大理巖巖體力學(xué)特性的水壓－應(yīng)力耦合試驗研究

徐明明，徐 進，任浩楠，楊昊天，何雅琴

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065)

1 研究背景

天然巖體中存在著空隙(孔隙和裂隙)，當(dāng)這些空隙中存在水流時，主要是裂隙中的靜水壓力和動水壓力對巖體力學(xué)特性有重大影響。特別是一些大型水利水電工程建成蓄水后，巖體中的水壓力和應(yīng)力條件發(fā)生變化，必然引起巖體力學(xué)性質(zhì)的改變，研究其變化規(guī)律，有利于工程的長期安全運營。

近年來，對于大理巖強度和變形特性的試驗研究取得了很多成果［1－5］。徐松林等［1］對大理巖進行等圍壓三軸壓縮和峰前、峰后卸圍壓試驗，得到三軸壓縮全過程和峰前、峰后全過程;楊圣奇等［2－3］對大理巖進行常規(guī)三軸試驗，研究了大理巖的強度和變形特性;高春玉等［4－5］對大理巖進行了加卸載條件下的三軸試驗，揭示了大理巖的加卸載力學(xué)特性。但是對于大理巖巖體的試驗還非常少見。關(guān)于水對巖體的影響方面的研究也取得了一些相關(guān)成果［6－9］，尹健等［6］通過結(jié)構(gòu)面抗剪強度試驗，研究了水對結(jié)構(gòu)面抗剪強度的弱化作用;閻巖等［7］采用滲流-流變耦合的試驗方法，研究了不同應(yīng)力及水壓作用下石灰?guī)r的流變力學(xué)特性;陳瑜等［8－9］開展了水－巖作用下裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)及滲流場與應(yīng)力場耦合研究。但就水壓與圍壓對巖體力學(xué)特性影響的研究，僅近幾年有個別數(shù)字模擬研究成果［10－12］，還鮮有見到這方面的試驗研究。

本文首先對大理巖通過三軸壓縮試驗制備巖體相似試件，然后進行水壓-應(yīng)力耦合三軸壓縮試驗研究，試驗方法及試驗數(shù)據(jù)整理均參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程［13－14］，并通過試驗結(jié)果的比較、分析，期望揭示大理巖巖體在不同水壓、不同圍壓條件下的強度、變形特性及其參數(shù)的變化規(guī)律與范圍。

2 試驗方案及試驗條件

2.1 試件制備

采用現(xiàn)場采取的同巖性巖樣制備6個試件，尺寸為?50 mm×100 mm，為保證水能夠在試件中的破裂網(wǎng)絡(luò)中滲流，采用鉆孔法在試件兩端面各自鉆一個鉆孔，孔徑5 mm，孔深80～90 mm。2個鉆孔布置在通過中軸線的一個面上，2孔心間距為30 mm(圖1)。其目的是使水通過進口端小孔進入試件，并通過試件中的裂隙網(wǎng)絡(luò)流向出口小孔，以保證在巖體試件中形成滲流場。

2.2 試驗設(shè)備

為保證試驗的準(zhǔn)確控制和精確測量，試驗在四川大學(xué)MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗機上進行，該設(shè)備可進行水壓-應(yīng)力耦合三軸壓縮全過程測試，圍壓最大可達140 MPa，水壓最大可達140 MPa。

圖1 試樣制備示意圖Fig.1 Sketch of preparing specimens

2.3 試驗方案及方法

采用三軸壓縮全過程試驗，為研究圍壓效應(yīng)，制備6 個試件分別采用 5，10，15，20，25，30 MPa 的圍壓;每個試件按1，2，3，4 MPa逐級升高水壓。具體試驗分下述4個階段進行。

第一階段:采用60～100 MPa圍壓三軸壓縮全過程試驗，(其試驗程序按規(guī)程規(guī)定進行，此處不予贅述。)以模擬大理巖巖體的形成過程。

第二階段:將圍壓逐漸降低到后續(xù)試驗所需要的圍壓，然后按國標(biāo)及規(guī)程要求的速率加載到即將屈服時轉(zhuǎn)為側(cè)向應(yīng)變控制，至應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)平后結(jié)束，以獲得天然狀態(tài)下破裂巖體變形參數(shù)與強度參數(shù)。

