干湿交替作用下砂岩压缩破坏试验研究

图31，是用于材料力学性能测试的新型机电液一体化试验设备。本产品采用的是计算机系统和板卡式数字测量控制系统及MOOG阀，自动、精确地测量和控制试验力、位移和变形等试验参数，一种多功能、高精度的静态试验机。可用于金属和非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验。还可以进行试验力、变形等速率控制以及恒试验力、恒变形等试验。各种试验数据由计算机进行处理和屏幕显示，并由打印机自动打印试验曲线和试验结果。图3SEQ图\*ARABIC\s11电液伺服万能试验机试验机由主机、油源（控制台）、计算机和打印机及板卡测量控制系统四部分组成。试验机的主机采用高刚度负荷框架、双试验空间、下置液压缸、全行程导向结构,采用美国MOOG直接驱动阀和板卡测量控制系统，抗污染能力强，控制范围宽而平稳。采用高精度传感器、引伸计及德国高分辨率光电编码器位移测量系统，配有拉伸液压夹具和压缩、弯曲试台，测量精度高、试验功能多、使用方便、安全可靠，是力学试验和质量检测不可缺少的先进仪器。3.1.1主要技术参数及规格负荷测量范围和精度：精密型采用负荷传感器，测量范围为负荷传感器量程的2%～100%，测量精度优于示值的±0.5%。标准型采用液压传感器,测量范围为试验机最大负荷的2%～100%，测量精度优于示值的±1%。变形测量系统采用引伸计测量试样标距内变形。变形量程范围：引伸计量程的2%～100%变形测量精度：优于±0.05%F.S或示值的0.5%,以大者为准。位移测量系统：采用国产的位移传感器测量两钳口间位移量测量精度：±0.5%F.S速度控制：0.01mm/s速度范围：0.2～50mm/min速度精度：±0.5%3.1.2主要功能可实现计算机对试验过程的控制由于采用了全数字式板卡测控系统，可对试验机试验的全过程进行监控，自动采集处理试验数据，计算、统计试验结果，打印试验报告及绘制各种试验曲线。打印主要内容：试验条件、原始参数、试验结果（E、σε、σs、可显示曲线及功能：应力-应变曲线试验力-伸长曲线试验力-位移曲线试验力-时间曲线伸长-时间曲线位移-时间曲线具有全曲线遍历、局部放大、文本标注、多曲线同幅对比等功能。可进行负荷、变形等速率控制，并可进行负荷、变形、位移保持。在试验过程中各种控制速度及控制方式可自动切换。具有负荷极限、位移极限、试样断裂停机等保护功能和摘引伸计预警提示功能。3.1.3结构和工作原理试验机由主机、油源（控制台）、计算机及板卡测量控制系统四部分组成。主机主机由机座（包括液压缸体及活塞）上横梁、移动横梁、液压夹具、传动丝杠、光杠和试台等部分组成。液压缸24固定在机座中央，液压缸的活塞通过传感器10与试台11相联（精密型）。光杠20固定在试台11上，其上端固定有上横梁17，形成移动框架，由活塞驱动而上下运动。移动横梁14通过传动螺母支持在与底座相联的丝杠12上，它把试验空间分成两个部分，上为拉伸空间，下为压缩空间。移动横梁14的上下运动是由控制盒23上的“上升”、“下降”按钮操作的。当按下按钮时即驱动减速器的电动机，通过链轮、链条、丝杠旋转，带动移动横梁升降，调整试验空间。液压夹具15、16，通过操作控制盒23上的按钮，控制油源上电磁换向阀使其夹紧或松开。油源油源由油泵、油箱、驱动电机以及手动控制阀、MOOG阀等组成。手动控制阀包括流量调节阀和压力调节阀。它的作用是控制油泵供给液压缸的压力、流量和方向。控制阀是滑阀结构，阀杆可通过控制旋钮手动操作，使之加荷或卸荷。MOOG阀是一个电液伺服直接驱动阀,与手动控制阀并行安装,其接受板卡测控系统的控制信号,可精确控制试台升降。油泵是变量柱塞泵，通过交流电机驱动。油箱内装30号透平油。测量控制系统试验力测量系统由力传感器、力放大器板卡组成，精密型采用高精度轮辐式负荷传感器，安装在主机试台与活塞间；标准型采用液压传感器，安装在回油管上。变形测量系统由引伸计、变形放大器板卡测量系统组成。引伸计可根据试验要求和技术规格选定,常规为标距50毫米，量程为5毫米。试台位移测量由位移传感器和伺服控制板卡组成。位移传感器固定于试台11上，位移传感器一端拉线经螺钉固定于底座上，活塞上升时拉线，推动光电编码器轴正转，活塞下降时拉线由位移传感器带动收回使编码器反转，从而输出活塞的位移信号。硬件控制板卡由两块放大器卡和一块伺服控制卡等组成，板卡可以根据计算机插槽最多可扩展10个测量通道，测量分辨率达10000码，各通道可配置多台传感器。计算机系统计算机系统由计算机主机、显示器、键盘及打印机等组成。可实时采集测量值并将各试验操作纳入计算机控制。图3SEQ图\*ARABIC\s12计算机系统3.2干湿交替作用下砂岩的单轴压缩破坏试验岩石力学所研究的基础性工作就是先对岩石的力学性质进行试验。而在岩石力学性质研究中最常用手段就是在实验室内进行的岩石力学试验，在实验室中进行岩石试验研究，岩石的单轴压缩破坏试验，则是最基本的岩石力学性能以及其他物理特性常用的试验方法。试验所选取的岩样试件有常规组岩样试件、干湿交替组岩样试件，在进行实验前先将试件进行记录，测量试件的某些物理力学性能，用于与试验后的岩样试件的物理力学性能进行对比分析。