不同圍壓下柱狀節(jié)理巖體三軸力學(xué)試驗(yàn)研究

林 豆 王如賓,2 孟慶祥 滕志強(qiáng)

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,南京 210098)

柱狀節(jié)理巖體具有非連續(xù)性、非均勻性和各向異性等復(fù)雜的力學(xué)行為,是一種工程和力學(xué)性質(zhì)較差的特殊巖體[1-3].目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究已取得頗多成果.石安池等[4]通過(guò)對(duì)柱狀節(jié)理巖體工程地質(zhì)調(diào)查,采用巖體彈性波等多種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性以及不同加載條件下的變形機(jī)制進(jìn)行了分析.張宜虎等[5]針對(duì)尺寸為50 cm×50 cm×100 cm的柱狀節(jié)理巖體試樣開(kāi)展原位三軸試驗(yàn),揭示了三軸應(yīng)力狀態(tài)下節(jié)理裂隙擴(kuò)展貫通的破壞機(jī)理.金長(zhǎng)宇等[6]采用D-CRDM分析方法對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖卸荷過(guò)程進(jìn)行了分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)聲波試驗(yàn)對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖破壞模式進(jìn)行了分析.王晗等[7]采用Voronoi隨機(jī)生成柱狀節(jié)理,建立離散元數(shù)值計(jì)算模型,模擬地下洞室爆破工程來(lái)研究地應(yīng)力和爆破荷載耦合作用對(duì)柱狀節(jié)理巖體的影響.熊子正等[8]基于離散單元法,對(duì)柱狀節(jié)理巖體進(jìn)行了滲流應(yīng)力耦合特性研究.由于室內(nèi)三軸力學(xué)試驗(yàn)的試樣尺寸受限制,工程現(xiàn)場(chǎng)柱狀節(jié)理巖體取樣后又無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)柱狀節(jié)理巖體的構(gòu)造特性,且不具備典型性.因此開(kāi)展柱狀節(jié)理模型試樣進(jìn)行研究具有較大的可行性與操作性.肖維民等[9-11]通過(guò)采用石膏等材料制作柱狀節(jié)理巖樣,開(kāi)展了一系列柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的試驗(yàn)研究.巢志明等[12-13]采用水泥砂漿等制作柱狀節(jié)理模型試樣,研究了柱狀節(jié)理巖體滲透特性及孔隙度演化規(guī)律.

在我國(guó)西南水電開(kāi)發(fā)區(qū)域廣泛分布柱狀節(jié)理巖體,其中白鶴灘水電站壩址區(qū)柱狀節(jié)理巖體發(fā)育較多.然而,目前基于白鶴灘水電站為背景的柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性研究較少.鑒于此,本文采用相似原理[12,14]制作與現(xiàn)場(chǎng)巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)相似的柱狀節(jié)理模型試樣,借助巖石全自動(dòng)三軸流變伺服系統(tǒng)對(duì)柱狀節(jié)理類(lèi)模型試樣開(kāi)展不同圍壓條件下三軸力學(xué)試驗(yàn),研究了柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性,對(duì)工程實(shí)際具有一定參考意義.

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備和試驗(yàn)方案

1.1 試樣制作

白鶴灘水電站壩區(qū)尤其是壩基處的柱狀節(jié)理巖體較為發(fā)育,柱體傾角多為75°且柱體斷面以四邊形、五邊形和六邊形為主.本試驗(yàn)選取其中最為典型的六邊形截面進(jìn)行建模,采用普通硅酸鹽水泥制作柱體,白水泥漿液作為膠結(jié)材料進(jìn)行粘合砂漿柱體,養(yǎng)護(hù)結(jié)束后加工成傾角為75°的柱狀節(jié)理巖體試樣,如圖1所示.具體制作步驟如下:

1)模具制作與組裝:采用亞克力制作模具,模具中有邊長(zhǎng)為5 mm的正六邊形棱柱狀形狀的凹槽.模具采用5塊面板狀,對(duì)齊裝配后用兩至三組皮筋約束加固,模具如圖2所示.

