石 卉

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

水庫是調配水資源的重要基礎設施,在運營過程中,其巖土體會受到不同程度的循環(huán)荷載作用,比如地質構造運動、地震作用、水庫水位升降等,影響著庫區(qū)邊坡的長期穩(wěn)定性[1]。由于花崗巖巖體的力學強度較大,但存在著不同尺度的裂隙、裂紋和結構面,在復雜的地下應力狀態(tài)時,其變形和力學破壞規(guī)律表現為明顯的時變性,解釋其疲勞荷載下的力學行為顯得尤為重要,有助于建立花崗巖巖體的本構關系,對于工程設計、施工安全和運營加固都具有十分重要的意義[2-4]。

1 工程背景

1.1 工程概況

某擬建水庫位于“V”型山谷內,水庫主要建筑物有攔河壩、溢洪道及導流輸水隧洞,是一座以灌溉為主,兼顧人畜飲水的小(一)型水利工程。區(qū)內地貌在形成過程中,構造作用居主導地位,山脈走向與主干河流走向主要受北西向構造制約,呈近北西向展布。而支流多受北東及近南北向構造和巖性的控制。根據地貌成因,可分為侵蝕構造中山地貌和侵蝕堆積河谷階地地貌兩類地貌[5]。侵蝕構造中山地貌為淺切割中山、斜坡和陡坡地貌,測區(qū)內廣泛分布,其中山麓為斜坡、陡坡地貌,山坡和谷坡為斜坡、陡坡,山頂地形較緩,多已被侵蝕成平緩坡地。

1.2 工程地質條件

壩址區(qū)工程地質花崗巖屬于硬脆性材料,主要為中酸性侵入花崗巖,具有花崗結構、半自形中粒粗狀結構、塊狀構造,巖體成分主要石英(無色,含量25.3%)、斜長石(無色,含量60.1%)、黑云母(棕褐色,含量5%)、角閃石(褐綠色,含量8.5%)、綠泥石(黃綠色,含量1.1%)。對場區(qū)花崗巖進行取樣試驗,得到其物理力學指標參數如表1所示。

表1 壩址區(qū)域巖土室內試驗物理力學指標參數

表2 不同加載工況條件下單軸循環(huán)荷載和三軸循環(huán)荷載花崗巖強度和變形測試結果對比

2 材料與方法

在為了研究花崗巖在循環(huán)荷載作用下的變形和強度變化規(guī)律,在現場通過小擾動的取樣方案,獲取弱風化花崗巖的圓柱狀試驗,試驗高度為150 mm,直徑為75 mm[6-8]。試驗采用中國科學研究院生產的巖石RMT-159C型壓縮儀,該儀器可以實現對巖體單軸循環(huán)加載和三軸循環(huán)加載,軸向壓力最大可以達到2 000 kN,軸向位移可以最大測試200 mm,三軸循環(huán)加載時圍壓可以加到最大為15 MPa。

本研究采用單軸循環(huán)加載試驗和三軸循環(huán)加載試驗對比的方法,對花崗巖的應力應變過程和力學參數、變形參數進行分析。按照循環(huán)加載的上限應力σmax和循環(huán)加載的下限應力σmin,將加載循環(huán)分為n次[9-10]。在單軸循環(huán)加載時,圍壓設置為0,并設置3中不同的工況進行對比,工況A:在第1個循環(huán)荷載時,先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=5 MPa,隨后第2個循環(huán)荷載加載到σmin,2=35 MPa,在第3個循環(huán)荷載加載到σmin,2=50 MPa,隨后的第4,……,n個循環(huán)荷載的加載增量為15 MPa;工況B:在第1個循環(huán)荷載時,先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=5 MPa,隨后第2個循環(huán)荷載加載到σmin,2=30 MPa,在第3個循環(huán)荷載加載到σmin,2=45 MPa,隨后的第4,……,n個循環(huán)荷載的加載增量為15 MPa;工況C:在第1個循環(huán)荷載時,先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=5 MPa,隨后第2個循環(huán)荷載加載到σmin,2=30 MPa,在第3個循環(huán)荷載加載到σmin,2=50 MPa,隨后的第4,……,n個循環(huán)荷載的加載增量為15 MPa。

在三軸循環(huán)加載時,圍壓設置為15 MPa,并設置3中不同的工況進行對比,工況D:在第1個循環(huán)荷載時,先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=15 MPa,隨后第2個循環(huán)荷載加載到σmin,2=150 MPa,在第3個循環(huán)荷載加載到σmin,2=200 MPa,隨后的第4,……,n個循環(huán)荷載的加載增量為30 MPa;工況E:在第1個循環(huán)荷載時,先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=15 MPa,隨后第2個循環(huán)荷載加載到σmin,2=170 MPa,在第3個循環(huán)荷載加載到σmin,2=200 MPa,隨后的第4,……,n個循環(huán)荷載的加載增量為30 MPa;工況F:在第1個循環(huán)荷載時,先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=5 MPa,隨后第2個循環(huán)荷載加載到σmin,2=140 MPa,在第3個循環(huán)荷載加載到σmin,2=170 MPa,隨后的第4,……,n個循環(huán)荷載的加載增量為30 MPa。