第三階段:保持圍壓與初始軸壓，向巖體試件滲透水流進口端施加滲透水壓1 MPa，出口端排氣，待試件中空氣完全排除后關(guān)閉出口閥門，并監(jiān)測進、出口端水壓差，直到水壓差為零，此時巖體試件飽和完成。

第四階段:按 1，2，3，4 MPa逐級升高水壓，對每級水壓下進行試驗。試驗過程先采用力控制(速率按規(guī)范要求)加載到應(yīng)力差達到一定值后轉(zhuǎn)為側(cè)向應(yīng)變控制，至軸向應(yīng)力不隨應(yīng)變增加而變化時結(jié)束;再將應(yīng)力差降低到初始軸壓，水壓升高到下一級后重復(fù)試驗，直至水壓4 MPa試驗完成后結(jié)束全部試驗，以獲得水壓作用下破裂巖體變形參數(shù)與強度參數(shù)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 強度特征

圖2為在60 MPa圍壓下將大理巖完整巖塊試件壓裂后的狀態(tài)，表1為大理巖巖體峰值強度試驗結(jié)果。

表1 大理巖巖體峰值強度Table 1 Peak strengths of marble rock

從表1中可以看出，大理巖巖體試驗結(jié)果具有如下2個特征:①各級圍壓的強度均以天然狀態(tài)最高，并隨水壓的升高而逐步減小;②天然狀態(tài)與各級水壓條件下的強度又均隨圍壓的升高而增大。

由這些結(jié)果可以獲得大理巖巖體天然狀態(tài)和每一級水壓下的抗剪強度參數(shù)［14］如表2所列。試驗成果整理過程中，分幾個圍壓范圍進行分析計算，以揭示強度參數(shù)與應(yīng)力條件的關(guān)系，其中5～30是圍壓范圍為5 MPa 至30 MPa(包括5，10，15，20，25，30 MPa)全部6級圍壓試驗獲得的強度參數(shù);5～15是上述圍壓范圍中的前3級圍壓(即5，10，15 MPa)試驗獲得的強度參數(shù);并依此類推。

表2 大理巖巖體強度參數(shù)Table 2 Strength parameters of marble rock

3.1.1 強度參數(shù)的水壓效應(yīng)

由表2可以看出，裂隙水壓力對大理巖巖體摩擦系數(shù)f有一定的影響，從天然狀態(tài)到水壓逐漸升高到4 MPa，f值降低了20%左右;因此可以認為，在裂隙水壓力作用下，f值相對天然狀態(tài)下會略有降低。內(nèi)聚力C受空隙水壓力的影響很大，從天然狀態(tài)到水壓逐漸升高到4 MPa，C值大體呈線性降低;當(dāng)裂隙水壓力達到4 MPa時，C值將有很大程度的降低。

3.1.2 強度參數(shù)的圍壓效應(yīng)

由表2可以看出，圍壓對大理巖巖體強度參數(shù)f，C有一定的影響。隨著圍壓的升高強度參數(shù)的變化雖具有一定的離散性，但其總體特征還是非常明顯的，那就是摩擦系數(shù)f隨著圍壓的升高而略有減小;內(nèi)聚力C隨著圍壓的升高而增大，且C值增大程度能達到2倍以上。

3.1.3 抗剪強度的水壓、圍壓效應(yīng)

由于大理巖巖體的抗剪強度是由上述強度參數(shù)f，C共同決定的，因此仍采用庫侖定律將這2個參數(shù)在一定正應(yīng)力(σ1=10 MPa)條件下求得抗剪強度 τs［15］，見表 3。

表3 大理巖巖體抗剪強度τs(σ1=10 MPa)Table 3 Shear strengths of marble rock τs(σ1=10 MPa)

為分析大理巖巖體抗剪強度τs隨水壓的變化規(guī)律，選取5～30 MPa范圍圍壓求得的抗剪強度τs，作τs與水壓的關(guān)系曲線如圖3。

圖3 抗剪強度τs與水壓關(guān)系曲線(圍壓5～30 MPa)Fig.3 Relation between shear strength τsand water pressure(at confining pressure 5-30 MPa)