圖1 柱狀節(jié)理巖體模型試樣

圖2 模具

2)澆筑柱狀節(jié)理:用強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為52.5的硅酸鹽水泥、細(xì)砂和水調(diào)制成流動(dòng)性較好的水泥砂漿,使用一個(gè)連接小膠管的大孔注射器將水泥砂漿從模具的底部注入,逐漸注滿至模具頂部,用一根細(xì)鐵絲進(jìn)行搗實(shí),這樣可消除砂漿中滯留空氣形成的氣孔,有助于提升柱體的澆筑質(zhì)量.將澆筑好的正棱柱柱體放置在溫度為22±2℃和相對(duì)濕度為95%左右的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 h,待水泥砂漿凝固到一定強(qiáng)度后進(jìn)行脫模,脫模后的柱體置于相同的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d左右,待其達(dá)到100%強(qiáng)度;

3)粘合柱狀節(jié)理:采用水灰配比為1∶2的白水泥漿液將柱體粘結(jié)成一整塊的試樣,并將其置于溫度為22±2°C和相對(duì)濕度為95%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d;

4)圓柱試樣的加工及打磨:待其達(dá)到預(yù)定養(yǎng)護(hù)期后,先用鉛筆在其表面畫(huà)好與水平線呈一定角度的切割線,再采用巖石切割機(jī)進(jìn)行切割成長(zhǎng)方體樣,最后將其打磨成直徑和高度分別為50 mm和100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形樣,如圖1所示.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

三軸力學(xué)試驗(yàn)是在巖石全自動(dòng)三軸流變力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行的(如圖3所示).該系統(tǒng)具有軸壓、圍壓和滲壓3個(gè)力學(xué)加載系統(tǒng)和一個(gè)溫度加載系統(tǒng)組成,可完成巖石力學(xué)的THM多物理場(chǎng)耦合長(zhǎng)期流變?cè)囼?yàn).安裝在壓力室底座的2個(gè)高精度LVDT和固定在試樣上的1個(gè)應(yīng)變測(cè)量環(huán)分別記錄軸向和環(huán)向變形量.在計(jì)算機(jī)全自動(dòng)伺服控制下,可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)壓力的自動(dòng)補(bǔ)償,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均有微機(jī)控制.

圖3 巖石三軸流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方案

為了研究柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性,對(duì)其進(jìn)行三軸力學(xué)試驗(yàn).將制作好的柱體傾角為β=75°的柱狀節(jié)理試樣安裝在巖石三軸流變系統(tǒng)的三軸壓力室內(nèi),安裝好測(cè)定變形的傳感器,密封三軸室,試驗(yàn)過(guò)程中采用位移加載進(jìn)行控制,加載速率設(shè)置為0.02 mm/min,試驗(yàn)方案見(jiàn)表1.

表1 柱體節(jié)理巖樣三軸力學(xué)試驗(yàn)方案

2 柱狀節(jié)理巖體材料參數(shù)確定

在制作水泥砂漿柱體時(shí),進(jìn)行了多組配比的試驗(yàn),最后選定的配比為mc∶ms∶mw∶mp=1.0∶0.5∶0.35∶0.002,其中,mc、ms、mw和mp分別表示水泥、細(xì)砂、水和減水劑的質(zhì)量,其中細(xì)砂粒徑小于1 mm.表2[15]中顯示了采用此配比制作出的砂漿柱體的物理和力學(xué)參數(shù).此處的下標(biāo)“i”表示參數(shù)為完整水泥砂漿的參數(shù),模擬完整柱體.

