紅層裂紋軟巖在水-應(yīng)力耦合作用下的變形破壞試驗(yàn)

周翠英，蘇定立,邱曉莉,楊旭,劉鎮(zhèn)

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510275；3.中山大學(xué)巖土工程與信息技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275；4.廣東天聯(lián)電力設(shè)計(jì)有限公司, 廣東 廣州 510600)

紅層是指中-新生代陸相沉積的紅色碎屑巖層，以砂巖、泥巖、粉砂巖和頁巖，其中的粉細(xì)砂巖、泥巖、頁巖為主。根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會的最新定義：巖石的單軸抗壓強(qiáng)度小于25 MPa，稱之為軟巖。根據(jù)沉積學(xué)研究，紅層由于其形成于炎熱、高壓的環(huán)境條件下，因此，工程開挖后卸荷裂隙發(fā)育，加之其富含高嶺石、蒙脫石等粘土礦物，水的作用下極易產(chǎn)生快速的崩解軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致工程災(zāi)變的發(fā)生，因此，其災(zāi)變的根本問題是水-巖相互作用的問題，這也是國際上巖石力學(xué)領(lǐng)域的前沿課題之一。

試驗(yàn)是進(jìn)行水巖相互作用研究的重要手段之一，關(guān)于軟巖和水相互作用的試驗(yàn)研究，大多數(shù)工作集中在基于單軸、三軸試驗(yàn)研究不同圍壓、環(huán)境溫度、含水量及化學(xué)等因素對其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)破壞過程、蠕變特性及崩解特性等方面的影響規(guī)律，涉及的試驗(yàn)技術(shù)包括：① 觀測軟巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞主要有掃描電子顯微鏡方法、X射線CT掃描技術(shù)、核磁共振、壓汞微孔測定、聲發(fā)射方法等[1-8]。② 測定軟巖化學(xué)成分有X射線衍射礦物分析、X射線熒光光譜分析、離子色譜儀分析等技術(shù)[4-6]；③ 設(shè)計(jì)軟巖干濕循環(huán)、有壓/無壓吸水、浸入酸堿溶液等模擬軟巖外部條件的試驗(yàn)[9-12]。此外，軟巖水-力耦合流變損傷三軸試驗(yàn)儀作為最能直接反應(yīng)軟巖在賦存水溶液中變形破壞全過程的設(shè)備，也是研究軟巖流變損傷過程中的強(qiáng)度變化主要手段[13-17]，因此，能否實(shí)現(xiàn)真正意義上的水-力耦合作用下的軟巖災(zāi)變?nèi)^程多尺度重現(xiàn)，并支持多種工況組合試驗(yàn)，對研究軟巖與水相互作用十分重要。

總體而言，目前學(xué)術(shù)界對軟巖遇水軟化試驗(yàn)研究的針對性較強(qiáng)，而軟巖遇水變形破壞是一個(gè)多因素耦合作用的復(fù)雜過程，因此有必要研究多影響因素作用下軟巖變形破壞全過程，探究不同影響因素之間的耦合作用對軟巖力學(xué)特性的影響機(jī)理。

基于此，本文為探究水、應(yīng)力、裂紋以及它們之間的相互作用對軟巖遇水災(zāi)變過程、破壞模式及其力學(xué)特性的影響，設(shè)計(jì)了3類針對性的試驗(yàn)，對軟巖遇水變形破壞全過程進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與巖樣制備

本試驗(yàn)所采用主要設(shè)備為中山大學(xué)巖土工程與信息技術(shù)研究中心自主研發(fā)的TAW-100水-應(yīng)力耦合軟巖細(xì)觀力學(xué)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖1)，其核心模塊 “多功能壓力室”可安裝水壓與油壓兩種壓力室。TAW-100三軸試驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)儀器相比，最大優(yōu)勢在于能真實(shí)模擬多種軟巖賦存環(huán)境，尤其在探索地下水對軟巖破壞過程的影響作用，可真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際工程軟巖在水-力環(huán)境下軟化破壞的全過程。該系統(tǒng)可提供最大軸力為100 kN，水壓力室可提供圍壓0～5 MPa、油壓力室可提供圍壓0～10 MPa，軟巖試樣尺寸Φ為(50～100) mm×(100～125)mm，力與變形精度均為±1%。

