先溶解，从而形成岩石内部连通的“空洞”，使得 水分子与黏土矿物充分接触而造成岩石崩解，即 “盐类溶解机制”。这两种机制通常同时作用。因 此岩石的膨胀崩解都是在浸水后发生的，且在浸水 后的几个小时内最剧烈。这两种破坏形式几乎同时 万方数据 2 3 4有色金属第6 3 卷 发生，因此，在工程建设中要考虑这两种破坏形式 同时发生对岩体性质的影响”‘7 1 。 2 ．2 试样制备、试验仪器及试验方法 每类岩石选取1 0 块有代表性的岩石试样，每块 质量4 0 ～6 0g ，总质量4 5 0 ～5 5 0g 。将每块试样磨 成近似球状，然后按照如下步骤进行崩解试验 1 对于每种岩石，将制好的1 0 块试样放入清 洁的圆筒中，在1 0 5 ℃一1 1 0 ℃下烘6h 。冷却后，称 量量筒与试样的质量。 2 盖上盖子，在水槽中安装圆筒，并连接马达。 ．3 向水槽中注水，水位应在圆筒轴以下2 0m m 处。圆筒以2 0r ／m i n 的速度转1 0m i n 。 4 从水槽中将圆筒取出，取下圆筒盖子，将圆 筒和残留试样在1 0 5 ℃～1 1 0 ℃烘干至质量稳定 约 1 2h 。冷却后，称量圆筒加残留试样的质量。 5 重复步骤2 4 ，并记录圆筒加残留试样的质 量。 6 称量圆筒的质量，计算耐崩解性指数 见表 2 。 7 试验均按S L - 2 0 0 l 标准进行。结果所提数值 均为第二次循环的崩解性指数。 表2 三类岩石的崩解指数 T a b l e2 D i s i n t e g m t i o ni n d e x e so ft h r e et y p e so fr o c k s 地层岩性耐崩解指数／％ 粉砂质板岩 板岩 粉砂岩 7 5 ．3 l 9 7 ．3 7 8 2 ．6 2 3 岩石的力学特性 在进行单轴压缩试验前，采用型号为D 0 l 的自 动岩石切割机切成 4 8 2 1 0 0m m 的标准试样； 利用中国姜堰市苏阳仪器厂生产的双端面磨石机 芒 、 R 割 A 粉砂质板岩 ‘A s i I qs h 止 芒 、 采 翻 型号s H M - 2 0 0 磨平标准岩样的上下底面；最后利 用武汉岩土所生产的伺服控制试验系统 R M T 1 5 0 B 对其进行单轴压缩试验和三轴压缩试验。试 验结果见表3 。 表3 岩石单轴抗压强度 T a b l e3U n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g 山o fr o c k s 地层岩性 干燥单轴抗压 范围 强度／M P a 饱和抗压强度／M P a 软化系 均值范围均值数／％ 3 试验结果与分析 3 ．1 崩解指标与应力一应变全过程曲线的关系 通过试验获得了粉砂质板岩、板岩、粉砂岩三类 岩石的单轴应力一应变曲线特征。 图l 、图2 分别为不同崩解指标下岩石的应力 一应变全过程曲线，由于每条曲线均是通过对同组 中3 个试件观测得到的曲线加以平均整理后绘制， 因此具有一定的代表性。可见，岩石的应力一应变 曲线的形状大体上是类似的，一般可分为压密、弹性 变形和向塑性变形到破坏3 个阶段。加荷初期，轴 向应变的增加量随轴向应力的增加而增加，曲线呈 上凹形状，这是由于岩石试件中的微裂隙或节理面 压密而产生的，由于岩石中裂隙、节理面等的宽度不 一样，则闭合的程度也不同。所以，各曲线长度也不 同。随后，裂隙、弱节理面闭合，应力一应变关系则 具有近似于线弹性的性质，当轴向应变继续增加，且 岩石中的应力超过了其最大承载力，试件就开始破 裂，应力一应变曲线转向下降，其特点是试件在破坏 初期仍保持一定的强度。同时，由图2 可以看出，崩 应变，￡ B 板岩 B ’s l a I e 芒 芏 、 长 翻 图l 干燥情况下的单轴应力应变曲线 F i 昏l U n i a I i a ls 吣s ．s h 面nc 岍e 曲d e rd r yc o n d i t i 叩 应变，￡ 0 粉砂岩 C 虹l 杖o l m 万方数据 第2 期毕忠伟等岩石的崩解特性与抗压强度的试验研究 2 3 5 A 粉砂质板岩 【A s i l t ys l a 培 杀 捌 垩 杂 捌 图2 饱和情况下的单轴应力一应变曲线 F i g ．2 U n i a x i a l 8 t m 8 8 - 8 t r a i nc u r v eu n d e r8 a t u m t i o nc o n d i t i o n 解指标与压密阶段是一致的崩解指标大，压密阶段 的变形量小，其中板岩的应变量最小，这是因为板岩 内部裂隙较少，板岩的应力一应变曲线比较陡。 3 ．2 崩解指标与强度的关系 由图l 、图2 可以看出，三类岩石的强度都比较 小，干燥状态下的抗压强度都等于或者小于3 0 M P a ，说明该类岩石属于软岩类岩石。板岩的耐崩 解指数最大，同时软化系数也最大。这说明耐崩解 性与岩石内遇水膨胀和崩解的黏土矿物含量有关。 黏土矿物含量愈高，耐崩解性也就愈差，反之愈好。 软化系数受该矿物的影响也最大。此外，岩石的崩 解性与岩石的物理状态有密切关系。对于粉砂质板 岩、粉砂岩来说，岩石浸水后，不仅最大强度减小，最 c 粉砂岩 C s n t s t o m o 大应变也由原来的6m m 减小至3m m 。这主要是 黏土矿物吸水后发生膨胀，当膨胀压力超过胶结强 度，导致岩石微结构发生变化，进而引起宏观上岩石 的膨胀开裂，从而降低岩石强度。 4结论 研究表明，湖南桃花江核电厂址的粉砂质板岩、 板岩、粉砂岩3 种岩石的崩解特性与岩石本身的矿 物成分及内部结构有关，岩石中所含的黏土矿物是 主要的影响因素。此外，岩石的崩解性与岩石的物 理状态有密切关系，尤其是岩石浸水后，崩解速度最 快，且崩解程度最彻底。 参考文献 [ 1 ] 刘长武，陆士良．泥岩遇水崩解软化机理的研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 0 ，2 l 1 2 8 3 1 ． [ 2 ] 余宏明，胡艳欣，张纯根．三峡库区巴东地区紫红色泥岩的崩解特性研究[ J ] ．地质科技情报，2 0 0 2 ，2 l 4 7 7 8 0 ． [ 3 ] 谭槛益．广西覆盖型岩溶区土层崩解机理研究[ J ] ．工程地质学报，2 0 0 1 ．