含預制節(jié)理巖體卸荷條件下力學特性試驗研究

王瑞紅，李建林，蔣昱州，王 宇

（1. 三峽大學 三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2. 長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

1 引 言

工程巖體大都經(jīng)受了多次地質(zhì)構(gòu)造運動的擾動，其中含有多種多樣不同級別的節(jié)理及軟弱面，弱化了巖體的強度。含有節(jié)理的巖體和完整巖石有截然不同的性質(zhì)。特別是在卸荷條件下，巖體和巖石的力學性質(zhì)區(qū)別更大。卸荷作用使得巖體中原有的裂隙擴張、貫穿，甚至生成新的裂隙，巖體連通性增強，滲透性增加，抗拉強度急劇降低，巖體質(zhì)量迅速劣化。而工程中遇到的巖體均為含有不同級別裂隙的節(jié)理巖體，因此，必須研究含節(jié)理巖體的力學性態(tài)，才能比較真實地反映工程巖體的實際力學行為，節(jié)理巖體在卸荷條件下的力學性能、破壞機制及力學參數(shù)的研究具有非常重要的工程意義。

關于節(jié)理及結(jié)構(gòu)面對巖體力學性質(zhì)的影響，國內(nèi)外已有許多學者通過巖體試驗、模型試驗、數(shù)值分析得到了有價值的成果[1－10]。Yang[11]、Nasseri等[12]通過試驗發(fā)現(xiàn)，含節(jié)理巖體有3種不同的破壞形式，巖體按照何種方式破壞主要取決于頁巖層理面和最大主應力夾角及圍壓大小。楊圣奇[13]研究了含斷續(xù)預制裂紋粗晶大理巖在不同圍壓下強度和變形特性。李建林等[14]結(jié)合三峽工程永久船閘高邊坡巖體，利用真三軸試驗設備研究了不同幾何比尺、含不同傾角節(jié)理（8°、36°、52°、82°、90°）結(jié)構(gòu)面巖體的加、卸荷力學特性。研究結(jié)果表明，卸荷條件下，結(jié)構(gòu)面方向?qū)r力學性質(zhì)有很大影響。李宏哲[15]通過三軸壓縮試驗，研究了含天然貫穿節(jié)理大理巖試件在不同圍壓下的破壞特征，試驗發(fā)現(xiàn)，試件有穿切節(jié)理面和沿節(jié)理面滑移兩種破壞形式，節(jié)理面與最大主應力夾角大小對破壞方式有重要影響，而圍壓對破壞方式影響不明顯。王飛等[16]通過巖體三軸模擬試驗對節(jié)理巖體在卸荷應力狀態(tài)下的破壞特征進行了研究，得到了卸荷速率、節(jié)理的傾角及參數(shù)對卸荷巖體強度的影響。

已有文獻研究表明，節(jié)理巖體的力學性質(zhì)主要受到巖體中所含節(jié)理、裂隙的方向、長度、充填物材料、閉合程度、連通率等的顯著影響。對于含貫通節(jié)理的裂隙巖體在卸荷狀態(tài)下的力學特性目前已有一定的研究，但對于含有斷續(xù)節(jié)理的巖體，由于其力學性態(tài)的復雜性，在卸荷狀態(tài)下的力學機制仍有值得進一步探索的必要。本文將通過含2條不同間距預制斷續(xù)節(jié)理巖體的卸荷三軸試驗，研究含有預制節(jié)理巖體在卸荷應力條件下的應力-應變特征、強度、變形特征、破壞規(guī)律及節(jié)理間距對巖體力學性質(zhì)的影響。

2 試驗方案

2.1 試件制備

試驗所用巖塊為四川紅砂巖，質(zhì)地均勻細密，無風化現(xiàn)象，無可見節(jié)理，總體連續(xù)性、完整性很好，為新鮮巖體，水平層理明顯，鉆樣方向均垂直于節(jié)理。巖樣按50 mm×100 mm（直徑×高度）圓柱體進行制備。典型巖樣如圖1所示。

2.2 試驗方案

試驗在中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT–150C型巖石力學剛性伺服試驗機上進行，具體試驗方案如下：

① 按靜水壓力條件逐步施加（加載速率為0.05 MPa/s）σ1=σ3至10 MPa；② 穩(wěn)定σ3，逐步增高σ1（加載速率為0.5 kN/s）至預定荷載；③保持σ1恒定，以0.05 MPa/s的速率逐步降低σ3至巖樣破壞。