為研究不同賦存環(huán)境下軟巖的災(zāi)變破壞規(guī)律，探討水、應(yīng)力及裂紋對軟巖力學(xué)特性的影響，選取華南地區(qū)較為典型的粉砂質(zhì)泥巖為研究對象展開針對性試驗(yàn)研究。此類軟巖粘土礦物以伊利石與高嶺石為主，褐色，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，滴鹽酸有氣泡產(chǎn)生，部分見方解石細(xì)脈呈陡立狀巖質(zhì)硬，錘擊聲脆，平均天然重度γ為2.347 g/cm3，吸水率14.38%，飽水率26.35%。利用自動取芯機(jī)、自動巖石切割機(jī)和雙端面磨片機(jī)，按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB T50266-99)[18]的試樣加工精度要求，經(jīng)過鉆芯、切割、粗磨、細(xì)磨等工序，將鉆孔巖芯加工成所需的圓柱體試樣和長方體試樣(圖2)，包括：制備圓柱形試樣8個(gè)，分別為Φ70 mm×60 mm(2個(gè))，Φ70 mm×25 mm(2個(gè))，Φ70 mm×100 mm(4個(gè))，用于開展軟巖崩解破壞試驗(yàn)；制備長方體試樣21個(gè)，規(guī)格為50 mm×50 mm×100 mm，用于開展蠕變特性試驗(yàn)及裂紋軟巖水-應(yīng)力耦合破壞試驗(yàn)。

圖1 TAW-100軟巖三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 TAW-100 triaxial test system of soft rock

圖2 圓柱體及長方體試驗(yàn)巖樣制備Fig.2 Preparation of cylinder and rectangle test rock

1.2 試驗(yàn)方案

本文共設(shè)計(jì)軟巖崩解破壞試驗(yàn)、水-應(yīng)力耦合作用下軟巖蠕變特性試驗(yàn)、水-應(yīng)力-裂紋相互作用下軟巖變形破壞全過程試驗(yàn)共3類試驗(yàn)，分別研究軟巖裂隙、地下水與裂紋等因素以及它們之間的相互作用對軟巖災(zāi)變過程與力學(xué)特性的影響規(guī)律：

(1)試驗(yàn)①：軟巖遇水崩解破壞試驗(yàn)。設(shè)計(jì)試驗(yàn)①-Ⅰ、①-Ⅱ兩組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)①-Ⅰ中試樣初始裂隙較發(fā)育，而試驗(yàn)①-Ⅱ中試樣完整性較好，裂隙發(fā)育度不高。此外，兩組試驗(yàn)均分別含Φ70 mm×60 mm、Φ70 mm×25 mm規(guī)格圓柱形試樣各一個(gè)，Φ70 mm×100 mm試樣2個(gè)。試驗(yàn)步驟為：將軟巖試樣完全浸沒于水中，采用TAW-100三軸試驗(yàn)系統(tǒng)中體式顯微觀測系統(tǒng)，結(jié)合高清晰度數(shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程中軟巖裂紋發(fā)育、擴(kuò)展規(guī)律，直到軟巖試樣崩解破壞完畢，試驗(yàn)結(jié)束，探究裂紋對軟巖泡水破壞過程的影響規(guī)律。

(2)試驗(yàn)②：軟巖水-應(yīng)力耦合作用的蠕變特性試驗(yàn)。根據(jù)工程實(shí)際賦存情況設(shè)計(jì)試驗(yàn)②-Ⅰ、②-Ⅱ、②-Ⅲ等3組平行試驗(yàn)，分別研究無水條件、水-應(yīng)力耦合、水-應(yīng)力-裂紋相互作用等3種工況下軟巖蠕變特性。為便于預(yù)制裂紋的制作與試驗(yàn)觀察，每種工況均分別設(shè)置4個(gè)50 mm×50 mm×100 mm長方體試樣。根據(jù)工程實(shí)際賦存環(huán)境，設(shè)置0、0.5、1.0、1.5 MPa等4個(gè)等級的圍壓值，分別對應(yīng)每組試驗(yàn)中的4個(gè)試樣。每個(gè)試樣在特定的圍壓作用下，以軸向荷載瞬時(shí)加載速率設(shè)為0.05 kN/s，按5個(gè)等級從5 kN逐漸增加到25 kN，采用分級加載的方式進(jìn)行蠕變試驗(yàn)，每級荷載持續(xù)24 h，至試樣破壞，試驗(yàn)結(jié)束。其中，試驗(yàn)②-Ⅰ模擬無水條件下軟巖的蠕變特性，試樣初始均為干燥狀態(tài)并采用油壓壓力室施加圍壓，試驗(yàn)過程中用不透水薄膜包裹軟巖試樣；試驗(yàn)②-Ⅱ、②-Ⅲ均采用水壓壓力室提供圍壓，試樣初始均處于飽水48h狀態(tài)，軟巖試樣表面不包裹任何材料，且試驗(yàn)②-Ⅲ中4個(gè)試樣初始裂隙較發(fā)育。試驗(yàn)②-Ⅰ、②-Ⅱ、②-Ⅲ試驗(yàn)條件如表1所示。

