孔壓影響下壩基開(kāi)挖巖體卸荷力學(xué)特性試驗(yàn)研究

楊 沖，陳興周，黃 堅(jiān)，陳莉麗，王 旭，江 海

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

重力壩在防洪、發(fā)電等方面發(fā)揮著重要作用，既可減小下游洪澇災(zāi)害的頻發(fā)，也能保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境，還可通過(guò)蓄水發(fā)電產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。重力壩澆筑前往往存在大范圍壩基開(kāi)挖處置環(huán)節(jié)，大體量開(kāi)挖活動(dòng)不僅打破了原巖相對(duì)穩(wěn)定的受力狀態(tài)，也必然誘發(fā)原巖應(yīng)力產(chǎn)生不均勻釋放，進(jìn)而造成壩基開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)巖體發(fā)生卸荷松弛變形。由于卸荷變形具有較強(qiáng)的時(shí)效性，在重力壩正常運(yùn)行期間，庫(kù)區(qū)滲透水以松弛變形衍生的裂隙為主要滲透通道，所形成的巨大滲透水壓力加劇了壩基巖體結(jié)構(gòu)劣化，進(jìn)而可能影響到重力壩自身及壩基防滲體系的安全運(yùn)行。因此，開(kāi)展孔壓影響下壩基開(kāi)挖巖體卸荷力學(xué)特性方面的試驗(yàn)研究，可為重力壩工程設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供理論參考。

有關(guān)孔壓滲透影響下開(kāi)挖巖體卸荷力學(xué)特性的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究。梁寧慧等[1]在巖體卸荷滲流特性的試驗(yàn)中分析了不同卸荷量與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，表明影響巖石失穩(wěn)破壞的主要外界因素為地下水及其在巖體中的滲流。鄧華鋒等[2]開(kāi)展了不同圍壓和不同孔隙水壓力下砂巖三軸卸荷試驗(yàn)，著重分析不同量級(jí)的孔隙水壓力介入對(duì)砂巖的卸荷強(qiáng)度及變形參數(shù)的影響，研究表明即使較小的孔隙水壓力作用對(duì)巖石的力學(xué)特性依然影響明顯，對(duì)卸荷階段的變形、強(qiáng)度特性影響尤為明顯。劉先珊等[3]以裂隙巖體為對(duì)象開(kāi)展了考慮卸荷作用下的滲流-應(yīng)力耦合分析，研究結(jié)果表明考慮卸荷與滲流后，巖體的滲透系數(shù)、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)均有較大的改變。李志敬等[4]以錦屏二級(jí)水電站引水隧洞的砂巖為試驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)展高水壓條件下的卸荷力學(xué)特性試驗(yàn)研究，得出砂巖在高水壓力的作用下減小了試件裂隙結(jié)構(gòu)面上的有效應(yīng)力，加快了試件裂隙面延展的速度，從而導(dǎo)致了試件的強(qiáng)度降低。王俊光等[5]通過(guò)對(duì)滲透動(dòng)水壓力作用下裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合分析，得到了在裂隙水壓力作用下巖石強(qiáng)度的變化有著較明顯的影響，巖石強(qiáng)度隨著裂隙水壓力的增大而降低的結(jié)論。陳秀銅等[6]以某深埋隧洞的砂巖為對(duì)象，開(kāi)展高水壓條件下的三軸卸荷試驗(yàn)，得到砂巖在高水壓作用下卸荷破壞后強(qiáng)度與變形參數(shù)下降較顯著。此外，既有成果表明，滲壓介入后，開(kāi)挖卸荷巖體的強(qiáng)度與變形參數(shù)出現(xiàn)了大幅度降低，表明滲壓作用可加劇巖石強(qiáng)度衰減[7-9]。

本文以某重力壩壩基黃砂巖為對(duì)象，依托多場(chǎng)耦合三軸流變?cè)囼?yàn)儀器，進(jìn)行開(kāi)挖卸荷作用及孔壓滲透影響下的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)；借鑒巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)觀點(diǎn)，開(kāi)展模擬原巖賦存應(yīng)力環(huán)境的預(yù)加載試驗(yàn)；采取恒軸壓卸圍壓的應(yīng)力路徑，開(kāi)展孔壓作用下砂巖試樣的分級(jí)卸荷試驗(yàn)；從凸顯開(kāi)挖速率影響開(kāi)挖巖體卸荷變形入手，分析巖樣在不同卸荷速率條件下，發(fā)生卸荷破壞時(shí)的圍壓值、偏應(yīng)力值及彈性模量的變化規(guī)律；從試樣宏觀破裂面特征變化規(guī)律入手，分析孔壓滲透影響對(duì)試樣卸荷破壞產(chǎn)生的影響，以期為重力壩工程設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用巖樣取自某重力壩壩基開(kāi)挖黃砂巖，對(duì)巖樣進(jìn)行切割加工處理，參照GB/T 5026-2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》試驗(yàn)規(guī)范要求，統(tǒng)一加工成直徑50 mm、高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣的直徑與高度誤差范圍小于0.3 mm。加工完成后進(jìn)行篩選，將外觀上有缺陷和層理、直徑和高度誤差范圍不滿足規(guī)范的剔除。篩選完成后測(cè)定試樣真空飽和狀態(tài)下的物理參數(shù)指標(biāo)，根據(jù)物理參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分組，剔除參數(shù)離散性比較大的試樣，選擇物理參數(shù)相近的試樣。試樣真空飽和過(guò)程如圖1所示。