圖1 典型巖樣示意圖Fig.1 Sketches of typical rock samples

3 試驗結(jié)果分析

3.1 應力-應變和分析

圖2為含斷續(xù)節(jié)理巖體在初始圍壓10 MPa下的典型卸荷破壞應力-應變曲線。從圖中可以看出，相比于完整巖樣，節(jié)理巖樣加載壓密段變形更大；逐漸卸除圍壓時，ε1不斷增大，巖體有較明顯的軸向塑性流動階段；從峰后曲線來看，節(jié)理巖樣卸荷破壞時從峰值強度跌落至殘余強度過程中軸向應變較大，為完整巖體的3～4倍，說明由于節(jié)理巖體在荷載不斷增大的過程中，預制節(jié)理面附近由于應力集中首先產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴展貫通，最終導致巖體破壞，使得巖體在破壞時不如完整巖體那樣劇烈和突然。相比而言，節(jié)理巖體破壞時脆性特征不如完整巖體明顯，破壞發(fā)出比較沉悶的響聲。由于卸荷破壞時采用應力控制，巖樣破壞后軸壓立即下跌至殘余強度。試驗結(jié)果見表1。

圖2 卸荷破壞應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves under unloading failure

表1 卸荷破壞試驗結(jié)果Table 1 Test results of unloading failure

3.2 變形特征分析

3.2.1 變形模量變化規(guī)律

圖3為圍壓卸荷過程中巖樣的變形模量變化曲線。從圖中可以看出，卸荷過程中巖體變形模量隨圍壓降低而逐漸減小。在卸荷初期階段，變形模量變化并不明顯，變化幅度也較小，在應力差約為屈服強度時，曲線出現(xiàn)明顯的拐點，巖樣破壞后近似直線降低。與完整巖樣相比，節(jié)理巖體屈服后變形模量急劇降低的趨勢更加明顯。

圖3 卸荷過程中變形模量變化曲線Fig.3 Change curves of deformation modulus during unloading process

表2 卸荷破壞模量變化特征Table 2 Modulus variation characteristics of unloading failure

由圖3及表2可以看出，節(jié)理巖體卸荷破壞時，變形模量有較大幅度的降低，其降低程度是同條件下完整巖體的6～7倍；節(jié)理間距較小時，巖體變形模量減小量很接近，均為42%，節(jié)理間距較大時，巖體變形模量減小量較大，為52%，可見節(jié)理間距越大，變形模量降低程度越大；變形模量隨圍壓的變化規(guī)律和完整巖體類似，都可以分為3個階段，每個階段中變形模量和圍壓關系接近線性。在卸荷初期，即卸荷量在30%以內(nèi)時，變形模量降低量為1%～5%；當卸荷量達到 30%～80%左右時，變形模量降低量為6%～14%；當卸荷量達到總卸荷量的80%～100%左右時，變形模量有較大幅度降低，降低量為42%～52%?？梢姽?jié)理巖體接近屈服后，變形模量有大幅度的降低，巖體質(zhì)量劣化程度比完整巖體更大。

3.2.2 巖體變形特征分析

表3列出了節(jié)理巖體卸荷破壞過程中各巖樣的變形特征。從表中可以看出，相比完整巖樣，節(jié)理間距較小節(jié)理巖樣卸荷過程中發(fā)生的變形及峰值變形和完整巖樣接近，而節(jié)理間距較大時巖樣變形明顯大于完整巖樣；節(jié)理巖樣屈服-峰值應變差值明顯大于完整巖樣，說明節(jié)理巖樣屈服后，變形的發(fā)展要快于完整巖樣，屈服后更容易破壞；從完整巖樣和節(jié)理巖樣破壞后達到殘余強度之間發(fā)生的變形來看，含節(jié)理巖樣的脆性特征不如完整巖樣明顯，巖樣達到殘余強度前發(fā)生的變形明顯大于完整巖樣。

表3 卸荷破壞變形特征分析Table 3 Analysis of the variation characteristics under unloading failure

圖4為卸荷過程中軸向變形隨圍壓的變化規(guī)律?？梢钥闯?，卸荷過程中，巖體軸向變形的增加和變形模量的降低有相似的規(guī)律。隨著圍壓不斷下降，巖體變形不斷增加，在開始卸荷階段增加較慢，當卸荷量達到一定值后，曲線出現(xiàn)明顯的拐點，變形突然增大，相比于完整巖體卸荷破壞，節(jié)理巖體的拐點更加明顯，說明節(jié)理巖體屈服后很快就達到破壞強度而產(chǎn)生較大變形。