(3)試驗(yàn)③：水-應(yīng)力-裂紋相互作用下軟巖變形破壞全過程試驗(yàn)。根據(jù)工程實(shí)際賦存情況設(shè)計(jì)試驗(yàn)③-Ⅰ、③-Ⅱ、③-Ⅲ分別模擬無水單軸壓縮條件、考慮水環(huán)境但忽略圍壓作用的單軸壓縮條件、考慮圍壓作用的三軸壓縮等3種工況下含不同傾角預(yù)制裂紋的破壞過程與力學(xué)特性。每組含3個(gè)軟巖試樣，其尺寸同試驗(yàn)②，采用Φ為0.6 mm的麻花鉆頭預(yù)制(長×寬×深)為10 mm×1 mm×25 mm的半通透型裂紋，含15°、45°與80°共3種傾角，每組試驗(yàn)中的3個(gè)試樣分別對應(yīng)一種傾角的裂紋，如圖3所示。試驗(yàn)控制位移以0.04 mm/min的速率持續(xù)加載，至破壞。同試驗(yàn)②中3組試樣一樣，本組試驗(yàn)③-Ⅰ中3個(gè)試樣均為初始干燥狀態(tài)、③-Ⅱ和Ⅲ中的試樣均為初始飽水48 h。試驗(yàn)③-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的試驗(yàn)條件如表2所示。

表1 試驗(yàn)②的試驗(yàn)條件Table1 Test conditions for test ②

表2 試驗(yàn)③的試驗(yàn)條件Table 2 Test conditions for test ③

圖3 預(yù)制裂紋示意圖Fig.3 Schematic diagram of precracks

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)①：軟巖崩解試驗(yàn)

從試驗(yàn)①數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)①-Ⅰ、①-Ⅱ中8個(gè)試樣泡水破壞過程存在2個(gè)相似之處：(1)無論初始裂隙發(fā)育程度如何，軟巖試樣泡水破壞過程中裂紋的發(fā)展大致經(jīng)歷新裂紋萌生、平穩(wěn)擴(kuò)展、加速延伸至擴(kuò)展貫通3個(gè)階段。其中，新裂紋萌生階段主要出現(xiàn)在試驗(yàn)前期軟巖試樣吸水的過程中，首條新裂紋出現(xiàn)的時(shí)間為10～33 min，受軟巖試樣初始裂隙發(fā)育程度及分布情況影響；裂紋平穩(wěn)發(fā)展階段約為軟巖遇水后第35～170 min，該階段軟巖試樣已充分吸水，弱化了顆粒間聯(lián)結(jié)作用，主要表現(xiàn)為新微裂紋持續(xù)增多、已有裂紋寬度與深度逐漸增加；裂紋加速延伸階段主要出現(xiàn)在第180～380 min，表現(xiàn)為新裂紋數(shù)目緩慢增加、已有裂紋深度發(fā)育、加速貫通。(2)試樣破壞尺寸效應(yīng)明顯，無論試樣初始裂隙是否發(fā)育，相同直徑下首條新裂紋產(chǎn)生速度以及試樣整體破壞所需時(shí)間與試樣高度呈正相關(guān)，即首條新裂紋產(chǎn)生速度100 mm高的試樣最快、25 mm高的試樣最慢，試樣完成破壞所需時(shí)間也是100 mm的最長、25 mm的最短。其原因主要是由于試驗(yàn)中軟巖均完全浸沒，尺寸增加提高了軟巖試樣與水的接觸面積，粘土礦物顆粒吸水膨脹更明顯，故首條新裂紋產(chǎn)生時(shí)間較短；但在試驗(yàn)后期，相同時(shí)間小尺寸的試樣，水與粘土礦物顆粒充分作用區(qū)域所占比例要高于大尺寸的軟巖試樣，故而其軟化更為徹底，試樣更容易破壞。