如图3-3、图3-4为进行试验前的GSD组与GSE组试件：图3-3试验前的GSD组试件图3-4试验前的GSE组试件在进行实验时，先将冻融组试件与常规组试件先后放置于试验机上，进行加压实验，如图为进行实验过程：（a）加载前 （b）加载中图35实验过程在对试件加压至试件表面出现裂缝后（如图3-6）图3-6试件表面出现裂缝停止加压，取出岩样试件并对其进行某些物理力学指标的测试，下图为试件加压至岩体表面出现裂缝过程的试验图片（图3-7）（b）图3-7试样实验过程变化图以典型砂岩岩样C-L-1、GSD和GSE组为例，C-L-1组为常规组，GSD为常规干湿交替循环作用进行16次试验组，GSE组为常规干湿交替循环作用下循环20次试验组。对砂岩岩样在干湿交替循环作用条件下的所出现的物理破坏特征进行分析，上图为典型砂岩岩样C-L-1、GSD组和GSE组随干湿交替循环次数的外观变化照片，岩样试件C-L-1组是在常规干湿交替循环作用下进行的单轴压缩试验，岩样的外表面在干湿交替循环作用的影响下变化不是很明显，只是在岩样的边缘四周有些许的颗粒发生脱落；其中图3-5（a）图为岩样试件在循环冻融开始前的照片，岩样的外表面平滑，颗粒未见脱落现象，并且没有发现明显的表面破坏现象，也并未引起岩样试件整体出现破坏现象，在干湿交替循环进行过程中，我们可以发现对岩样试件的损伤是从岩样试件的顶部边缘以及试样周围出现不同程度的裂纹，岩样表面的颗粒也开始脱落。试样GSE组是经历20次干湿交替循环作用后的破坏过程照片，岩样试件损伤沿着断裂面开始扩展，并且形成了从顶部出现贯通到底部的通长裂缝，在裂缝处出现大量的颗粒脱落，并随着干湿交替循环次数的增加而逐渐加宽，裂纹已经接近完全贯通；从岩样试件历经数次干湿交替循环后的破坏过程照片中可以明显看出试验岩样明显出现贯穿试件的长裂缝，岩样试件顶部出现有层次感的错落层面形，并且有局部岩体滑落现象伴随出现大量的岩样内部颗粒物发生脱落，岩样呈现完全破坏的形态不适合继续承受单轴压缩仪器所施加的荷载。如图3-7为岩样试件在干湿交替循环条件下循环加载、卸载过程，可以发现岩样在实验过程中基本与GSD组岩样所表现的破坏特征基本类似，只是在干湿交替循环结束后，将岩样放置在一平面上，有部分岩样从试件上脱落现象与GSE相比并不是很明显，岩样试件基本是从顶部到底部沿着一个斜裂缝断裂的，平放在一平面试件不会沿着形成的裂缝而分离为两个岩块，试件在经受干湿交替循环破坏后还会继续保证一定的稳定性。从以上的试验现象中，我们可以初步得出以下结论：一是岩样在干湿交替循环破坏中受荷载加载次数以及方式的影响比较大；二是岩样在干湿交替循环过程中产生裂缝、颗粒脱落等现象与岩样的本身某些物理特性可能存在一定的联系，比如与岩样本身的层理性、本身的内部构造等有一定的关系。岩样试件的破坏基本是始于岩样的裂缝部位，并且随着干湿交替循环次数增加的影响，破坏沿着岩样的缺陷部位发展，通过现场取样调查，云冈石窟的演替具有明显的层理性和裂缝、而且层理性越强，裂缝部位越多的岩体遭受风化现象最为严重，本实验的试验结果在云冈石窟岩体风化特征中得到了较好的印证，可见干湿交替循环作用是云冈石窟岩体风化作用中不可忽略的一个重要因素。3.3单轴压缩破坏试验数据分析3.3.1砂岩单轴压缩的物理特性表3-1GSD岩样试件数据：干湿循环次数n自然吸水率/%循环阶段j总增量/%阶段增量阶段平局增量03.06%000012.53%1(1次)17.3217.3217.3232.62%2（2次）14.382.941.4762.62%3（3次）14.3800102.60%4（4次）15.030.650.16162.46%5（6次）19.614.580.76表3-2GSE岩样试件数据：干湿循环次数n自然吸水率/%循环阶段j总增量/%阶段增量阶段平局增量03.34%000013.19%14.494.494.4933.28%21.82.691.3563.28%31.800103.24%431.20.3153.14%55.992.990.6193.21%43.892.10.53表3-3GSC岩样试件的数据：干湿循环次数n自然吸水率/%循环阶段j总增量/%阶段增量阶段平局增量03.85%0(0次)00013.26%1(1次）15.3215.3215.3233.34%2（2次）13.252.071.0463.33%3（3次）13.510.260.09103.32%4（4次）13.770.260.07113.34%5(1次）13.250.520.52总增量阶段增量本次试验所选用的岩样为砂岩，将“烘干箱中以105℃温度烘11小时30分钟—干燥器中冷却30分钟—常温下浸泡47小时30分钟—自然晾干30分钟”定义为一次干湿循环，即一个循环需60小时。设定本次试验的总干湿交替循环操作次数为15次，其中以0次（代表自然状态）、1次、3次、6次、10次、15次作为关键试验点开展后续的单轴与三轴压缩试验。从以上表中数据可以看出GSC组、GSE组及GSD组试样的不同循环阶段与阶段内平均吸水率增量关系。从表可知，随循环阶段j递增，平均吸水率增量趋于稳定。