3.3 強度特征分析

圖5顯示了巖體β角與破壞圍壓之間的關系。從圖2～5可以看出，含節(jié)理巖體的極限強度明顯低于完整巖體，也就是說，節(jié)理巖體的破壞圍壓要高于完整巖體。圖中空心點表示相同應力條件下完整巖樣卸荷破壞時的破壞圍壓，其值接近0 MPa，而含節(jié)理巖體最低破壞圍壓為2.130 MPa（巖樣號為3-23上），最高破壞圍壓為5.474 MPa（巖樣號為4-7上）。說明含節(jié)理巖體卸圍壓時更加容易破壞。節(jié)理間距和巖體強度之間沒有明顯的規(guī)律，說明卸荷破壞對節(jié)理巖體的影響因素是極為復雜的。

圖4 卸圍壓時圍壓-應變變形曲線Fig.4 Confining pressure-strain deformation curves under unloading confining pressure

圖5 β -破壞圍壓關系Fig.5 Relationship between β and confining pressure

3.4 破壞特征分析

圖6展示了含預制斷續(xù)節(jié)理砂巖三軸卸荷典型破壞形式。圖中h為兩條預制節(jié)理間距。

從圖可以看出，巖體卸荷破壞時表現(xiàn)出沿卸荷方向強烈擴容破壞特征，巖體產(chǎn)生明顯的側(cè)向膨脹，側(cè)面中部向外鼓出呈鼓狀，預制節(jié)理間距較小時，特別是預制節(jié)理分布在巖樣中部時（h =10 mm和h =0 mm），鼓狀特征更加明顯（如圖6(b)、6(c)所示）；與含預制節(jié)理巖樣三軸加載試驗結(jié)果相比[17]，節(jié)理巖體卸荷條件下破壞程度更為強烈，除剪切破裂面外，沿最大主應力方向分布的不同級別的張性裂隙非常發(fā)育，巖體破碎程度高，從三軸室取出時已破碎為很多塊，破碎后表面有部分卸荷剝落的張性碎落片，破壞面之間含有許多巖粉及碎裂巖塊；由于加載時預制節(jié)理端部產(chǎn)生應力集中，巖體首先從預制裂紋端部開始發(fā)生破壞，產(chǎn)生沿著垂直預制節(jié)理方向擴展的裂紋，沿著最大主應力方向向上及向下擴展，這一點與加載破壞特征相似，但卸荷破壞時還伴隨有眾多貫穿預制節(jié)理的張性破裂面。預制節(jié)理的間距對巖體破壞形態(tài)影響不大。與完整巖體卸荷破壞特征不同的是，預制節(jié)理巖體卸荷破壞時，很少產(chǎn)生平行于卸荷方向的環(huán)向拉裂面，而這正是完整巖體卸荷破壞的顯著特征，其原因可能是由于預制節(jié)理方向亦平行于卸荷方向，并且節(jié)理處強度最低，破壞時首先從節(jié)理面處破壞，而其他地方強度較高，不會形成環(huán)向裂紋。

圖6 巖樣三軸卸荷破壞特征Fig.6 Triaxial failure characteristics of rock samples

4 結(jié) 論

（1）相比完整巖體，節(jié)理巖體卸荷破壞時從峰值強度跌落至殘余強度過程中軸向應變較大，為完整巖體的3～4倍。巖體在破壞時不像完整巖體那樣劇烈和突然，極限強度明顯低于完整巖體，脆性特征不如完整巖體明顯。

（2）節(jié)理巖體卸荷破壞時，變形模量有較大幅度的降低，其降低程度是同條件下完整巖體的6～7倍；節(jié)理間距越大，變形模量降低程度越大；變形模量隨圍壓的變化規(guī)律與完整巖體類似，都可以分為3個階段，每個階段中變形模量和圍壓關系接近線性。

（3）與含預制節(jié)理巖樣三軸加載試驗結(jié)果相比，節(jié)理巖體卸荷條件下破壞程度更為強烈，除剪切破裂面外，沿最大主應力方向分布的不同級別的張性裂隙非常發(fā)育，巖體破碎程度高，破碎后表面有部分卸荷剝落的張性碎落片，破壞面之間含有許多巖粉及碎裂巖塊；預制節(jié)理的間距對巖體破壞形態(tài)影響不大。

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