不同风化程度砂岩库岸边坡加固技术研究

赵丹丹

(新疆维吾尔自治区水利管理总站，新疆 乌鲁木齐 830000)

水库运行期间，消落带岸坡岩层处于干湿交替环境，造成岩体的物理力学性质快速劣化，很可能造成水库库岸边坡失稳破坏，因此有必要对水库运行期间库岸边坡加固技术进行研究[1- 4]。砂岩是最为常见的岩体之一，广泛分布在全国各地，在水利工程中更为常见，砂岩本身是一种强度较高的岩石，但是不同风化程度的砂岩强度相差很大，在干湿循环损伤作用后下，其力学性质会发生不同程度的劣化，特别是中风化和强风化砂岩，在干湿循环作用下强度会发生较大幅度降低，造成岸坡发生失稳破坏，因此有必要对分布有中风化和强风化砂岩的库岸边坡进行加固处理[5- 7]。

本文基于前人研究理论和经验，采用化学加固法对不同风化程度砂岩进行了加固处理试验研究，以期能为水库运行期间砂岩岸坡治理提供借鉴。

1 试验概况

1.1 砂岩取样与试件制备

试验砂岩取自某水库消落带，岩性为砂岩，夹杂有少量的砂质泥岩，按照风化程度分为中风化砂岩和强风化砂岩。将现场取回的砂岩经钻芯、切割、打磨等多个步骤，制作成直径为50mm、高度为100mm(或者25mm)的标准圆柱体。利用超声波检测仪对试件的初始波速进行测试，选取波速相等或者相近的岩样进行试验，以尽量减小试件离散性对试验结果的影响。

1.2 加固材料选择

采用化学加固方式对砂岩岸坡进行加固，常用的化学加固材料包括丙烯酸盐类、环氧类、聚氨酯类等[8]。考虑到现场施工条件，同时综合加固材料环保性能、经济性能、加固性能、抗老化性能等多项因素，本文采用改性聚氨酯-纳米复合材料对砂岩进行加固，加固材料的具体配方为硅酸钠4.27%、三乙胺4.16%、邻苯二甲4.94%、酸二丁酯42.12%、二异氰酸酯25.15%、聚丙二醇硅烷偶联剂7.61%、纳米TiO212.56%，具体性能指标见表1。

表1 改性聚氨酯-纳米复合材料特性

1.3 试验方案

试验分为2组：第1组为砂岩加固前力学性能测试，第2组为采用改性聚氨酯-纳米复合材料对砂岩表面充分涂抹后进行力学性能测试。试验过程中，渗透压差大小为0.15MPa，分别对干湿循环0、1、2、4、6、8次后的砂岩进行物理力学性能测试，其中中风化砂岩进行单轴抗压、抗剪强度和吸水率试验，强风化砂岩由于本身强度较低，故只进行点荷载强度试验和吸水率试验。

2 加固前后效果

2.1 抗压强度

中风化砂岩加固前后抗压强度随干湿循环次数的变化特征如图1所示。从图1可知：在砂岩加固前，砂岩的单轴抗压强度随着干湿循环次数的增加呈幂函数型降低，在0～4次干湿循环下，抗压强度的降幅较大，当经历4次干湿交替后，抗压强度降低了67.6%，在第6次和8次干湿循环后，砂岩的抗压强度逐渐稳定，在历经8次干湿循环后，单轴抗压强度降低了70.5%，砂岩未加固时，由于砂岩属于多孔隙结构岩石，且其中含有砂质泥岩等易溶于水的物质，在干湿交替前期，这些物质快速溶解于水中，导致砂岩的密实度降低，故而强度迅速降低，在经过多次干湿交替后，这些物质基本溶解完后，强度逐渐稳定下来；采用改性聚氨酯-纳米复合材料对砂岩进行加固后，砂岩的单轴抗压强度随干湿循环次数的增加基本呈线性减小，且减小的幅度很小，在经历8次干湿交替后，抗压强度的降幅仅为20.5%。

图1 加固前后单轴抗压强度与干湿循环次数的关系

2.2 点荷载强度

强风化砂岩加固前后点荷载强度随干湿循环次数的变化特征如图2所示。从图2可知：在砂岩加固前，点荷载强度也是随干湿循环次数增加呈幂函数降低，在干湿循环前期(0～4次)，砂岩的点荷载强度下降幅度较大，达到34.6%，在干湿循环6次和8次时，点荷载强度降幅变缓，分别为36.2%和36.9%；采用改性聚氨酯-纳米复合材料对砂岩进行加固后，砂岩的点荷载强度整体上也呈线性降低，在经历8次干湿循环后，砂岩的点荷载强度仅下降了12.2%。

图2 加固前后点荷载强度与干湿循环次数的关系

2.3 抗剪强度参数

中风化砂岩加固前后抗剪强度参数随干湿循环次数的变化特征如图3所示。从图3可知：加固前，砂岩的内摩擦角在0～2次干湿循环下时下降速度极快，2次干湿循环后，内摩擦角降低了11.1%，在2～8次干湿循环下，内摩擦角的下降速度有所放缓，当经历8次干湿循环后，内摩擦角降幅为16.2%；粘聚力在0～4次甘薯循环下时下降速度较快，4次干湿循环后，粘聚力降低了60.7%，在4～8次干湿循环下，砂岩的粘聚力变化较小，8次干湿循环后，粘聚力降低幅度为62.7%。采用改性聚氨酯-纳米复合材料对砂岩进行加固后，砂岩的抗剪强度参数均随干湿循环次数增加呈线性降低，在经历8次干湿循环后，内摩擦角和粘聚力分别降低了6.6%和14.2%。

图3 加固前后抗剪强度参数与干湿循环次数的关系

2.4 吸水率

加固前后砂岩吸水率随干湿循环次数的变化特征如图4所示。从图4可知：不管是中风化还是强风化砂岩，在加固前，吸水率随干湿循环次数的增加均呈幂函数增大，前期吸水率增长幅度大于后期，在经历8次干湿循环后，中风化砂岩的吸水率达到7.56%，强风化砂岩的吸水率达到9.74%；采用改性聚氨酯-纳米复合材料对砂岩进行加固后，砂岩的吸水率随干湿循环次数的增长基本保持不变，在经历8次干湿循环后，中风化砂岩的吸水率从0.81%增加至1.03%，上升幅度仅为0.22%，强风化砂岩的吸水率从1.01%增加至1.59%，增长幅度仅为0.58%；吸水率试验结果表明：改性聚氨酯-纳米复合材料可以对砂岩起到很好的隔水性能，从而提升砂岩在干湿循环作用下的力学性能。

图4 加固前后砂岩吸水率与干湿循环次数的关系

3 结语

采用改性聚氨酯-纳米复合材料对中、强两种风化程度砂岩进行了干湿循环作用下的加固试验，得出如下结论：

(1)中风化砂岩加固前，在经历8次干湿循环后，抗压强度、内摩擦角、粘聚力分别降低70.5%、16.2%和62.7%，加固后分别仅降低20.5%、6.6%和14.2%，加固前吸水率为7.56%，加固后仅为1.03%；

(2)强风化砂岩加固前点荷载强度在经历8次干湿循环后降低36.9%，吸水率达到9.74%，加固后则分别仅为12.2%和1.59%。

(3)尽管改性聚氨酯-纳米复合材料可以使砂岩具有很好的加固隔水性能，但水库运行期间水环境是十分复杂的，除了干湿循环作用，还包括化学腐蚀，冻融循环等作用，这将在今后做进一步的补充研究。