由圖3可以看出，大理巖巖體抗剪強度τs隨著水壓的升高而基本呈線性降低，這與前面得出的結(jié)論f，C值隨著水壓的升高而降低相吻合;由表3可以看出隨著圍壓的升高大理巖巖體抗剪強度τs的變化雖具有一定的離散性，但其總體特征還是隨圍壓的升高而增大的。

3.2 變形特征

大理巖巖體水壓-應(yīng)力耦合三軸壓縮試驗結(jié)果整理后獲得的變形參數(shù)［15］見表4。其中，E0為試件軸向應(yīng)力峰值時的變形模量，E50為軸向應(yīng)力50%峰值時的變形模量。

3.2.1 變形特性的水壓效應(yīng)

為揭示大理巖巖體變形模量E0，E50隨水壓的變化規(guī)律，選取圍壓為25 MPa時，大理巖巖體在各級水壓條件下的變形模量E0與E50，以水壓為橫坐標(biāo)，變形模量E為縱坐標(biāo)，作變形模量E0，E50與水壓的關(guān)系曲線如圖4。

表4 大理巖巖體變形模量Table 4 Deformation moduli of marble rock

圖4 變形模量與水壓關(guān)系曲線(圍壓25 MPa)Fig.4 Relations between deformation modulus and water pressure(at confining pressure 25 MPa)

由表4及圖4可以看出，大理巖巖體變形模量E0，E50存在水壓條件下的測值高于天然狀態(tài)的情況，但水壓從1 MPa升高至4 MPa的過程中，總體上還是隨水壓升高而呈線性降低的，在4 MPa的最大水壓條件下，E0，E50相對于天然狀態(tài)分別會降低7.7%和5.9%。

3.2.2 變形參數(shù)的圍壓效應(yīng)

為揭示大理巖巖體變形模量E0，E50隨圍壓的變化規(guī)律，選取天然狀態(tài)時，大理巖巖體在各級圍壓條件下的變形模量E0與E50，以圍壓σ3為橫坐標(biāo)，變形模量E為縱坐標(biāo)，作變形模量E0，E50與圍壓的關(guān)系曲線如圖5。

圖5 變形模量與圍壓關(guān)系曲線(天然狀態(tài))Fig.5 Relations between deformation modulus and confining pressure(in natural state)

由表4及圖5可以看出:隨著圍壓的升高變形模量的變化雖具有一定的離散性，但總體上還是隨著圍壓的升高而增大的，在最大圍壓30 MPa條件下，E0和E50相對于5 MPa圍壓分別增大了58%和50%。

4 結(jié)論

通過對大理巖巖體進行不同裂隙水壓及不同圍壓的水壓-應(yīng)力耦合試驗，可以獲得如下主要結(jié)論:

(1)裂隙水壓及圍壓對巖體的力學(xué)特性，包括強度特性與變形特性，均具有不可忽視的影響，應(yīng)當(dāng)引起工程，特別是高水頭工程的充分重視。

(2)大理巖巖體摩擦系數(shù)f隨水壓的升高而略為降低，內(nèi)聚力C隨水壓的升高而劇烈降低。水壓從1 MPa升高至4 MPa的過程中，f值降低了20%左右，C值將大幅降低。

(3)大理巖巖體強度參數(shù)f隨圍壓的升高而略有降低，強度參數(shù)C隨圍壓的升高而增大，增大程度能達到2倍以上。

(4)大理巖巖體變形模量E0及E50隨水壓升高而減小，隨圍壓升高而增大。在最大水壓4 MPa條件下，相對于天然狀態(tài)分別降低了7.7%和5.6%;在最大圍壓30 MPa條件下，相對于5 MPa圍壓分別增大了58%和50%。

(5)本次試驗揭示了大理巖巖體力學(xué)性能及其參數(shù)的水壓效應(yīng)和圍壓效應(yīng)，研究方法可供同類研究借鑒，其定量成果可供今后同類工程，特別是高水頭重大工程進行類比和參數(shù)預(yù)測參考。

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