水对岩体强度的影响研究

岩体卸荷后,将会促使岩体中的裂隙进一步张开,水将会流进裂隙中,岩体中的矿物元素在水的作用下,将会发生物理-化学反应,而这种反应将会对岩体的强度产生一定的影响,使得岩体的强度下降,图4.3分别为天然风干和饱和试件的单轴抗压强度对比,从图中可以看出,饱和岩样单轴抗压强度下降了约60%,其原因不仅是因为岩体中存在的水使岩体强度降低,同时也是由于岩体中矿物与水发生的物理-化学反应。

图4.3 自然风干与饱和试件的单轴抗压强度对比

(a)自然风干试件;(b)饱和试件

随着卸荷的进行,原先闭合的裂隙逐渐张开,在外界水头的作用下,将会促使水流进入裂隙中,如图4.4所示。水在岩体中的存在方式有两种,一种为吸着水,另一种为自由水,它们对岩体的影响主要有5种:①联结作用;②润滑作用;③水楔作用;④孔隙压作用;⑤溶蚀及潜蚀作用。其中前3种影响是由吸着水产生的,后2种影响是由自由水产生的。

图4.4 水在岩体裂隙中的流动示意

吸着水将会在矿物表面形成一层水膜,这种水膜将会通过润滑作用来破坏矿物颗粒间的作用力,使岩体的强度下降。本次试验所用岩石试件中含有较多的亲水矿物,如蛭石和蒙脱石,这两种矿物遇水将会发生吸水膨胀、溶解,使得岩石颗粒间的联结作用减弱,导致岩石强度低。水对岩体中泥质胶结物的软化作用如图4.5所示,随着裂隙的张开,水流进岩体中,一部分变成吸着水,吸附在泥质胶结物上,将会根据岩石颗粒的极性在其表面进行定向排列,形成水化层,使得与水接触的表层发生软化,并逐渐向内部扩展,从而最终使得岩体强度降低;另一部分将成为自由水,其在岩体中流动。

图4.5 水对泥质胶结物的软化作用

(a)干净节理;(b)遇水侵蚀后节理(www.xing528.com)

水分子是由1个氧原子和2个氢原子所组成,3个原子核构成了以2个质子为底的等腰三角形,其电荷在空间形成一个包括两个正极,两个负极的四极结构,其电荷主要集中在四面体的顶部,由于水分子的正负极电荷中心距离较远,因此水成为强偶极子。由于水分子的极性很强,同时又存在两个正的氢离子,这就使水可以和许多的极性分子形成非常强的化合物。对于蛭石及蒙脱石这类强极性化合物,在和水接触后,水将会进入其层状结构中,破坏了层间的联结力。因此,当其受力变形时,就将会在层之间的水层中产生断裂,从而使得强度有较大的降低。

设岩体的初始应力为σ1、σ3,假设卸荷量为σ,孔隙水压力为p,在卸荷和孔隙水压力的联合作用下,特别是孔隙水压力将抵消外界的应力作用,从而使岩体的抗剪强度降低,于是有

随着岩体中孔隙水压力的上升,裂隙的法向应力变为σ′n=σn-σ-P,而剪应力S仍保持不变。则岩体内的抗剪强度变为

式中:Cw为岩块浸水时的黏聚力;φw为岩块浸水时的摩擦角。

当岩体内部的孔隙水压力为p时,其抗剪强度下降了ptan φw。

在同样卸荷量作用下,饱和岩体抗剪强度低于干燥岩块的抗剪强度,于是有

式中:C-Cw为吸着水软化作用;σn-σ为卸荷作用对抗剪强度的效应;tan φ-tan φw为吸着水软化作用使岩块的摩擦角正切值的降低量;ptan φw为孔隙水压力作用导致的抗剪强度下降量。