同時(shí)，初始裂隙與裂紋影響軟巖試樣泡水的破壞模式與破壞時(shí)效性。圖4為試驗(yàn)①-Ⅰ與試驗(yàn)①-Ⅱ中高度為100 mm的試樣，可以看出相同試樣尺寸條件下，試驗(yàn)①-Ⅱ中試樣破壞的層次性明顯強(qiáng)于試驗(yàn)①-Ⅰ中試樣。試驗(yàn)結(jié)束后，通過碾壓較大崩落體，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部并未浸水依然干燥，說明由于軟巖骨架顆粒粘土礦物的不均勻分布及親水性的不同導(dǎo)致軟巖內(nèi)部各區(qū)域吸水膨脹與弱化作用并不均勻。于是在軟化作用較為充分的區(qū)域產(chǎn)生表面能較大的薄弱區(qū)，水主要通過薄弱區(qū)進(jìn)入軟巖內(nèi)部形成一定厚度的表面吸附層并產(chǎn)生楔裂壓力，當(dāng)楔裂壓力高于軟巖顆粒物的膠結(jié)作用便產(chǎn)生新的裂紋。

圖4 試驗(yàn)①-Ⅰ和Ⅱ試樣破壞情況Fig.4 Specimen failures in test ①-Ⅰ and Ⅱ

因此，若初始試樣完整性良好且裂隙發(fā)育程度不高，軟巖的裂縫萌生與破壞將隨著水的滲入而呈現(xiàn)出一定層次感，即外層的軟巖先泡水軟化、產(chǎn)生裂縫甚至剝落，然后內(nèi)層的軟巖開始有了與水接觸的機(jī)會，并重復(fù)外層軟巖軟化破壞的過程。對于含有初始裂紋的試樣，其初始裂紋為軟巖浸水破壞提供天然的薄弱部位，裂紋首先由初始裂紋附近產(chǎn)生，破壞也都集中在初試裂紋處，同時(shí)外層軟巖也逐漸泡水軟化，故裂紋的產(chǎn)生無明顯層次感。含初始裂紋的軟巖試樣，由于初試裂紋的存在，使得新裂紋的產(chǎn)生與發(fā)育速度得以加快，同樣尺寸含初始裂紋的試樣其破壞所需時(shí)間較不含初始裂紋試樣略短。試驗(yàn)初始裂隙較發(fā)育的試樣，其破壞過程中的層次性更強(qiáng)。

2.2 試驗(yàn)②：軟巖水-應(yīng)力耦合作用蠕變特性試驗(yàn)

圖5為試驗(yàn)②-Ⅰ、②-Ⅱ、②-Ⅲ蠕變曲線，以分級荷載加載后的軟巖軸向總變形量ε1為縱坐標(biāo)，時(shí)間t為橫坐標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：圍壓一定，增加軸壓將促使蠕變量的增加，如圍壓1.0 MPa時(shí)，試驗(yàn)②-Ⅰ、②-Ⅱ、②-Ⅲ中蠕變量分別從軸壓5 kN時(shí)的0.005%、0.009%與0.022%增加到25 kN時(shí)的0.011%、0.026%與0.104%(試驗(yàn)②-Ⅲ裂紋軟巖受水-應(yīng)力耦合作用，極限承載力降低，軸壓加載到25 kN前已破壞，此處為軸壓15 kPa時(shí)的蠕變值)，但隨著軸壓的增加，蠕變量的增長速率、每級荷載對應(yīng)總變形量(每級荷載總變形量=每級荷載蠕變量+荷載改變瞬時(shí)變形量)等物理量逐漸降低。將蠕變量、蠕變增長速率除以每級荷載持續(xù)時(shí)間得到平均蠕變速率、平均蠕變增長速率的變化規(guī)律也分別與蠕變量、蠕變增長速率一致。分別對比試驗(yàn)②-Ⅰ、②-Ⅱ與②-Ⅲ中軸向壓力相同時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著圍壓的增加，軟巖試樣的徑向變形收到的約束作用也逐漸增加，軟巖試樣的蠕變變形量、蠕變速率、瞬時(shí)變形量及每級荷載總變形等物理量均呈減小的趨勢，而軟巖的強(qiáng)度增加，同時(shí)脆性也顯著增強(qiáng)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)②-Ⅱ與②-Ⅲ中由于水-應(yīng)力耦合以及預(yù)制裂紋作用，導(dǎo)致其蠕變變形量與瞬時(shí)變形量均高于試驗(yàn)②-Ⅰ中相應(yīng)的值，提高了蠕變變形量在總變形量中的比值與平均蠕變速率，圍壓作用約束了軟巖徑向形變，使得軟巖試樣的脆性增加，同時(shí)使軟巖試樣發(fā)生軟化，強(qiáng)度均有所降低。對比試驗(yàn)②-Ⅱ與②-Ⅲ，可知相同試驗(yàn)條件下初始裂紋的存在將會使軟巖試樣的蠕變破壞沿著原有的裂隙、裂紋、節(jié)理等薄弱部位發(fā)展并破壞，并伴隨一定的體積膨脹，使得蠕變量、每級荷載總變形、蠕變速率等物理量均相對增加，其中對軟巖蠕變量的影響較大，增加比例高達(dá)129.4%。