根据规范，砂岩自然吸水率，式中，为烘干试样浸水48小时候中质量（g），为烘干质量（g）。表3-4GSE岩样试件烘干质量变化表干湿循环次数n吸水烘干吸水率0473.931488.57472.763.34%2488.3473.213.19%3487.73473.243.06%4488.61473.113.28%5488.224733.22%6488.22473.083.20%7488.51472.993.28%8488.22473.023.21%9487.97472.543.27%10488.13472.933.21%11488.18472.853.24%12488.28472.883.26%13488.21472.893.24%14487.94472.863.19%15487.95472.833.20%16487.78472.953.14%17488.22472.823.26%18488.05472.783.23%19488.01472.773.22%20487.92472.763.21%表3-5GSD岩样试件烘干质量变化表干湿循环次数n吸水烘干吸水率0491.50%1505.65490.643.06%2503.44490.992.53%3503.45490.892.56%4503.83490.812.65%5503.21490.662.56%6503.38490.652.59%7503.49490.622.62%8503.33490.662.58%9503.12490.462.58%10503.3490.542.60%11503.36490.492.62%12503.47490.542.63%13503.36490.52.62%14503.04490.482.56%15503.08490.462.57%16502.84490.762.46%从上述GSE组与GSD组试验数据可知，随着循环次数的增加，岩样试件吸水质量与烘干质量基本趋于稳定，吸水率也逐渐趋于稳定。以上两种物理特性分析均可反映水对砂岩早期劣化明显，后期作用逐渐减弱，该属性在后文的力学性质试验中也有体现。3.3.2砂岩单轴压缩的力学特性图3-8GSA组岩样试件应力-应变图图3-9GSB组岩样试件应力-应变图图3-10GSC组岩样试件应力-应变图图3-11GSD组岩样试件应力-应变图图3-12GSE组岩样试件应力-应变图从以上GSA、GSB、GSC、GSD、GSE五个试验组试验现象来看，砂岩岩样的破坏以脆性或准脆性破坏为主。新鲜岩样干燥条件下的宏观破坏面多呈纵向分布，具备拉伸劈裂特性，沿破裂面无摩擦阶段的擦痕。干湿交替作用后，随循环次数的增加破坏面将产生一定角度的偏转，其宏观破坏面呈现为剪切破坏特性。与典型的全程应力-应变曲线不同，受干燥-饱水循环作用影响，高频次循环作用砂岩应力-应变关系曲线无塑性流动阶段，岩样峰后应力呈跌落状态。试验现象和试验曲线均显示，砂岩经历微裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段后，达到峰值强度后很快破坏。值得注意的是，GSA-GSE组岩样的统计结果表明：经历中等强度的循环周期后（8～12次），砂岩的阶段劣化趋于平缓。3.3.3强度参数与循环次数关系（1）单轴抗压强度与循环次数n关系图3-13单轴抗压强度与循环次数n的关系该图显示砂岩单轴抗压强度随循环次数n关系增加而递减，经历20次循环从新鲜岩样的44.6Mpa衰减到20.44Mpa，降幅达54.17%，说明干湿循环对砂岩强度劣化作用强烈。试验实时观察发现，随循环次数n递增，砂岩峰后变形阶段脆性属性明显，分析认为砂岩发生不可逆转的微观结构破坏，如外层可溶岩屑的流失，内部可溶盐流失导致的颗粒间粘结力降低，内部微裂隙的扩展等。初始循环周期（0～5次）影响幅度大，10次循环以后抗压强度弱化趋缓，15～20次循环后抗压强度弱化不明显。（2）平均模量与循环次数n关系图3-14平均模量与循环次数n关系该图为砂岩平均模量与循环次数n关系。可以看出平均模量受循环次数影响明显，随n的增加而逐次降低，初始循环周期（0～5次）影响幅度大，10次循环以后平均模量弱化趋缓，15～20次循环后平均模量弱化不明显。实际上随水岩作用频次增加，干湿循环造成砂岩的物理、化学损伤趋于稳定，砂岩中岩屑流失、可溶盐结晶溶解、颗粒间裂隙扩展等过程趋于稳定。3.4结论（1）干湿交替循环作用下砂岩岩样变形破坏没有明显的塑性流动阶段。宏观破坏面呈现为剪切破坏。随干湿交替循环次数增加，砂岩岩样脆性破坏特征愈加明显。（2）在不同的干湿交替循环周期下，砂岩岩样的自然吸水率变化幅度较小。初始吸水率较大，1～3个循环批次后，吸水率趋于稳定，且随着干湿交替循环次数的增加，后续砂岩岩样吸水率逐渐变小。随着干湿交替循环次数的递增，平均吸水率增量趋于稳定。（3）砂岩岩样的单轴抗压强度、平均模量随着干湿交替循环次数的增加而逐渐减小，最终以某一水平值趋于稳定。初始循环周期（0～5次）影响幅度较大，10次循环以后弱化趋缓，15～20次循环后弱化不明显。第四章干湿交替作用下砂岩三轴压缩强度分析4.1试验原理本次三轴压缩实验ADDINCNKISM.Ref.