制作柱狀節(jié)理模型試樣前,應(yīng)對(duì)節(jié)理面的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定.本文采用150 mm×150 mm的塑料模型澆筑出兩塊半個(gè)正方體試塊,如圖4所示.待其養(yǎng)護(hù)好后,在兩塊半個(gè)正方體試塊接觸面的位置涂抹一定比例的膠結(jié)材料,用以模擬含有單節(jié)理面的模型試樣.養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行直剪試驗(yàn),軸壓分別為1 MPa、2 MPa和3 MPa.膠結(jié)材料采用白水泥漿和水的質(zhì)量配比為mc∶mw=1.0∶0.4.對(duì)制作的半正方體試塊涂抹白水泥進(jìn)行直剪試驗(yàn),剪切速率采用0.02 mm/min.試驗(yàn)得到了不同軸壓下的節(jié)理面應(yīng)力應(yīng)變曲線,如圖5所示.測(cè)定了白水泥漿的抗剪強(qiáng)度參數(shù),見(jiàn)表2.得到圖6所示的節(jié)理面強(qiáng)度參數(shù)擬合曲線.其中,下標(biāo)“j”表示參數(shù)為白水泥漿粘結(jié)劑的參數(shù),模擬節(jié)理.

圖4 白水泥強(qiáng)度參數(shù)測(cè)定試塊

圖5 不同軸壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 人工柱狀節(jié)理類(lèi)巖體材料的物理力學(xué)參數(shù)

圖6 節(jié)理面強(qiáng)度參數(shù)擬合曲線

3 三軸力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 柱狀節(jié)理巖體強(qiáng)度特征分析

根據(jù)三軸力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果,分別繪制了不同圍壓作用下偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和體積應(yīng)變的試 驗(yàn)曲線,如圖7所示.

圖7 柱狀節(jié)理巖樣三軸力學(xué)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線,可以得到柱狀節(jié)理模型試樣的峰值強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表3.表3中σc為峰值強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線最高點(diǎn)C處的應(yīng)力值,如圖8所示;σy為屈服強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中由線彈性過(guò)度到非線性階段拐點(diǎn)B的應(yīng)力值;εc為峰值軸向應(yīng)變,與σc對(duì)應(yīng);εy為軸向屈服應(yīng)變,與σy對(duì)應(yīng);Es為彈性模量,定義為全應(yīng)力應(yīng)變曲線中線彈性接近直線段的斜率(AB段的斜率).

表3 不同圍壓作用下柱狀節(jié)理巖樣的力學(xué)參數(shù)

圖8 巖樣主要力學(xué)參數(shù)的確定方法

由表3可知,屈服強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度都隨著圍壓的增大而增大,圍壓從4 MPa增至6 MPa,σc和σy分別增加了6.4%和28.0%,圍壓從6 MPa增至8 MPa,σc和σy分別增加了10.9%和18.7%.此外,柱狀節(jié)理巖樣的彈性模量也隨著圍壓的增大而增大,圍壓從4 MPa增至6 MPa,Es增加了10.0%,圍壓從6 MPa增至8 MPa,Es增加了6.7%.根據(jù)以上分析可知,柱狀節(jié)理巖體的強(qiáng)度隨著圍壓增大而增大,圍壓對(duì)巖體強(qiáng)度有強(qiáng)化作用.

摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論是巖土工程中應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)度理論之一,本節(jié)在三軸力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,采用摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,得到了不同圍壓下內(nèi)摩擦角和粘聚力的變化規(guī)律.試樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力按照以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中,M為三軸力學(xué)試驗(yàn)破壞應(yīng)力σ1～σ3擬合直線的斜率,N為擬合直線在縱坐標(biāo)上的截距.

圖9和圖10分別為峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與圍壓關(guān)系.對(duì)試樣的峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度進(jìn)行了線性回歸分析,分別得到:峰值強(qiáng)度和圍壓的線性關(guān)系為y=1.98x+35.62,相關(guān)系數(shù)為R2=0.95;屈服強(qiáng)度和圍壓的線性關(guān)系為y=2.335x+8.76,R2=0.99.可以看出這兩條擬合曲線的擬合度較高,呈現(xiàn)出巖體強(qiáng)度值隨圍壓的增加而增加的趨勢(shì).

圖9 峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系

將峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與圍壓擬合得到的參數(shù)帶入到式(1)和式(2)中得到柱狀節(jié)理巖樣的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4.