圖1 試樣真空飽和過(guò)程圖

結(jié)合試驗(yàn)內(nèi)容，共篩選10個(gè)試樣，選取3個(gè)進(jìn)行常規(guī)壓縮試驗(yàn)，3個(gè)進(jìn)行黃砂巖最大圍壓測(cè)試試驗(yàn)，4個(gè)進(jìn)行孔壓影響下分級(jí)卸荷試驗(yàn)。試樣真空飽和狀態(tài)下物理參數(shù)指標(biāo)如表1所示，篩選的試樣如圖2所示。

圖2 篩選的試樣圖

表1 真空飽和狀態(tài)下試樣物理參數(shù)指標(biāo)表

試驗(yàn)依托多場(chǎng)耦合三軸流變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行，由軸壓、圍壓、孔壓3項(xiàng)伺服系統(tǒng)組成，具備高精度、功能齊全、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。儀器可進(jìn)行溫度-應(yīng)力-滲流-化學(xué)多場(chǎng)耦合條件下的巖石三軸流變?cè)囼?yàn)及巖石常規(guī)壓縮力學(xué)試驗(yàn)，可同步實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力、滲流環(huán)境準(zhǔn)確模擬，多場(chǎng)耦合三軸流變系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 THMC多場(chǎng)耦合三軸流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)圖

1.2 室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)

開(kāi)展同組試樣所能承受最大圍壓值的預(yù)加載分析，確定最大圍壓值。具體過(guò)程為：同步施加圍壓和軸壓至靜水壓力，觀察環(huán)向變形的數(shù)值變化，當(dāng)環(huán)向變形數(shù)值減小，說(shuō)明試樣發(fā)生體積縮小現(xiàn)象，以此時(shí)試樣發(fā)生體積縮小為臨界點(diǎn)的校核方式，確定同組試樣最大圍壓值為18 MPa。

從制備好的試樣中選取1組經(jīng)過(guò)真空飽水處理后進(jìn)行單軸與三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到試樣的單軸、三軸抗壓強(qiáng)度分別為68、155 MPa。三軸抗壓強(qiáng)度、最大圍壓值可作為考慮分級(jí)卸荷軸向與環(huán)向應(yīng)力水平選取的參考依據(jù)，常規(guī)壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 常規(guī)壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

1.3 考慮孔壓的分級(jí)卸荷試驗(yàn)方案

(1) 軸壓、圍壓均采用壓力控制方式，以0.5 MPa/min加載速率，同步加載軸壓、圍壓至靜水壓力階段。

(2) 靜水壓力階段結(jié)束后，從試樣的底端施加孔壓至0.5 MPa，后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中保持孔壓值恒定。

(3) 接著施加軸壓至試樣破壞前的某一應(yīng)力狀態(tài)，取圍壓18 MPa下三軸抗壓強(qiáng)度峰值的70%左右，值為110 MPa。

(4) 保持軸壓恒定，分5級(jí)卸載圍壓，圍壓每級(jí)卸載3.5 MPa。卸荷速率按照0.6、0.4、0.2、0.1 MPa/min進(jìn)行，每卸荷一級(jí)完成后靜置30 min，然后開(kāi)始下一級(jí)卸荷，卸荷至試樣發(fā)生破壞結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1) 如圖5所示，不同卸荷速率條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體變化規(guī)律一致。在恒圍壓升軸壓的加載階段，隨著主應(yīng)力差值增加，軸向與環(huán)向應(yīng)變曲線呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但軸向較環(huán)向應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)更明顯，軸向應(yīng)變值要大于環(huán)向應(yīng)變值，而軸向與體積應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)較一致，軸向與體積應(yīng)變值大致相等。由于試樣受到環(huán)向約束力作用，環(huán)向應(yīng)變值保持穩(wěn)定，基本上無(wú)波動(dòng)，軸向受到主應(yīng)力差值在最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生壓縮變形現(xiàn)象。