{030D23EC1C454cffA0529B7AD2404624}是在太原理工大学实验室完成的，实验所采取的试件是取自云冈石窟的岩体，经过济南海威尔仪器有限责任公司的钻芯取样机处理岩石后得到的岩石样品形状是两端不平整的圆柱体，还需要在姜堰市新宇机械制造厂的切割机上将经过钻芯取样机处理后的岩石样品切割成高度直径符合实验要求的两端平整的圆柱体的试件。三轴压缩试验是指有侧限压缩和剪力试验。使用的仪器为三轴剪力仪（亦称三轴压缩仪）。三轴剪力仪的核心部分是三轴压力室，并配备有轴压系统、侧压系统和孔隙水压力测读系统等。试验用的土样为圆柱形，其高度与直径之比为2〜2.5。试样用薄橡皮膜包裹，使得土样的孔隙水与膜外液体（水）完全隔开。在给定的三轴压力室周围压力作用下，不断加大轴向附加压力，直至试样被剪破按莫尔强度理论计算剪破面上的法向应力与极限剪切应力。三轴剪切试验结果可以确定土壤的抗剪强度指标内摩擦角和黏结力。与直剪试验比较，三轴试样中的应力分布比较均匀，可供在复杂应力条件下研究土壤的抗剪强度特性。由于能准确测定土样孔隙水压力的变化，因此能定量获取土壤中有效应力的变化状况。但土样的制备工作比较烦琐，易受扰动。另外，常用的三轴剪切仪的实际中主应力等于小主应力，将其成果应用到平面变形或三向应力状态的研究中会有所不符。图4SEQ图\*ARABIC\s11三轴压缩试验机图片4.2试验材料及试件4.2.1三轴试验取样岩石的三轴试验，是在三向应力状态下测定岩石的强度和变形的一种方法。本试验采用的是侧向等压的三轴试验。在该试验中，用于测定烘干和饱和状态的砂岩试样，试样的含水状态用以下方法处理：（1）烘干状态的试样，在105～110C下烘24h。（2）饱和状态的试样，按规范规定进行饱和。为了便于资料分析，在进行三轴试验的同时，应制样测定岩石的抗拉强度和单轴抗压强度。4.2.2试件制备过程 （1）试样可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块，试样备制中不允许人为裂隙出现。（2）试样为圆柱体，直径不小于5cm，高度为直径的2～2.5倍。试样的大小可根据三轴试验机的性能和试验研究要求选择。（3）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，每种情况下必须制备5～7个。（4）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。两端面的不平行度最大不超过0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。4.2.3试样的防油处理首先在准备好的试样表面上涂上薄层胶液（如聚乙烯醇缩醛胶等），待胶液凝固后，再在试样上套上耐油的薄橡皮保护套或塑料套，与试样两端的密封件配合，以防止试样试验中进油及试样破坏后碎屑落入压力室。4.2.4安装试样把密封好的试样放置于保护筒中，将压力室顶部的螺旋压帽组件卸下并吊装在横梁上升起，然后将放置于保护筒中的试样，用卡杆吊放入三轴试验机的压力室内。保护筒的下端有一凸出的球柱，此时要注意使球柱对准压力室底部中心的圆销孔，并放置平稳。试样在压力室中安置好后，即可向压力室内注油，直至油液达到预定的位置为止，然后用螺旋压帽组件封闭压力室。4.2.5安装测量变形仪表（1）用测微表或位移传感器适用于测定试样的纵向变形，测表可按装在压力室顶部，三轴试验机压力室构件的变形，应在试验前率定，在计算变形时予以扣除。（2）用电阻应变仪可测定试样的纵向和横向应变。试验前在试样上贴上电阻应变片，将试样上焊接好的导线从压力室的导线孔中引出，与应变仪连接。图4-2轴试件示意图4.2.6侧向应力选择须考虑下述条件：（1）所选定的侧向应力须使所求的莫尔包络线能明显的反映出所需要的应力区。（工程试验中，岩样所在位置的侧向应力一般由实测而确定，也可由计算而给出）。（2）应适当地照顾到莫尔包络线的各个阶段。（3）最小侧压力的选定，应考虑试验机的精度。4.2.7选择轴向载荷量程根据已选定的侧向应力值，按下述经验公式选择轴向载荷量程：式中：——可能的轴向破坏载荷（N）；——试样的单轴抗压强度（MPa）；——侧向应力（MPa）；——系数，其值为4～7；——试样的横截面积（mm2）。4.2.8加载速度试验时，先施加侧向压力到预定值，其加载速度宜控制在每秒0.05MPa左右，以保持侧向压力稳定性，整个试验过程中侧向压力的变化范围不得超过预定值的2%，然后以每秒0.8—1.0MPa的加载速度施加轴向荷载，直至破坏，并记录破坏时的最大载荷及相应的侧向压力值。4.2.9变形记录在施加轴向荷载的过程中，同步记录下各级应力下的纵向和横向应变（采用电阻应变仪）或纵向变形值（采用测微表）。为了绘制应力～应变曲线，测点应尽量多一些，一个试样通常不少于10组测值，记录表格。4.2.10破裂形式描述试验结束后，取出试样，进行破坏形式描述。4.3干湿交替作用下三轴压缩破坏成果1.计算不同侧向应力下的轴向应力值式中：——不同侧向应力时的轴向应力值（MPa）；——轴向破坏载荷（N）；——试样的横截面积（mm2）。2．绘制应力--应变曲线（1）用测微表测定变形时，轴向应变按下式计算：式中：——轴向应变值；——试样高度（mm）；——试样压缩变形值（mm）；——测定的总变形值（mm）；——三轴压力室构件的变形值（mm）。（2）用电阻应变仪测定应变时，按下式计算试样的体积应变值式中：——某一应力下的体积应变值；——某一应力下的纵向应变值；——某一应力下的横向应变值。（3）绘制应力--应变关系曲线，如图所示。图4-3B-H-2轴向应力-应变曲线图4-4B-H-2轴向应力-径向应变曲线图4-5c-2轴向应力-应变曲线图4-6c-2轴向应力-径向应变曲线