圖5 試驗(yàn)②-Ⅰ，Ⅱ與Ⅲ軟巖試樣蠕變曲線圖Fig.5 Creep curve of soft rock specimen in test ②-Ⅰ,②-Ⅱ and ②-Ⅲ

2.3 試驗(yàn)③：水-應(yīng)力-裂紋相互作用下軟巖變形破壞全過程試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)所涉及的3種工況條件下，軟巖試樣變形破壞過程均經(jīng)歷預(yù)制裂紋的擴(kuò)展以及新裂紋的萌生、發(fā)育、擴(kuò)展與貫通破壞等階段，不同的是在不同試驗(yàn)條件下，裂紋的發(fā)展、搭接、試樣破壞形式以及試樣各階段出現(xiàn)的時(shí)間、破壞發(fā)展速度與形態(tài)等有所差異。圖6為3種工況不同傾角預(yù)制裂紋試樣的最終破壞形式，可以看出預(yù)制裂紋傾角差異導(dǎo)致了在相同試驗(yàn)條件下，軟巖試件的破壞形態(tài)及發(fā)展速度存在差異。3種工況下，45°傾角預(yù)制裂紋與試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的翼型裂紋對試樣最終破壞形式的影響都較15°更為顯著，發(fā)育微裂紋數(shù)目更少，破壞均為翼型裂紋與預(yù)制裂紋貫通所致，其中工況2與工況3中，貫通裂紋與軸向加載方向近似呈45°，屬于典型的剪切破壞，并伴隨試樣上端碎屑崩解脫落，破壞時(shí)預(yù)制裂紋均受壓張開，呈橢圓狀，試樣脆性較明顯，破壞時(shí)間較15°試樣更短。

圖6 不同裂紋傾角巖樣破壞模式Fig.6 Failure mode of rock with different crack inclination

圖7為3種工況下，軟巖試樣破壞的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(以主應(yīng)力差σ1-σ3為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，以壓縮方向?yàn)檎较?，可將軟巖破壞過程大致分為4個(gè)階段，即：壓密段(oa段)、彈性段(ab段)、塑性段(bc段)與破壞段(cd段)。其中，壓密段的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征為曲線微向下凸，應(yīng)力增長速度小于應(yīng)變，軟巖試樣內(nèi)部微裂隙受壓逐漸壓縮閉合，試樣密實(shí)度逐漸增加，模量也隨之增加。彈性段中，試樣外在表現(xiàn)不明顯。試驗(yàn)過程中，新裂紋主要出現(xiàn)在塑性段，主要由于軟巖試樣內(nèi)部微裂隙逐漸發(fā)育及擴(kuò)展所致，同時(shí)，該階段試樣存在應(yīng)力重分布現(xiàn)象，軟巖試樣應(yīng)力逐漸逼近其峰值。在破壞段，軟巖試樣經(jīng)歷了峰值強(qiáng)度后，內(nèi)部損傷發(fā)展加速并產(chǎn)生突變，軟巖試樣內(nèi)部應(yīng)力重分布過程更加頻繁。隨著應(yīng)變增加應(yīng)力下降，該階段發(fā)生時(shí)間短，包含巖石內(nèi)部自我調(diào)適和損傷擴(kuò)展突變兩個(gè)階段。峰值強(qiáng)度后應(yīng)變繼續(xù)增加，巖石進(jìn)入短暫的自我調(diào)整階段，應(yīng)力重分布，應(yīng)力隨應(yīng)變增加先減小后增大，但應(yīng)力值達(dá)不到峰值強(qiáng)度值形成拐點(diǎn)，接著損傷擴(kuò)展突變，應(yīng)力迅速跌落，試件破壞，同時(shí)發(fā)生側(cè)向鼓脹和擴(kuò)容現(xiàn)象。

圖7 試驗(yàn)③-Ⅰ、③-Ⅱ與③-Ⅲ中應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain diagram in test ③-Ⅰ、③-Ⅱ and ③-Ⅲ