圖5 不同卸荷速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

(2) 卸荷階段環(huán)向應(yīng)變曲線在卸荷起始點(diǎn)處出現(xiàn)拐點(diǎn)，接著呈非線性增長(zhǎng)變化趨勢(shì)，卸荷速率越快，環(huán)向應(yīng)變曲線增長(zhǎng)速率越顯著，曲線斜率越大。引起這種變化規(guī)律的原因是由于圍壓值突然減小，環(huán)向約束力瞬間變小，進(jìn)而主應(yīng)力差值瞬間增加，環(huán)向發(fā)生非線性體積膨脹現(xiàn)象，軸向較環(huán)向應(yīng)變曲線無(wú)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，環(huán)向應(yīng)變值大于軸向應(yīng)變值。卸荷階段至末期，主應(yīng)力差值增加速率減緩，而環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率變化迅速，體積應(yīng)變達(dá)到最大值，試樣瞬間失去承載能力而發(fā)生脆性破壞。

2.2 分級(jí)卸荷過(guò)程試樣體積變化特征

(1) 分級(jí)卸荷體積應(yīng)變曲線見(jiàn)圖6，單獨(dú)截取卸荷階段體積應(yīng)變曲線，分析不同卸荷速率條件對(duì)體積應(yīng)變的影響。分級(jí)卸荷體積應(yīng)變曲線總體增長(zhǎng)趨勢(shì)是一致的，呈現(xiàn)出臺(tái)階狀增長(zhǎng)趨勢(shì)。卸荷階段由于環(huán)向約束力瞬間減小，進(jìn)而主應(yīng)力差值瞬間增大，試樣環(huán)向有非線性體積擴(kuò)容現(xiàn)象，圖中體積應(yīng)變曲線有明顯拐點(diǎn)，隨著主應(yīng)力差值增加，體積應(yīng)變曲線呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)圍壓卸載完成后靜置30 min，此階段體積應(yīng)變曲線變化速率較卸荷階段有所減小。

圖6 分級(jí)卸荷體積應(yīng)變曲線圖

(2) 以卸荷起始點(diǎn)為原點(diǎn)，卸荷結(jié)束為終點(diǎn)。卸荷速率越快，兩點(diǎn)間連線的斜率越大。通過(guò)對(duì)比，0.1 MPa/min卸荷速率的斜率最小，0.2與0.4 MPa/min的卸荷速率的斜率接近，0.6 MPa/min卸荷速率的斜率最大。卸荷速率越快，試樣內(nèi)部裂紋來(lái)不及發(fā)生延展，體積擴(kuò)容現(xiàn)象不明顯，體積應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)不顯著。卸荷速率越慢，試樣內(nèi)部裂紋有時(shí)間去發(fā)育，進(jìn)而延展形成裂隙，體積擴(kuò)容現(xiàn)象顯著。因此，開(kāi)挖速度及開(kāi)挖方式是巖體破壞的重要影響因素。

2.3 卸荷強(qiáng)度特征

圖7為不同卸荷速率與卸荷破壞時(shí)強(qiáng)度值之間的關(guān)系圖。

(1) 如圖7(a)所示，卸荷階段隨著卸荷速率增加，試樣卸荷破壞時(shí)的圍壓值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，破壞時(shí)所需的主應(yīng)力差值隨之增加。

(2) 如圖7(b)所示，卸荷速率從0.1 MPa/min增加至0.6 MPa/min，試樣破壞的主應(yīng)力差值分別為104、106.8、107、107.5 MPa，0.6 MPa/min卸荷速率較0.1 MPa/min卸荷速率破壞時(shí)的主應(yīng)力差值提高了3.5 MPa。因此，隨著卸荷速率增加，試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差值越大，峰值強(qiáng)度有所提高。

圖7 卸荷速率與卸荷破壞強(qiáng)度值關(guān)系圖

(3) 卸荷速率越快，試樣從卸荷起始至發(fā)生破壞所需的時(shí)間越短，這與實(shí)際開(kāi)挖活動(dòng)相符合。在壩基開(kāi)挖工程中，開(kāi)挖速率越快巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)的主應(yīng)力差值越大，開(kāi)挖卸荷誘使原巖內(nèi)部釋放的應(yīng)力幅值也越大，尤其是高地應(yīng)力地區(qū)壩基的開(kāi)挖活動(dòng)，開(kāi)挖速率越快，導(dǎo)致原巖應(yīng)力不均勻釋放誘發(fā)巖爆等現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 卸荷變形特征

