裂隙灰?guī)r卸圍壓破壞力學(xué)特性試驗(yàn)研究

劉漢東，劉佳賓，張亞峰，王艷艷，張世英

(1.華北水利水電大學(xué)巖土工程與水工結(jié)構(gòu)研究院，河南 鄭州 450046；2.河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046)

0 引 言

地下巖體在開(kāi)挖前或未受到擾動(dòng)時(shí)處于三相圍壓的平衡狀態(tài)。地下洞室開(kāi)挖后，原有的相對(duì)平衡狀態(tài)被打破，在一定的局部范圍內(nèi)引起地應(yīng)力的重分布。在地應(yīng)力重分布的過(guò)程中，若分布后的巖體沒(méi)有達(dá)到巖石材料或裂隙面的屈服條件，則巖體仍處于彈性變形狀態(tài)；若局部區(qū)域的應(yīng)力大于巖體的屈服條件，則巖體的力學(xué)特征發(fā)生轉(zhuǎn)變，從彈性變形階段過(guò)渡為塑性變形階段。巖體由于受到地質(zhì)構(gòu)造作用和巖溶等自然風(fēng)化的影響，巖體內(nèi)形成了不同產(chǎn)狀的節(jié)理和裂隙。因此，研究卸載應(yīng)力路徑下的裂隙巖體應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系及變形特征，對(duì)實(shí)際工程具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來(lái)，巖體卸荷條件下的力學(xué)特性試驗(yàn)研究取得重大進(jìn)展。黃潤(rùn)秋等[1-9]分別對(duì)花崗巖、大理巖、砂巖、鹽巖和灰?guī)r在不同應(yīng)力路徑和圍壓條件下進(jìn)行卸圍壓試驗(yàn)分析，討論了巖石卸圍壓條件下的強(qiáng)度和變形特性；李宏哲等[10-13]開(kāi)展含節(jié)理巖石試件變形特性試驗(yàn)，對(duì)其破壞特征、強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了研究。但由于結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，對(duì)含天然裂隙巖體的研究較少。

本文采用河口村水庫(kù)壩肩巖溶裂隙灰?guī)r試樣，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)裂隙巖體的力學(xué)特性進(jìn)行不同圍壓下的三軸加載試驗(yàn)和卸圍壓研究，分析加卸載和卸圍壓條件下裂隙灰?guī)r的變形、強(qiáng)度、破壞特征及其影響因素。

1 三軸加載和卸圍壓試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

沁河河口村水庫(kù)位于沁河中游太行山峽谷段的南端，距峽谷出口五龍口約9.0 km，屬河南省濟(jì)源市。河口村水庫(kù)是一個(gè)典型的峽谷河道型水庫(kù)，水庫(kù)面積約10.0 km2，總庫(kù)容3.468億m3。壩址位于太行山背斜的軸部，盤(pán)古寺斷層的上升盤(pán)，含有多條斷裂構(gòu)造帶。庫(kù)盤(pán)大部分由寒武系灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、頁(yè)巖組成，灰?guī)r中有溶蝕裂隙及溶洞。由于受到地質(zhì)構(gòu)造作用和巖溶等自然風(fēng)化的影響，基巖中形成了各種產(chǎn)狀的節(jié)理和裂隙。本試驗(yàn)巖芯取自河口村水庫(kù)壩肩巖體，均為天然狀態(tài)下微風(fēng)化灰?guī)r，試樣的天然容重為26.7～28.5 kN/m3。

1.2 試樣與試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)SL 264—2011《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》與GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，試件制為直徑50 mm、高110 mm的圓柱形，直徑誤差不超過(guò)0.3 mm，端面不平行度誤差不超過(guò)0.05 mm，端面與試件軸線(xiàn)最大偏差均不大于0.25°。典型巖樣見(jiàn)圖1。

圖1 典型巖樣

試驗(yàn)儀器采用TAW-2000型微機(jī)伺服巖石高低溫三軸試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖2)。該試驗(yàn)機(jī)軸向最大荷載為2 000 kN，圍壓最大為60 MPa，活塞最大位移量為100 mm。徑向和軸向變形采用一體式傳感器，測(cè)試精度在±0.1%范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)巖石在不同圍壓和溫度下的巖石力學(xué)參數(shù)確定，獲取巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及峰值和殘余強(qiáng)度。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