圖8為試驗(yàn)③的水-應(yīng)力耦合下軟巖峰值強(qiáng)度與裂紋傾角關(guān)系。以試驗(yàn)③的峰值應(yīng)力為縱坐標(biāo)，以裂紋傾角為橫坐標(biāo)，得到了和試驗(yàn)③-Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ對應(yīng)的③-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線。根據(jù)試驗(yàn)③數(shù)據(jù)，3種試驗(yàn)工況下，軟巖峰值強(qiáng)度與軟巖試樣預(yù)制裂紋傾角變化之間的關(guān)系均呈先增加后減小的態(tài)勢，說明這與軟巖試樣試驗(yàn)過程中的外部因素關(guān)系不大。同時(shí)，軟巖試樣在發(fā)生應(yīng)變突變時(shí)的應(yīng)變量與軟巖試樣的預(yù)制裂紋傾角關(guān)系也呈先增大后減小的態(tài)勢。試驗(yàn)③-Ⅰ中軟巖試樣在預(yù)制裂紋傾角為45°時(shí)，峰值強(qiáng)度由達(dá)到最高值12.188 MPa，突變應(yīng)變量也達(dá)到最大值0.0175%。不同試驗(yàn)條件及預(yù)制裂紋傾角下，軟巖試樣破壞過程大致相似，其峰值強(qiáng)度與突變應(yīng)變曲線均呈上凸形。

圖8 試驗(yàn)③水-應(yīng)力耦合下軟巖峰值強(qiáng)度與裂紋傾角關(guān)系Fig.8 Relationship among peak strength and crack angle with coupled hydro-mechanical effect in test ③

對比相同傾角預(yù)制裂紋不同試驗(yàn)工況條件下的試驗(yàn)結(jié)果可知，無水條件下含預(yù)制裂紋的軟巖試樣峰值強(qiáng)度要明顯高于普通水環(huán)境下軟巖試樣破壞峰值強(qiáng)度，說明水的作用對軟巖試樣的變形破壞產(chǎn)生了促進(jìn)作用，同時(shí)，對于不同傾角預(yù)制裂紋試樣該現(xiàn)象均存在，進(jìn)一步說明水對于軟巖試樣變形破壞過程中的控制作用要明顯強(qiáng)于裂紋。其主要原因是由于水的滲透，弱化了軟巖顆粒間的膠結(jié)作用、降低了軟巖試樣內(nèi)部顆粒間的摩擦系數(shù)。此外，圍壓水條件下軟巖試樣的峰值強(qiáng)度要高于普通水環(huán)境下的軟巖試樣峰值強(qiáng)度，但軟巖試樣發(fā)生突變對應(yīng)的應(yīng)變值有所降低，主要體現(xiàn)為軟巖試樣在圍壓作用下其強(qiáng)度增加、脆性更明顯，主要原因是由于圍壓的存在對軟巖試樣在軸向荷載作用下的變形起到約束作用，約束了軟巖試樣徑向應(yīng)變，從而提高其峰值強(qiáng)度與脆性。

3 基于能量耗散的軟巖軟化過程分析

3.1 軟巖崩解試驗(yàn)分析

軟巖試樣在水-應(yīng)力-裂紋耦合作用下的破壞是一個(gè)滲流-化學(xué)-損傷綜合作用過程，伴隨著能量的轉(zhuǎn)化與能量的耗散。

試驗(yàn)①中的軟巖軟化崩解過程中，裂紋的發(fā)展大致分為新裂紋萌生、平穩(wěn)擴(kuò)展、加速延伸至擴(kuò)展貫通3個(gè)階段。結(jié)合非平衡熱力學(xué)理論，在軟巖系統(tǒng)與水相互作用初期，軟巖內(nèi)部大孔隙充水?dāng)U張，小孔隙及連通性較差的孔隙未被充水，主要特征為新裂紋萌生，其微結(jié)構(gòu)未發(fā)生根本變化，可以認(rèn)為系統(tǒng)此時(shí)處于近平衡階段，這一階段的能量特征主要是滲流對軟巖內(nèi)部孔隙充水?dāng)U張所做的功，以及水溶液與軟巖表面的粘土礦物成分初步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致軟巖表面出現(xiàn)的溶解、化學(xué)溶蝕等化學(xué)能變化。

隨著軟巖-水相互作用程度的加深，軟巖系統(tǒng)內(nèi)部小孔隙及連通性較差的孔隙也開始充水，裂紋進(jìn)一步平穩(wěn)擴(kuò)展，此時(shí)的軟巖-水的物理、力學(xué)、化學(xué)相互作用進(jìn)一步加劇。待軟巖充分吸水，滲流通道豐富，顆粒連接排列方式開始產(chǎn)生較大改變，并逐漸趨于有序，系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)自發(fā)的動態(tài)過程，此時(shí)軟巖系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的作用已逐漸穩(wěn)定，表現(xiàn)為裂紋寬度和深度增加，甚至出現(xiàn)裂紋貫通。從能量的角度，這一階段，由于摩擦等力學(xué)作用，滲流的一部分機(jī)械能會轉(zhuǎn)化為熱能損失耗散，同時(shí)滲流中的離子和軟巖礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，涉及到化學(xué)熱量耗散及化學(xué)能釋放。這是系統(tǒng)非線性作用強(qiáng)烈的動態(tài)調(diào)整形成的宏觀有序結(jié)果，這種開放、動態(tài)平衡的有序結(jié)構(gòu)也稱之為耗散結(jié)構(gòu)。