圖8為卸荷速率與彈性模量的關(guān)系圖?？梢缘贸觯弘S著卸荷速率增加，試樣卸荷破壞時(shí)彈性模量呈減小趨勢(shì)。卸荷速率從0.1 MPa/min增加至0.6 MPa/min，對(duì)應(yīng)彈性模量值分別為4.8、4.1 、3.7、3.4 GPa。初始圍壓值相同，隨著卸荷速率增加，試樣發(fā)生破壞得到的彈性模量值越小。卸荷速率從0.1～0.6 MPa/min的，彈性模量值分別降低0.7、0.4、0.3 GPa。這種變化規(guī)律與有關(guān)文獻(xiàn)[10]所得規(guī)律一致，即在同一圍壓條件下，卸荷速率越快，試樣破壞時(shí)彈性模量值越小。

圖8 卸荷速率與彈性模量關(guān)系圖

2.5 孔壓滲透影響下試樣破壞特征

(1) 如圖9、10所示，3號(hào)試樣是常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)破壞后所得，4～7號(hào)試樣是孔壓影響下不同卸荷速率0.6、0.4、0.2、0.1 MPa/min卸荷破壞后所得。通過(guò)試樣破裂面特征對(duì)比，試樣在卸荷條件下脆性破壞特征顯著，結(jié)果表明加載與卸荷兩種應(yīng)力狀態(tài)對(duì)試樣造成的破壞形式存在著明顯差異，開(kāi)挖卸荷誘使應(yīng)力釋放的量級(jí)更高，試樣在卸荷條件下發(fā)生強(qiáng)烈的脆性破壞，破壞時(shí)伴有強(qiáng)烈的脆響聲。

圖9 卸荷速率與滲透量關(guān)系圖

圖10 加載后試樣破裂面特征對(duì)比圖

(2) 如圖9、10所示，試樣底端是孔壓滲透施加的進(jìn)水端，通過(guò)對(duì)卸荷階段試樣內(nèi)部的滲透量大小及破裂面變化特征進(jìn)行對(duì)比。卸荷速率越快，進(jìn)入試樣內(nèi)部的滲透水量越多，裂隙數(shù)目越多，破壞程度越高，脆性破壞特征更加顯著[11]。由于水是不可壓縮液體，在孔壓滲透作用下水瞬間充滿裂紋通道，隨著分級(jí)卸荷，在主應(yīng)力差值與孔壓滲透作用下，裂紋開(kāi)度逐漸延展、貫通形成不同角度的裂隙，裂隙的數(shù)量也在逐漸增加，裂隙傾角分別呈現(xiàn)出90°、75°、60°、45°的變化規(guī)律，4號(hào)試樣中間裂隙呈現(xiàn)90°傾角貫穿上下平面，且左側(cè)裂隙與中間裂隙呈“V”型狀。

3 結(jié) 論

(1) 軸壓加載階段，隨著主應(yīng)力差值的增大，試樣沿著最大主應(yīng)力方向發(fā)生體積壓縮，內(nèi)部原有孔隙結(jié)構(gòu)被逐漸壓密閉合，體積應(yīng)變受軸向應(yīng)變主導(dǎo)。卸荷階段，隨著圍壓值卸載，試樣側(cè)向約束力減小，進(jìn)而主應(yīng)力差瞬間增大，環(huán)向發(fā)生體積擴(kuò)容現(xiàn)象，隨著分級(jí)卸荷，試樣失去承載能力發(fā)生破壞。

(2) 卸荷速率是造成試樣發(fā)生變形及破壞的重要因素，不同卸荷速率條件下試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差值、圍壓值及彈性模量都有較為顯著的影響。卸荷速率越快，試樣越容易發(fā)生破壞且達(dá)到破壞時(shí)所需的時(shí)間越短，發(fā)生破壞時(shí)的主應(yīng)力差值越大，而圍壓值與彈性模量值越小。因此，在壩基開(kāi)挖過(guò)程中要綜合考慮開(kāi)挖速度及開(kāi)挖方式。

(3) 庫(kù)水滲透是造成壩基巖體失穩(wěn)的重要因素，通過(guò)開(kāi)展孔壓滲透影響下砂巖分級(jí)卸荷試驗(yàn)，結(jié)果表明試樣在卸荷階段，由于內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋為孔壓滲透發(fā)揮提供結(jié)構(gòu)性的條件，孔壓滲透作用間接引起試樣側(cè)向約束力減小，進(jìn)而主應(yīng)力差值增加，并且降低了裂紋面上的有效應(yīng)力，誘使裂紋迅速延展、貫通形成多條宏觀裂隙，脆性破壞特征較為顯著。因此，孔壓滲透加速了試樣卸荷破壞進(jìn)度，且卸荷速率越大產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)越明顯。