河口村水庫(kù)引水隧洞、泄洪洞的引排水構(gòu)筑物埋深較淺，初始地應(yīng)力較小。因此，三軸加載試驗(yàn)共設(shè)4級(jí)圍壓，σ3分別為5 、7 、10 MPa和15 MPa。

1.3 卸圍壓試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，不同的開(kāi)挖方式就是加載和卸荷應(yīng)力路徑不斷變化組合的過(guò)程。對(duì)于卸圍壓而言，最為常見(jiàn)的幾種方式分別為保持軸向應(yīng)力不變卸圍壓、保持軸向位移不變卸圍壓、增加軸向力卸圍壓等?？紤]到實(shí)際隧洞開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力的變化過(guò)程，本文采用恒定偏應(yīng)力卸圍壓的方式進(jìn)行試驗(yàn)，步驟如下：

(1)加圍壓時(shí)采用應(yīng)力控制，以0.05 MPa/s的速度增加圍壓達(dá)到預(yù)定值(5、10、15 MPa)，此時(shí)σ1=σ3。

(2)保持圍壓在試驗(yàn)過(guò)程中不變，采用變形控制方法施加軸向荷載，加載速率為0.02 mm/min，直到試樣產(chǎn)生塑性變形(通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)斜率變化判斷卸荷點(diǎn)，一般為峰值強(qiáng)度的70%左右)。

(3)保持偏應(yīng)力不變，以0.05 MPa/s的速率卸除圍壓，直到試樣發(fā)生破壞，結(jié)束試驗(yàn)，得到全過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和卸圍壓階段的圍壓-應(yīng)變曲線(xiàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 三軸加載結(jié)果

2.1.1應(yīng)力-應(yīng)變

天然含水率裂隙灰?guī)r在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。從圖3可知，在三軸加載條件下，在彈性階段的變形以軸向變形為主。當(dāng)達(dá)到峰值前的某個(gè)偏應(yīng)力值以后，試樣的徑向變形速率逐漸增大，最終引起了巖樣的破壞，其強(qiáng)度和彈性模量隨著圍壓的增大而增大。

圖3 裂隙灰?guī)r三軸加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

表1 灰?guī)r加載力學(xué)參數(shù)

2.1.2強(qiáng)度和變形破壞特征

裂隙灰?guī)r加載力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。表1中，彈性模量E為平均彈性模量，即加載過(guò)程中直線(xiàn)段的彈性模量；E50和μ50分別為峰值強(qiáng)度50%時(shí)對(duì)應(yīng)的彈性模量和泊松比。加載條件下，完整灰?guī)r的抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c=14.62 MPa、內(nèi)摩擦角φ=56.3°。裂隙灰?guī)r有穿裂隙面破壞和沿裂隙面滑移破壞2種破壞形式。當(dāng)裂隙面與最大主應(yīng)力夾角≥60°時(shí)，發(fā)生沿裂隙面滑移破壞；反之為穿裂隙面破壞。

2.2 卸圍壓破壞試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1變形特性

在卸圍壓過(guò)程中，偏應(yīng)力保持不變，以徑向變形為主，體應(yīng)變>徑向應(yīng)變>軸向應(yīng)變。圖4反映了卸圍壓階段圍壓和變形的關(guān)系。從圖4可知：

圖4 卸圍壓階段圍壓-應(yīng)變曲線(xiàn)

(1)隨著圍壓的降低，巖體的變形不斷增加，在開(kāi)始卸荷階段增加較慢，當(dāng)卸荷量達(dá)到一定值后，出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，很小的卸荷量就會(huì)引起較大的變形，巖體達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞。這說(shuō)明在卸圍壓初始階段，巖體的變形可以近似看作為彈性變形；隨著卸荷量的增大，巖體內(nèi)部出現(xiàn)微裂隙，發(fā)生塑性變形；當(dāng)變形量達(dá)到一定數(shù)值，巖體強(qiáng)度瞬間跌落，試樣發(fā)生脆性破壞。