3 結果與分析

圖1～圖3為單軸循環(huán)荷載下工況A、工況B和工況C的花崗巖應力應變曲線。從圖中可以看出,3種不同加載工況的應力應變曲線變化規(guī)律較為一致,大致可以分為2個階段,在峰值強度前的非線性增加階段和峰值強度后者迅速減小階段。在荷載加載初期,由于花崗巖內部存在各種各樣的微小裂隙和微小節(jié)理,因此受到壓力作用后被壓緊、閉合,導致其塑性應變明顯大于加載后期在同一應力增量條件下的塑性應變。3種不同的加載方式并沒有改變峰值強度前的應力應變曲線關系,總體表現為單調上升的趨勢;而在峰值強度后不同加載方式改變了其應力應變曲線,在工況A條件下,應力應變曲線表現為單調下降,表現為明顯的應變軟化特征,而在工況B條件下,應力應變曲線出現了一定程度的應力平臺,表現為應力軟化特征減弱,在工況C條件下,應力應變曲線甚至出現了一定程度的升高,表明循環(huán)荷載作用使得花崗巖的力學性質造成了一定的劣化,循環(huán)荷載使得花崗巖原生的微小裂隙、微小節(jié)理得以擴張、貫通和發(fā)育,切割了巖塊的整體完整性,花崗巖試驗的承載力得到大幅度的降低,在持續(xù)的循環(huán)加載過程中,裂隙之間的黏聚力喪失,荷載的抵抗主要由裂隙之間的巖塊表面摩擦力提供,并且摩擦力在不斷地適應和調整應力狀態(tài),以適應新的外力條件,達到新的平衡后可以繼續(xù)承載,表現為存在一定的殘余強度(曲線出現應力平臺和微弱上升)。由常規(guī)的單軸抗壓強度試驗可知,花崗巖的應力應變曲線在峰值強度后表現為明顯的脆性斷裂破壞,在極短的時間內失去承載力,應力斷崖式下跌,而經過單軸循環(huán)荷載試驗的花崗巖則表現為明顯的應變軟化現象,峰值強度過后試件仍具有一定的承載力和變形能力。

圖1 工況A單軸循環(huán)荷載作用下花崗巖應力應變曲線

圖3 工況C單軸循環(huán)荷載作用下花崗巖應力應變曲線

圖5 工況E三軸循環(huán)荷載作用下花崗巖應力應變曲線

圖4～圖6為三軸循環(huán)荷載下工況D、工況E和工況F的花崗巖應力應變曲線。從圖中可以看出,與單軸循環(huán)荷載作用下的應力應變一致,3種不同三軸循環(huán)荷載加載工況的應力應變曲線變化規(guī)律較為一致,大致可以分為2個階段,在峰值強度前的非線性增加階段和峰值強度后迅速減小階段。在峰值強度前,應力應變曲線表現為非線性單調增加,而在峰值強度后這表現為曲線下降,并出現的殘余應力。

對工況A～工況F的試驗結果進行統(tǒng)計,結果表1所示。從表1中可以看出,在單軸循環(huán)加載時,按照工況A、工況B和工況C的順序,花崗巖的峰值強度不斷減小,減小幅度范圍為7.95%～18.01%,而按工況B、工況A和工況C的順序,總應變、泊松比和彈性模量與峰值應變不斷增加,峰值應變的增加幅度為14.57%～29.53%,由此表明,在前幾次的循環(huán)荷載加載方式可以明顯改變花崗巖的強度和變形特征;三軸循環(huán)加載時,按照工況D、工況E和工況F的順序,峰值強度、峰值應變、總應變、泊松比和彈性模量均不斷減小,峰值強度的減小幅度為11.08%～32.55%,而峰值應變的減小幅度為24.64%～41.65%,由此表明,在前幾次的循環(huán)荷載加載方式可以明顯改變花崗巖的強度和變形特征,加載增量越大,峰值強度和峰值應變的減小幅度也越大。相比于單軸循環(huán)荷載試驗,三軸循環(huán)荷載試驗得到的峰值強度和峰值應變顯著增加,增加約3.0倍,表明圍壓可以明顯增加巖體的抗變形和抗剪切破壞的能力,且三軸循環(huán)荷載試驗的強度和變形受前幾次循環(huán)荷載的加載方式影響更為顯著。

4 結語

以某水庫為研究對象,運用室內試驗的方法,對場區(qū)弱風化花崗巖進行單軸循環(huán)荷載試驗和三軸循環(huán)荷載試驗,研究其應力、應變變化規(guī)律,得到以下結論:

(1)單軸循環(huán)荷載試驗和三軸循環(huán)荷載試驗的應力應變曲線變化規(guī)律較為一致,均可分為2個變形階段,即應變在峰值強度前的非線性增加階段和峰值強度后者迅速減小階段;

(2)常規(guī)單軸抗壓強度試驗得到花崗巖的應力應變曲線為在峰值強度后表現為明顯的脆性斷裂破壞,在極短的時間內失去承載力,應力斷崖式下跌,而經過單軸循環(huán)荷載試驗的花崗巖則表現為明顯的應變軟化現象,峰值強度過后試件仍具有一定的承載力和變形能力。

(3)前幾次的循環(huán)荷載加載方式可以明顯改變花崗巖的強度和變形特征,相比于單軸循環(huán)荷載試驗,三軸循環(huán)荷載試驗得到的峰值強度和峰值應變增加約3.0倍,表明圍壓可以明顯增加巖體的抗變形和抗剪切破壞的能力,且三軸循環(huán)荷載試驗的強度和變形受前幾次循環(huán)荷載的加載方式影響更為顯著。