图4-7H-G-2轴向应力-应变曲线图4-8H-G-2轴向应力-径向应变曲线从上面曲线中可以明显看出：砂岩岩样的轴向压力与轴向应变曲线图中有上升段和下降段，根据岩石力学的基本知识，岩石的变形可以分为塑性变形和弹性变形两个阶段，但是岩石的破坏主要是与塑性破坏有关的，当岩样被加载后，首先发生的是弹性变形，岩样内部材料在荷载作用下还未达到屈服强度，在轴向压力轴向应变的曲线呈现上升趋势，施加给岩样的荷载主要是将岩样的矿物颗粒挤压致使岩样内部孔隙逐渐变小，还有水分排出，孔隙率减小，力学性能改善，宏观表现为承载能力大幅提高。荷载逐渐由岩样组成部分与内部孔隙等承担转变为主要由固体颗粒物来承担，岩样在宏观上表现就是表面开始出现裂纹并伴随有细颗粒物的脱落。在荷载的继续作用下，随着轴向应力的继续增加，岩样的轴向应变和径向应变也继续增加，曲线呈上升的趋势，当所受荷载达到一定值时，轴向应变和径向应变均产生了峰值即岩样的轴向应变和径向应变达到了最大数值，轴向应变和径向应变值不再随着施加荷载的增大而增大，也就是岩样的弹性变形阶段已经结束，经过这个拐点就转变为了塑性变形阶段，可以看出，越过拐点后，轴向应变与径向应变值随着施加荷载的增加开始呈现下降趋势，这时岩样主要是通过其内部组成的矿物颗粒来承担沿前期形成的裂缝开始分裂成两个部分。岩石变形可分为弹性变形和塑性变形，但是破坏与塑性变形有关。当岩石进入塑性变形时，岩石内部微裂纹开始发展和扩张，就会出现不可逆损伤。4．结论(1)砂岩岩样的三轴压缩试验再次表明:岩石在饱和、自然、风干三种状态下的应力-应变曲线形状相拟,在峰值应力前可以划分为3个阶段，即:压密阶段、弹性阶段和塑性变形阶段；(2)在不同的含水量情况下砂岩的强度不同,含水量越高,强度就越低,反之则含水量越低,强度就越高；(3)砂岩岩样三轴压缩试验表明:岩样在不同围压下的应力-应变全过程曲线形状类似,可以划分为4个阶段，即压密阶段、弹性变形阶段、塑性阶段和破坏阶段；(4)在砂岩岩样单轴、三轴压缩试验中，岩样的屈服应力大约为抗压强度的2/3,屈服点对应的体积应变最大,在屈服点之前,试件的体积都在减小,过了屈服点之后,试件的体积开始增大,而且增大得较快,到达强度位置时基本恢复原体积；（5）通过对新鲜岩样、饱和岩样、干湿交替组的应力-应变曲线分析可知，随着干湿交替循环次数的增加，砂岩岩样的应力与应变变化趋势相同，但最大应变不同；(6)通过砂岩岩样三轴压缩试验得到了砂岩的强度参数，其实验结果能为工程提供参考与借鉴。第五章基于XRD试验的砂岩组分演化规律分析5.1试验概况该实验是在山西大同大学进行X射线衍射、在山西省地质矿产研究院X射线全岩衍射试验，所采用的仪器是D/max-RB型X射线衍射仪、山西省地质矿产研究院的X射线衍射仪SmartLab，实验仪器的主要构造如下图：图5SEQ图\*ARABIC\s11D/max-RB型X射线衍射仪主要组成部分有X射线发生器、测角仪、探测器、计算机控制处理系统等。其中测角仪为该试验仪器的核心部件。图5SEQ图\*ARABIC\s12测角仪5.2X射线衍射试验数据分析PeakListGeneralinformationAnalysisdate2017/04/1209:48:56SamplenameMeasurementdate2017/02/0610:13:03Filename1760011.rasOperatordellCommentMeasurementprofile表5SEQ表\*ARABIC\s11PeaklistNo.角度(deg)Height(cps)19.021(3)7979(516)212.4988(15)137512(2141)313.775(15)7338(495)417.959(9)3140(324)519.987(9)17340(760)620.500(7)26575(941)720.991(2)126349(2052)821.180(3)33917(1063)921.395(10)21270(842)1021.658(4)14978(707)1122.59(4)6474(465)1223.184(15)11987(632)1323.57(2)10813(600)1423.91(4)6525(466)1524.133(6)9836(573)1625.033(5)94560(1775)1725.684(9)15043(708)1825.813(9)10763(599)1926.7845(15)1244608(6441)2027.235(12)40934(1168)2127.6082(18)162