(2)徑向應(yīng)變和體應(yīng)變隨著圍壓的變化速率明顯大于軸向應(yīng)變。這是因?yàn)樵谄珣?yīng)力恒定且圍壓減小時(shí)，徑向變形因卸圍壓直接增大；而軸向變形是偏應(yīng)力并未發(fā)生變化下對(duì)徑向卸荷產(chǎn)生的反應(yīng)，是卸圍壓間接導(dǎo)致的結(jié)果。軸向和徑向變形對(duì)比可以看出，巖體的卸圍壓破壞主要是由于卸圍壓所引起的徑向變形產(chǎn)生的。圍壓減小的過(guò)程中，裂紋的擴(kuò)展速度加快，擴(kuò)容現(xiàn)象更加明顯，擴(kuò)容達(dá)到一定值后，巖體由于失去承載能力而發(fā)生突然破壞。

(3)初始圍壓對(duì)巖體卸荷的變形特性有一定的影響。隨著初始圍壓的增加，試樣的卸荷變形量逐漸增大。在不同的圍壓-變形曲線(xiàn)中均出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，即變形隨著卸圍壓而降低的速率會(huì)在某個(gè)點(diǎn)突然增大，從而加速了變形的增加，進(jìn)而導(dǎo)致巖樣的破壞。

(4)裂隙對(duì)卸圍壓時(shí)的變形特性也有一定的影響。相同初始圍壓條件下，巖體變形特性與裂隙傾角、裂隙面的特性有關(guān)。對(duì)于相對(duì)于巖石材料較弱的裂隙填充物，裂隙面會(huì)首先發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致巖體沿著裂隙面發(fā)生破壞，通常這種情況下的破壞的徑向變形量要小。

2.2.2變形參數(shù)劣化規(guī)律

為了更進(jìn)一步研究卸圍壓對(duì)巖石力學(xué)特性的影響，引入等效彈性模量和等效泊松比這2個(gè)卸荷變形參數(shù)，得出卸圍壓試樣在卸圍壓條件下的等效彈性模量和泊松比[14-15]。試樣卸荷變形參數(shù)見(jiàn)表2。卸圍壓變形參數(shù)與圍壓的關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖5可知：

(1)等效彈性模量隨著圍壓的降低逐漸減小，趨勢(shì)較為平緩；圍壓降低到一定程度時(shí)，開(kāi)始急劇降低，呈現(xiàn)跌落現(xiàn)象。這是因?yàn)殚_(kāi)始卸圍壓時(shí)，閉合初始裂紋逐步張開(kāi)，在偏應(yīng)力作用下逐漸擴(kuò)展，同時(shí)也伴隨新裂隙的萌生和發(fā)育，宏觀上表現(xiàn)為等效彈性模量平緩下降。待裂隙貫通導(dǎo)致試樣破壞時(shí)，等效彈性模量急劇降低。

(2)等效泊松比的變化規(guī)律和等效彈性模量的變化規(guī)律相反。隨著圍壓的減小，等效泊松比逐漸增大，且等效泊松比隨圍壓變化的規(guī)律同徑向變形(體應(yīng)變)的變化規(guī)律相似，即在卸圍壓初始階段，等效泊松比的增加速率較小，基本上保持不變；當(dāng)圍壓降低到一定程度時(shí)，等效泊松比開(kāi)始急劇增加，直到試樣發(fā)生破壞。

表2 試樣卸荷變形參數(shù)

圖5 圍壓和變形參數(shù)的關(guān)系

卸圍壓變形參數(shù)與體應(yīng)變的關(guān)系見(jiàn)圖6。從圖6可知，隨著體應(yīng)變的減小(試樣體積增大)，等效彈性模量基本上逐漸減小，等效泊松比逐漸增大。同時(shí)，在卸圍壓的過(guò)程中，等效泊松比和等效彈性模量與體應(yīng)變大致呈線(xiàn)性關(guān)系，這說(shuō)明巖體內(nèi)部裂隙的發(fā)展引起的擴(kuò)容是導(dǎo)致卸圍壓下裂隙巖體變形參數(shù)劣化的直接原因。