9 3 2 7 2 2 7 6 ． [ 4 ] 苏永华，赵明华，刘晓明．软岩膨胀崩解试验及分形机理[ J ] ．岩土力学，2 0 0 5 ，2 6 5 7 2 8 7 3 2 ． [ 5 ] 邓觐宇．红砂岩的崩解特性研究[ J ] ．中南公路工程，2 0 0 3 ．2 8 4 3 2 3 5 ． [ 6 ] 赵明华，邓觐宇，曹文贵．红砂岩崩解特性及其路堤填筑技术研究[ J ] ．中国公路学报，2 0 0 3 ，1 6 3 l 一5 ． 【7 ] 李家春，田伟平．工程压实黄土崩解试验研究【J ] ．重庆交通学院学报，2 0 0 5 ，2 5 5 7 4 7 7 ． 下转第2 7 9 页，C o n t i n u e do nP 2 7 9 万方数据 第2 期 朱照照黄原酸盐的危害2 7 9 l l 1 2 1 3 徐劲，孙水裕．F e n t o n 试剂处理选矿废水机理研究[ J ] ．环境污染治理技术与设备。2 0 0 5 ，6 1 0 4 5 4 6 ． 贝宁XDw ．黄药的水毒性与环境结局[ J ] ．国外选矿快报。1 9 9 9 9 1 8 2 0 ． 顾国维．绿色技术及其应用[ M ] ．上海同济大学出版社。1 9 9 9 1 0 7 一1 0 8 ． H a z a r d sO fX a n t h a t e z H Uz h ∞． h 伍o K u ，l m 沁‰f 秒e 船蚵矿s c i e n c e 口蒯n c ，I n D 锄，地n m i 啊6 5 0 0 9 3 ，C i ，l a A b s t r a c t T h ex a n t h a t ep l a y e dag r e a tr o l ei np r o m o t i n gt h en o t a t i o nt e c h n o l o g yp r 6 9 r e s s ，a l m o s ta l lk i n d so ft h ex a n t h a t e c o u l db eu s e da 8an o t a t i o nc o l l e c t o r ，a n di ti sw i d e l yu 8 e di nt h e6 e l do fn o t a t i o n ．B u tt h e r e8 r e h i g h l yt o x i c c o m p o n e n t si nt h ex a n t h a t e ．T h i sp a p e rc o m b i n a t et h ed o m e s t i cp r a c t i c a le x p e r i e n c e 8w i t ht h ef b r e i g np r a c t i c a l e x p e r i e n c e st oc o m p r e h e n 8 i v e l ye l a b o r a t et h eh a z a r d so ft h ex a n t h a t ea n dt h ei 8 s u e ss h o u l db en o t e d ． K e y w o r d s x a n t h a t e ；h a z a r d ；n o a t a t i o n 责任编辑朱穗玲 上接第2 3 5 页。C o n t i n u e df m mP 2 3 5 E x p e r i m e n t a IS t u d yO fD i s i n t e g r a t i o nC h a r a c t e ra n dC o m p r e s s i v eS t r e n g t ho fR o c k B lz l ∞n g Ⅵe i ，z H A N Gz h t ．j 吼 Ⅳ口n | I I u 口￡，n 沁乃蚵，胁n g y 口粥H u n 口n4 2 l O O l ，m i n 口 A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h r e ek i n d so fr o c ke x p e r i m e n t si nt h es i t eo fH u n a nT a o h u a j i a n gN u c l e a rP o w e rF a c t o r y ，t h r o u g h t h ep h y s i c a le x p e r i m e n ta 8w e l la st h ec o m p 陀s s i v es t r e n g t ht e s tf o rs i l t s t o n e s l a t e ，t h es i l t s t o n ea n dt h es l a t e ，t h e d i s i n t e g r a t i o ni n d e x e so ft h r e ek i n d so fr o c k sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h er e I a t i o n sa m o n gt h ed i s i n t e g r a t i o ni n d e x e s ，t l l e c o m p r e s s i v es t r e n g t l la n ds o f t e n sa s p e c th a db e e ns t u d i e d ． I tc o u l dp r o v i d e 弛f e 陀n c ef o rt h e8 i t es e l e c t i o no fH u n a n T a o h u a j i a n gN u c l e a rP o w e rF a c t o r y ． K e y w o r d s r o c km e c h a n i c s ；d i s i n t e g m t i o nc h a m c t e r ；c o m p r e s 8 i V e8 t r e n g t h 责任编辑川叶 万方数据