234(2325)2229.66(2)1569(229)2329.94(2)4056(368)2430.33(3)4685(395)2530.878(5)42889(1196)2632.070(19)4364(381)2732.54(3)4414(384)2834.69(5)4736(397)2935.118(13)21450(846)3035.282(12)3649(349)3135.51(2)9671(568)3236.132(4)14754(701)3336.659(4)34596(1074)3437.831(8)10125(581)3538.481(7)12884(655)3638.648(6)17919(773)3738.831(8)11406(617)3839.391(12)16455(741)3939.600(3)41321(1174)4040.431(5)21618(849)4141.08(5)2339(279)4241.892(10)5546(430)4342.585(3)26008(931)下表为在山西省地质矿产研究院根据试验标准：SY/T5163-2010借助理学X射线衍射仪SmartLab进行的X射线衍射全岩/粘土矿物分析报告：表5SEQ表\*ARABIC\s12沉积岩全岩X射线衍射定量分析报告样品号原始编号矿物含量（%）石英钾长石方解石白云石菱铁矿钙芒硝普通辉石粘土矿物1760001GSA43.917.810.01.626.71760003GSC42.511.23.24.72.136.31760005GSE50.75.94.638.81760012CL-125.919.925.92.625.7样品号原始编号粘土矿物相对含量（%）混层比（%S）蒙皂石伊/蒙混层伊利石高岭石绿泥石绿/蒙混层伊/蒙混层比绿/蒙混层比1760001GSA6941760003GSC79031760005GSE7931760012CL-1892通过对经干湿交替循环影响下的岩样试件GSA、GSC、GSE、CL-1进行X射线衍射全岩/粘土矿物分析，试验结果表明:对经干湿交替循环影响下的岩样试件的矿物成分含量最高的是石英，即二氧化硅组成的矿物，其次就是钾长石和黏土矿物，最少的是白云石。继而对黏土矿物的相对含量进行检测得到黏土矿物主要由伊利石和高岭石组成，其中含量最多的是高岭石，伊利石含量较少，如上在山西大同大学得到的X射线衍射测试结果所示。在谱中，衍射峰越细越高，结构越完整，结晶度越大，矿物的结晶度可以显示矿物内部结构的完整性。5.3本章小结本章的主要工作是采用D/max-RB型X射线衍射仪、山西省地质矿产研究院的X射线衍射仪SmartLab仪器在山西大同大学进行X射线衍射、在山西省地质矿产研究院X射线全岩衍射试验得到了岩样试件在干湿交替循环影响下的矿物成分含量最高的是石英，其次就是钾长石和黏土矿物，最少的是白云石，而且在黏土矿物中含量最多的是高岭石，最少的是伊利石。通过分析X射线衍射谱，得到随着干湿交替循环次数的增加，各种矿物的衍射峰大幅度降低，矿物的结构性和结晶度大幅度降低，说明干湿交替循环后砂岩的内部亲水矿物含量减少、内部结构变得疏松，密度降低，表现为整体的强度降低。由以上分析可得，砂岩岩样在干湿交替作用下，内部结构发生破坏，从而导致了砂岩的单轴、三轴抗压强度的降低，成为云冈砂岩风化破坏的原因之一。第六章基于电镜扫描的砂岩微观结构演化规律分析6.1试验概况为了更加直观地研究干湿交替循环作用下砂岩的微观结构，在山西省地质矿产研究院进行电镜扫描，通过扫描电子显微镜（SEM）在放大200倍的情况下得到的岩样试样GSA、GSB、GSC、GSD、CL-1在循环作用下以及常规组试样GSO的砂岩图像见下表：表6-1GSA电镜扫描图像原始编号：GSA样品编号：宏观描述：灰白色砂岩。观察条件：样品取自泥岩自然断面，观察面为垂直层面方向。图1图2图3图4图5图6图7图8图1：样品低倍下预览。图2：粒状石英，孔隙间发育少量粘土矿物。图3：图2表面放大。图4：碎屑状钾长石。图5：图4放大。图6：碎屑状钾长石。图7：图6放大。图8：碎屑石英。表6-2GSB电镜扫描图像原始编号：GSB样品编号：宏观描述：灰白色砂岩。观察条件：样品取自泥岩自然断面，观察面为垂直层面方向。图1图2图3图4图5图6图7图8图1：样品低倍下预览。图2：碎屑石英。图3：图2表面放大。图4：碎屑碳酸盐矿物。图5：粘土矿物。图6：图5放大。图7：碎屑状晶红石。图8：粘土矿物。表6-3GSC电镜扫描图像原始编号：GSC样品编号：宏观描述：灰白色砂岩。观察条件：样品取自泥岩自然断面，观察面为垂直层面方向。图1图2图3图4图5图6图7图8图1：样品低倍下预览。图2：碎屑石英。图3：图2表面放大。图4：碎屑长石，以钾长石为主。图5：图4放大。图6：粒状石英及片状粘土矿物。图7：碎屑条带状钾长石。图8：粘土矿物。表6-4GSD电镜扫描图像原始编号：GSD样品编号：宏观描述：灰白色砂岩。观察条件：样品取自泥岩自然断面，观察面为垂直层面方向。图1图2图3图4图5图6图7图8图1：样品低倍下预览。图2：碎屑石英。图3：图2表面断口放大，发育个别孔隙。图4：碎屑石英。