圖6 體應(yīng)變和變形參數(shù)的關(guān)系

3 裂隙灰?guī)r加卸荷力學(xué)特性對(duì)比分析

3.1強(qiáng)度和變形特征

在相同的初始圍壓條件下，卸荷巖體的破壞強(qiáng)度低于三軸加載條件下的峰值強(qiáng)度，這說(shuō)明在其他條件相同時(shí)，卸圍壓試樣更容易發(fā)生破壞。對(duì)完整巖體來(lái)說(shuō)，加載試驗(yàn)破壞時(shí)的變形主要以軸向變形為主，而卸圍壓試驗(yàn)破壞時(shí)徑向變形明顯大于軸向變形；加載破壞時(shí)的軸向變形明顯大于卸圍壓破壞時(shí)的變形，反之，卸圍壓破壞時(shí)的徑向變形明顯大于加載破壞時(shí)的變形。對(duì)于裂隙巖體，穿裂隙面破壞的試樣的變形特性與完整試樣相似；加載試驗(yàn)的軸向變形比卸圍壓破壞時(shí)明顯要大；對(duì)沿裂隙面破壞的試樣，加載和卸圍壓破壞時(shí)的徑向變形差別不大。

圖7為裂隙灰?guī)r加卸荷條件下變形參數(shù)的對(duì)比。從圖7可以看出，無(wú)論是完整巖體還是裂隙巖體，卸圍壓時(shí)的等效彈性模量要明顯小于加載時(shí)的彈性模量，而泊松比卻恰恰相反。通過(guò)計(jì)算可以求出，卸圍壓條件下的等效彈性模量要比加載時(shí)的彈性模量減小7%，等效泊松比增加51%。

圖7 加卸荷變形參數(shù)對(duì)比

3.2 破壞特征

卸圍壓條件下，完整灰?guī)r的破壞形態(tài)均為劈裂破壞，在試樣表面出現(xiàn)多條貫穿的豎向裂紋，且呈現(xiàn)出明顯的鼓脹形態(tài)，兩端并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的局部壓剪破壞，這與常規(guī)三軸試驗(yàn)的破壞形態(tài)有明顯的不同。從破壞形態(tài)可知，巖體卸圍壓破壞主要是由于在三軸卸圍壓條件下巖樣發(fā)生明顯的擴(kuò)容，從而在巖體內(nèi)部產(chǎn)生多條貫通的拉裂隙所致。

對(duì)于裂隙灰?guī)r，巖體的破壞形態(tài)受裂隙傾角和裂隙面材料特性影響很大。試樣4-1在卸圍壓條件下主要是沿著裂隙面破壞，并伴有少量的穿裂隙面裂紋，并未像完整巖體一樣出現(xiàn)明顯的鼓脹形態(tài)；試樣4-2在卸圍壓條件下的破壞形式和完整巖體較為相似，在試樣表面形成多條貫穿的豎向裂紋，且呈現(xiàn)出明顯的鼓脹形態(tài)，說(shuō)明其卸荷破壞特征受裂隙面影響較小。

相對(duì)于加載破壞，卸圍壓破壞裂紋發(fā)展更為充分，經(jīng)常出現(xiàn)豎向貫穿裂紋，破壞更加突然，破壞時(shí)發(fā)出的聲響更清脆。加載和卸圍壓破壞時(shí)都有明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象，但卸圍壓破壞時(shí)的擴(kuò)容現(xiàn)象更為明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)裂隙灰?guī)r三軸加載和恒定偏應(yīng)力卸圍壓試驗(yàn)，對(duì)巖體加卸荷條件下的力學(xué)特性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)卸圍壓過(guò)程中，體應(yīng)變>徑向應(yīng)變>軸向應(yīng)變。初始圍壓和裂隙對(duì)灰?guī)r卸荷變形特性有一定的影響；隨著初始圍壓的增加，試樣的卸荷變形逐漸增大，裂隙對(duì)變形特性的影響比較復(fù)雜。

(2)等效彈性模量在卸圍壓條件下逐漸減小，等效泊松比逐漸增大；等效彈性模量和等效泊松比的變化速率隨著卸圍壓的進(jìn)行逐漸增大。

(3)加載試驗(yàn)破壞時(shí)的變形主要以軸向變形為主，而卸圍壓破壞的變形主要以徑向變形為主；卸圍壓時(shí)的等效彈性模量明顯小于加載時(shí)的彈性模量，而等效泊松比卻恰恰相反。

(4)卸圍壓條件下，裂隙灰?guī)r的破壞形態(tài)受裂隙傾角和裂隙面材料特性影響很大。大部分灰?guī)r的破壞形態(tài)為劈裂破壞，在試樣表面出現(xiàn)多條貫穿的豎向裂紋，且呈現(xiàn)出明顯的鼓脹形態(tài)；少部分沿著裂隙面破壞，并伴有少量的穿裂隙面裂紋。