3.2 軟巖水-應(yīng)力耦合作用蠕變特性試驗(yàn)分析

對比試驗(yàn)②的無水條件、水-應(yīng)力耦合作用條件及水-應(yīng)力-裂紋相互作用的結(jié)果可知，當(dāng)圍壓一定時(shí)，增加軸壓促使蠕變量的增加。從能量的角度，增加軸壓即增加了試驗(yàn)機(jī)對軟巖做的功，根據(jù)功能轉(zhuǎn)化原理，增加了軟巖的塑性變形能。當(dāng)軸向壓力一定時(shí)，圍壓增加，軟巖試樣的蠕變變形量、蠕變速率、瞬時(shí)變形均減小。從能量的角度，圍壓的增加從側(cè)面對軟巖試樣提供了更強(qiáng)的徑向約束力，軟巖克服圍壓對外做的負(fù)功更大，耗散能量增加，同時(shí)由于圍壓增加，更多的滲流能量作用在軟巖裂紋中，加速了滲流和軟巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溶蝕、潛蝕等物理、力學(xué)及化學(xué)的相互作用，提高了軟巖的軟化程度，表現(xiàn)為強(qiáng)度降低。另外，初始裂紋的存在使得滲流能量能更快的進(jìn)入巖石內(nèi)部，加速軟巖的變形破壞，增加蠕變量，提高蠕變速率。

3.3 水-應(yīng)力-裂紋相互作用下軟巖變形破壞全過程試驗(yàn)分析

試驗(yàn)③分別模擬無水單軸壓縮條件、考慮水環(huán)境但忽略圍壓作用的單軸壓縮條件、考慮圍壓作用的三軸壓縮等3種工況下含不同傾角預(yù)制裂紋的破壞過程與力學(xué)特性。從試驗(yàn)結(jié)果來看，軟巖破壞過程大致分為壓密階段、彈性階段、塑性階段及破壞階段。從能量的角度，在壓密階段，軟巖孔隙受壓壓縮、密實(shí)度增加，通過功能轉(zhuǎn)化，軟巖承受了外界通過軸向加壓做功輸入的能量。在彈性階段，軟巖通過彈性變形儲存應(yīng)力應(yīng)變能量。在塑性階段，隨著軟巖體積增大，新裂紋開始出現(xiàn)，滲流-化學(xué)-損傷作用加劇，由于損傷而出現(xiàn)破裂的聲能耗散、應(yīng)力應(yīng)變重分布產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷及突變導(dǎo)致的損傷能量釋放，軟巖試樣應(yīng)力接近峰值。在軟巖的破壞階段，此時(shí)軟巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已正在進(jìn)行動態(tài)自我調(diào)整，損傷發(fā)展加速并產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)變化，出現(xiàn)裂縫貫通，巖塊脫落等，這一階段的損傷能量得到極大的釋放，軟巖-水系統(tǒng)的能量經(jīng)過重新調(diào)整，形成了新的能量耗散結(jié)構(gòu)。

對比無水及水-應(yīng)力耦合條件的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水應(yīng)力耦合作用下的軟巖峰值應(yīng)力較低，從能量的角度，這是由于在水-應(yīng)力耦合作用的過程中，滲流-化學(xué)作用對軟巖產(chǎn)生了軟化作用，外界輸入的能量被滲流作用及化學(xué)反應(yīng)而耗散，導(dǎo)致軟巖整體的強(qiáng)度降低。

4 結(jié) 論

本文針對華南地區(qū)紅層軟巖遇水軟化效應(yīng)顯著的問題，借助TAW-100水-應(yīng)力耦合軟巖細(xì)觀力學(xué)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)全面開展了軟巖泡水崩解試驗(yàn)、水-應(yīng)力耦合作用下軟巖蠕變特性試驗(yàn)與水-應(yīng)力-裂紋相互作用下軟巖變形破壞試驗(yàn)，分別針對軟巖自身裂隙、賦存地下水以及裂紋等不同影響因素，探討了其對軟巖災(zāi)變過程及力學(xué)特性的影響規(guī)律，并結(jié)合能量耗散理論對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下主要結(jié)論：