图5：粒状矿物以粘土为主，碎屑矿物为石英及碳酸盐矿物。图6：图5粘土矿物放大。图7：图5碳酸盐矿物放大。图8：碎屑状长石类矿物（钾长石）。表6-5GSE电镜扫描图像原始编号：GSE样品编号：宏观描述：灰白色砂岩。观察条件：样品取自泥岩自然断面，观察面为垂直层面方向。图1图2图3图4图5图6图7图8图1：样品低倍下预览。图2：碎屑石英。图3：图2表面放大。图4：粒状石英。图5：图4放大。图6：团窝状粘土矿物。图7：图6放大。图8：碎屑状长石，以钾长石为主。表6-6CL-1电镜扫描图像原始编号：Cl-1样品编号：宏观描述：灰白色砂岩。观察条件：样品取自泥岩自然断面，观察面为垂直层面方向。图1图2图3图4图5图6图7图8图1：样品低倍下预览。图2：碎屑石英。图3：碎屑碳酸盐矿物。图4：粒状石英，少量粘土碎片。图5：团窝状、片状堆积粘土矿物。图6：碎屑碳酸盐矿物。图7：团窝状粘土矿物。图8：图7矿物放大。对经过干湿交替循环影响的岩样试件GSA、GSB、GSC、GSD、GSE五个试验组和CL-1常规组在进行三轴压缩破坏后进行电镜扫描，宏观表现为灰白色砂岩，从多组测试图中，选取图2碎屑状长石英作进一步分析，对比试样GSD、CL-1组可以看到:随着干湿交替循环次数的增加变化，砂岩岩样试件的微观结构的变得疏松，表面由层次不齐的块状变成表面光滑的块状，并且其表面有更多的突出气泡，破坏面也平整。与上述XRD衍射试验的分析结果一致。选取试样的颗粒状石英图作进一步分析，常规组的颗粒状石英排布密集且有一定的整齐性，当试样在经受干湿交替循环作用后，颗粒状石英颗粒变小分布较平整。选取试样的碎屑碳酸盐矿物进一步分析，可以发现常规组的碳酸盐物外形整齐有一定的结构性，然而试样在干湿交替循环作用影响下岩样的碳酸盐物没有了结构性但具有一平滑表面。6.2本章小结本章的主要工作是对经过干湿交替循环影响的试样GSA、GSB、GSC、GSD、GSE试验组与CL-1常规组岩样试件在进行三轴压缩破坏后进行电镜扫描，通过对岩样中碎屑状长石、颗粒状石英和碳酸盐物进行对比分析得到砂岩在经受干湿交替循环作用后的微观表现：碎屑状长石变的疏松表面较平滑；颗粒状石英颗粒变小并具有一较平整平面；碳酸盐物失去了其结构性，变成了一平面。通过对本章电镜扫描的砂岩微观机理分析，砂岩的破坏可能与干湿交替作用存在着某种关系，从而导致了砂岩的抗压强度的降低，这为我们以后对云冈砂岩的保护起到了很好的引导作用。第七章结论本文将取自云冈石窟地层的砂岩岩样分为饱水组、干燥组和对比组3组，模拟云冈石窟砂岩的风化过程以及所处的环境。通过对饱水组和干燥组岩样进行干湿交替循环试验共进行了0、5、10、15、20次干湿交替。在实验前后对砂岩试件进行尺寸的量测以及试件的含水率进行记录，依托单轴、三轴压缩破坏试验、XRD射线衍射试验、SEM电镜扫描试验数据，通过试验仪器量测得到了砂岩岩样的单轴、三轴应力-应变全过程曲线、抗压强度以及电镜扫描下岩体的微观结构分析归纳出干湿交替循环作用下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。得到了以下结论：1、将砂岩岩样进行了单轴压缩试验得到了岩样在经历干湿交替循环作用后岩样试件的破坏状态与常规组相比：砂岩岩样的单轴抗压强度、平均模量随着干湿交替循环次数的增加而逐渐减小，最终以某一水平值趋于稳定。初始循环周期（0～5次）影响幅度较大，10次循环以后弱化趋缓，15～20次循环后弱化不明显。砂岩岩样形成了一破坏的斜平面并伴随有岩样内部组成的矿物颗粒滑落，砂岩呈现表面棱角分明、节理清晰。2、将两组试样在经历干湿交替循环作用后进行了三轴压缩实验得到了：两组不同试样在不同的外加荷载情况下，每个试样的最大轴向应变值与最大径向应变值几近相同，而不同试样的最大轴向应变值与最大径向应变值根据外加荷载的不同而不同，故而岩体在干湿交替循环作用下的径向应变值与轴向应变值与其所承受的外加荷载有关。干湿交替循环后砂岩的三轴压缩应力－应变曲线大致可以分为四个阶段：压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。围压越大，塑性阶段规律越明显。3、将经历干湿交替循环作用下的试样在山西省地质矿产研究院进行X射线全岩衍射实验得到了岩样试件在干湿交替循环作用下的矿物成分含量最高的是石英，其次就是钾长石和黏土矿物，最少的是白云石，而且在黏土矿物中含量最多的是高岭石，最少的是伊利石。通过分析X射线衍射谱，得到随着干湿交替循环次数的增多，各种矿物的衍射峰大幅度降低，矿物的结构性和结晶度大幅度降低，说明干湿交替循环后砂岩的内部亲水矿物逐渐减少，内部结构变得疏松，密度降低，表现为整体的强度降低。4、对经过干湿交替循环影响的岩样试件在进行三轴压缩破坏后进行电镜扫描，干湿交替循环前后花岗岩试样的矿物成分基本没有变化，但使得砂岩的微观结构变得疏松，表面形态粗糙，破坏面也增多，表现为宏观上的砂岩强度降低。通过对岩样中碎屑状长石、颗粒状石英和碳酸盐物进行对比分析得到砂岩在经受干湿交替循环作用后的微观表现：碎屑状长石变的疏松表面较平滑；颗粒状石英颗粒变小并具有一较平整平面；碳酸盐物失去了其结构性，变成了一个平面。