圖10 屈服強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系

表4 三軸力學(xué)柱狀節(jié)理巖體試樣的力學(xué)參數(shù)

3.2 不同圍壓作用下的破壞形態(tài)

柱狀節(jié)理巖體試樣在不同圍壓條件下的破壞形態(tài)如圖11所示.可以看出,柱狀傾角為75°的柱狀節(jié)理巖體在不同圍壓作用下的破壞模式主要是沿著節(jié)理面的滑移破壞.在圍壓4 MPa和6 MPa作用下,巖體的破壞形態(tài)為沿貫穿兩端面的破裂面滑移破壞,而在圍壓8MPa作用下的破壞形態(tài)則是其破裂面從試樣的一端沿柱狀節(jié)理面延伸至圓柱體側(cè)面剪切貫通,破壞模式由滑移破壞變?yōu)榧羟谢破茐?可以看出,在4 MPa圍壓作用下的巖樣碎裂成多塊,隨著圍壓增大,巖樣破壞后整體性更好.

圖11 不同圍壓條件下的柱狀節(jié)理巖體試樣的破壞形態(tài)

3.3 損傷分析

柱狀節(jié)理巖體試樣在加載過(guò)程中,內(nèi)部的節(jié)理和裂隙擴(kuò)展貫通引起材料或結(jié)構(gòu)的劣化過(guò)程即損傷[16].利用如下公式計(jì)算損傷:

式中,Es為巖體的彈性模量(數(shù)值如表3所示),E=σ/ε.D為損傷變量:D=0時(shí),材料無(wú)損傷;D=1時(shí),材料完全損傷;0＜D＜1時(shí),材料處于損傷狀態(tài).

根據(jù)柱狀節(jié)理巖體試樣三軸力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,由式(3)可以計(jì)算圍壓4 MPa、6 MPa和8 MPa作用下的軸向損傷,損傷變量和軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖12所示.

圖12 三軸力學(xué)試驗(yàn)下柱狀節(jié)理巖樣的損傷過(guò)程曲線

由圖12可看出,在加載過(guò)程中,柱狀節(jié)理巖樣的軸向損傷隨著軸向應(yīng)變的增大而增大.當(dāng)軸向應(yīng)變較小時(shí),8 MPa圍壓作用下的軸向損傷高于較低圍壓作用下的損傷;當(dāng)軸向應(yīng)變大于0.008時(shí),較低圍壓左右下的巖樣軸向損傷高于較高圍壓作用下的損傷值.4 MPa圍壓作用下巖樣損傷曲線在后半階段出現(xiàn)了跳躍現(xiàn)象,這與圖7(a)中偏應(yīng)力突然下降是對(duì)應(yīng)的,可能與試驗(yàn)過(guò)程中柱狀節(jié)理面發(fā)生的滑移現(xiàn)象有關(guān).

4 結(jié) 論

本文以柱狀節(jié)理模型試樣為研究對(duì)象,首先對(duì)制作節(jié)理面的白水泥進(jìn)行了不同軸壓下的直剪試驗(yàn),得到了節(jié)理面參數(shù),并且介紹了人工制備柱狀節(jié)理巖體的操作步驟等,最后對(duì)柱狀節(jié)理模型試樣進(jìn)行了不同圍壓(4 MPa、6 MPa、8 MPa)作用條件下的三軸力學(xué)試驗(yàn),獲得了試樣應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線,并對(duì)柱狀節(jié)理巖體的強(qiáng)度特性、破壞模式和損傷進(jìn)行了分析,得出如下結(jié)論:

1)圍壓的增加使得柱狀節(jié)理模型試樣的峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈增加趨勢(shì).

2)柱狀節(jié)理模型試樣在三軸力學(xué)試驗(yàn)下,其破壞模式以沿節(jié)理面破壞為主,隨著圍壓的增加,節(jié)理材料也開(kāi)始出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象.

3)在三軸力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中,柱狀節(jié)理巖樣的軸向損傷隨著軸向應(yīng)變的增大而增大.