1)初始裂隙發(fā)育程度不同的軟巖試樣泡水崩解過程按裂紋的發(fā)展均可大致分為新裂紋萌生、緩慢發(fā)育、加速擴(kuò)展至貫通破壞等階段，裂紋對其崩解的影響主要體現(xiàn)在打亂了軟巖崩解破壞的層次性，同時(shí)，初始裂隙越發(fā)育，軟巖試樣就越早進(jìn)入新裂紋加速擴(kuò)展階段。此外，軟巖泡水破壞過程中呈現(xiàn)出一定的尺寸效應(yīng)，即軟巖試樣尺寸越大，新裂紋發(fā)育得越快，但最終破壞所需時(shí)間也越長。

2)軟巖試樣蠕變破壞過程所經(jīng)歷的階段受外部環(huán)境的影響較小，不同賦存環(huán)境下，均要經(jīng)歷減速、穩(wěn)定與加速蠕變階段，所不同的是隨著賦存環(huán)境與試驗(yàn)條件的復(fù)雜化，軟巖試樣會加快進(jìn)入加速蠕變階段，同時(shí)其強(qiáng)度值也會隨之降低。此外，軟巖蠕變過程中瞬時(shí)變形量、總變形量均與軸向壓力的變化呈負(fù)相關(guān)態(tài)勢，但蠕變形變量、平均蠕變速率與蠕變變形占總變形量的比值均與軸壓呈正相關(guān)態(tài)勢，此外，隨著軸向壓力的增加，軟巖試樣會較早進(jìn)入穩(wěn)定蠕變變形階段；圍壓對軟巖蠕變特性的影響為，由于圍壓對軟巖試樣徑向的變形存在束縛，軟巖蠕變過程中脆性顯著增強(qiáng)，蠕變變形量、平均蠕變速率、瞬時(shí)形變量及總變形量均與圍壓的增加呈負(fù)相關(guān)趨勢；水的存在會增加軟巖試樣的延性，使得其蠕變變形量、總變形等物理量均相對無水環(huán)境顯著增加，進(jìn)入穩(wěn)定蠕變狀態(tài)時(shí)間也明顯較晚，整體強(qiáng)度降低，破壞沿內(nèi)部裂隙、節(jié)理、預(yù)制裂紋等薄弱部位發(fā)生，伴有側(cè)向應(yīng)變與體積膨脹。

3)通過對預(yù)制裂紋軟巖系列試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，軟巖變形破壞主要經(jīng)歷壓密、彈性、塑性、變形破壞等4個(gè)階段，整個(gè)破壞過程中裂紋的萌生與擴(kuò)展過程相似，預(yù)制裂紋的存在主要影響新裂紋的出現(xiàn)部位、發(fā)展方式、試樣破壞形式與時(shí)間等，同時(shí)，預(yù)制裂紋的傾角主要影響軟巖試樣的破壞模式。此外，通過對試驗(yàn)過程中軟巖水試樣強(qiáng)度的研究發(fā)現(xiàn)，純水、水-應(yīng)力環(huán)境作用會降低軟巖的峰值強(qiáng)度及突變應(yīng)變；圍壓水環(huán)境下軟巖試樣的脆性增加，表現(xiàn)為峰值強(qiáng)度增大、突變應(yīng)變降低。

4)軟巖試樣在水-應(yīng)力-裂紋耦合作用下的破壞是一個(gè)滲流-化學(xué)-損傷綜合作用過程，伴隨著能量的轉(zhuǎn)化與能量的耗散。從能量的角度，由于摩擦等力學(xué)作用，滲流的一部分能量會轉(zhuǎn)化為熱能損失耗散，同時(shí)滲流中的離子和軟巖礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，涉及到化學(xué)熱量耗散及化學(xué)能釋放。軟巖通過壓密變形及彈性變形，以應(yīng)力應(yīng)變能的形式儲存外界軸向加壓輸入的能量。在塑性階段，隨著軟巖體積增大，新裂紋開始出現(xiàn)，滲流-化學(xué)-損傷作用加劇，由于損傷而出現(xiàn)破裂的聲能耗散、應(yīng)力應(yīng)變重分布產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷及突變導(dǎo)致的損傷能量釋放。對比無水及水應(yīng)力耦合條件的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水-應(yīng)力耦合作用下的軟巖峰值應(yīng)力較低，從能量的角度，這是由于在水-應(yīng)力耦合作用的過程中，滲流-化學(xué)作用對軟巖產(chǎn)生了軟化作用，外界輸入的能量被滲流作用及化學(xué)反應(yīng)而耗散，導(dǎo)致軟巖整體的強(qiáng)度降低。