5、本文通过对砂岩在干湿交替循环作用下抗压强度、物理特性、XRD射线衍射、电镜扫描试验分析，为我们以后对云冈石窟岩体的稳定性评价和保护以及其他石质文物保护工程提供了很大的帮助。参考文献沈明荣主编.岩体力学[M].上海：同济大学出版社，1999.ColbackP.S.Bandwid131.Influenceofmoisturecontentontheessivestrengthofrock,Proc.3rdCanadianRockMech.Symp,[C],UniversityofToronto,385-391,1965.L.Obert,S.L.Windes,W.LDuvall.Standardizedtestsfordeterminingthephysicalpropertiesofminerock[J].RI-3891，BureauofMines,U.S.Dept.oftheInterior.1946.YP.Chugh,R.A.Missavaje.Effectsofmoistureonstratacoalmines[J].EngineeringGeology.1981,(17):241-255.张悼元，王士天，王兰生.工程地质分析原理(第二版)[M].北京:地质出版社，1997.11HawkinsAB,McConnellBJ.sensitivityofsandstonestrengthanddeformabilitytochangesinmoisturecontent[J].QuarterlyJournalofEngineeringGeology,1992,25(1I):I15一130.陈钢林.水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的试验研究[J].地球物理学报.1991,(3)335-342.胡听，洪宝宁.孟云梅.考虑含水率影响的红砂岩损伤统计模型[J].中国矿业大学学报，2007,36(5):609-613.黄润秋，王贤能，陈龙生.深埋隧道涌水过程的水力劈裂作用分析[J].岩石力学与工程学报，2000,19(5):573-576.A.Prick.Dilatometricalbehaviourofporouscalcareousrocksamplessubjectedtofreeze-thawcycles[J].Catena,1995.25:7-20.许波涛，尹健民，王煌霞.岩石干湿状态下动静弹模关系特征及工程意义[[J].岩石力学与工程学报，2001,20(增刊):1755-1757.DenBrokSWJ,SpiersCJ.Experimentalevidenceforwaterweakeningofquartzitebymicrocrackingplussolution-precipitationcreep[J].JournalofGeologicalSociety,1991,148(3):541一548.HadizadehJ.Water-weakeningofsandstoneandquartzitedeformedatvariousstressandrates[J]·Int.J.RockMech.Min.Sci,1991,28(5):431-439.于德海，彭建兵.三轴压缩下水影响绿泥石片岩力学性质试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009,28(1):205-211.姚华彦，张振华，朱朝辉，施一春，李元.干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究［J］.岩土力学，2010,31(12):3704-3709.丁梧秀，冯夏庭.灰岩细观结构的化学损伤效应及化学损伤定量化研究方法探讨［J］.岩石力学与工程学报，200524(8):1283-1288.乔丽苹，刘建，冯夏庭.砂岩水物理化学损伤机制研究[J].岩石力学与工程学报，2007,26(10):2117-2124.曹文贵，方祖烈，唐学军.岩石损伤软化统计本构模型之研究[J].岩石力学与工程学报1998,17(6):628-633.刘明维，傅华，吴进良.岩体结构面抗剪强度参数确定方法的现状及思考[J].重庆交通学院学报，2005,24(5):65-67.李克钢，侯克鹏，张成良.饱水状态下岩体抗剪切特性试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2009,40(2):538-542.吴政，张承娟.单向荷载作用下岩石损伤模型及其力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，1996,15(1):55-61.傅晏.干湿循环水岩相互作用下岩石劣化机理研究[[D]，重庆:重庆大学，2010.中华人民共和国国家标准.工程岩体试验方法标准(GB/T50266-990)[S].北京:中国计划出版社，1999姜永东，阎宗玲，刘元雪等.干湿循环作用下岩石力学性质的实验研究［J］.中国矿