大理岩岩体力学特性的水压－应力耦合试验研究

徐明明，徐 进，任浩楠，杨昊天，何雅琴

(四川大学 水利水电学院，成都 610065)

1 研究背景

天然岩体中存在着空隙(孔隙和裂隙)，当这些空隙中存在水流时，主要是裂隙中的静水压力和动水压力对岩体力学特性有重大影响。特别是一些大型水利水电工程建成蓄水后，岩体中的水压力和应力条件发生变化，必然引起岩体力学性质的改变，研究其变化规律，有利于工程的长期安全运营。

近年来，对于大理岩强度和变形特性的试验研究取得了很多成果［1－5］。徐松林等［1］对大理岩进行等围压三轴压缩和峰前、峰后卸围压试验，得到三轴压缩全过程和峰前、峰后全过程;杨圣奇等［2－3］对大理岩进行常规三轴试验，研究了大理岩的强度和变形特性;高春玉等［4－5］对大理岩进行了加卸载条件下的三轴试验，揭示了大理岩的加卸载力学特性。但是对于大理岩岩体的试验还非常少见。关于水对岩体的影响方面的研究也取得了一些相关成果［6－9］，尹健等［6］通过结构面抗剪强度试验，研究了水对结构面抗剪强度的弱化作用;阎岩等［7］采用渗流-流变耦合的试验方法，研究了不同应力及水压作用下石灰岩的流变力学特性;陈瑜等［8－9］开展了水－岩作用下裂隙岩体力学性质及渗流场与应力场耦合研究。但就水压与围压对岩体力学特性影响的研究，仅近几年有个别数字模拟研究成果［10－12］，还鲜有见到这方面的试验研究。

本文首先对大理岩通过三轴压缩试验制备岩体相似试件，然后进行水压-应力耦合三轴压缩试验研究，试验方法及试验数据整理均参照相关标准及规程［13－14］，并通过试验结果的比较、分析，期望揭示大理岩岩体在不同水压、不同围压条件下的强度、变形特性及其参数的变化规律与范围。

2 试验方案及试验条件

2.1 试件制备

采用现场采取的同岩性岩样制备6个试件，尺寸为∅50 mm×100 mm，为保证水能够在试件中的破裂网络中渗流，采用钻孔法在试件两端面各自钻一个钻孔，孔径5 mm，孔深80～90 mm。2个钻孔布置在通过中轴线的一个面上，2孔心间距为30 mm(图1)。其目的是使水通过进口端小孔进入试件，并通过试件中的裂隙网络流向出口小孔，以保证在岩体试件中形成渗流场。

2.2 试验设备

为保证试验的准确控制和精确测量，试验在四川大学MTS815 Flex Test GT岩石力学试验机上进行，该设备可进行水压-应力耦合三轴压缩全过程测试，围压最大可达140 MPa，水压最大可达140 MPa。

图1 试样制备示意图Fig.1 Sketch of preparing specimens

2.3 试验方案及方法

采用三轴压缩全过程试验，为研究围压效应，制备6 个试件分别采用 5，10，15，20，25，30 MPa 的围压;每个试件按1，2，3，4 MPa逐级升高水压。具体试验分下述4个阶段进行。

第一阶段:采用60～100 MPa围压三轴压缩全过程试验，(其试验程序按规程规定进行，此处不予赘述。)以模拟大理岩岩体的形成过程。

第二阶段:将围压逐渐降低到后续试验所需要的围压，然后按国标及规程要求的速率加载到即将屈服时转为侧向应变控制，至应力-应变曲线转平后结束，以获得天然状态下破裂岩体变形参数与强度参数。

第三阶段:保持围压与初始轴压，向岩体试件渗透水流进口端施加渗透水压1 MPa，出口端排气，待试件中空气完全排除后关闭出口阀门，并监测进、出口端水压差，直到水压差为零，此时岩体试件饱和完成。

第四阶段:按 1，2，3，4 MPa逐级升高水压，对每级水压下进行试验。试验过程先采用力控制(速率按规范要求)加载到应力差达到一定值后转为侧向应变控制，至轴向应力不随应变增加而变化时结束;再将应力差降低到初始轴压，水压升高到下一级后重复试验，直至水压4 MPa试验完成后结束全部试验，以获得水压作用下破裂岩体变形参数与强度参数。

3 试验结果及分析

3.1 强度特征

图2为在60 MPa围压下将大理岩完整岩块试件压裂后的状态，表1为大理岩岩体峰值强度试验结果。

表1 大理岩岩体峰值强度Table 1 Peak strengths of marble rock

从表1中可以看出，大理岩岩体试验结果具有如下2个特征:①各级围压的强度均以天然状态最高，并随水压的升高而逐步减小;②天然状态与各级水压条件下的强度又均随围压的升高而增大。

由这些结果可以获得大理岩岩体天然状态和每一级水压下的抗剪强度参数［14］如表2所列。试验成果整理过程中，分几个围压范围进行分析计算，以揭示强度参数与应力条件的关系，其中5～30是围压范围为5 MPa 至30 MPa(包括5，10，15，20，25，30 MPa)全部6级围压试验获得的强度参数;5～15是上述围压范围中的前3级围压(即5，10，15 MPa)试验获得的强度参数;并依此类推。

表2 大理岩岩体强度参数Table 2 Strength parameters of marble rock

3.1.1 强度参数的水压效应

由表2可以看出，裂隙水压力对大理岩岩体摩擦系数f有一定的影响，从天然状态到水压逐渐升高到4 MPa，f值降低了20%左右;因此可以认为，在裂隙水压力作用下，f值相对天然状态下会略有降低。内聚力C受空隙水压力的影响很大，从天然状态到水压逐渐升高到4 MPa，C值大体呈线性降低;当裂隙水压力达到4 MPa时，C值将有很大程度的降低。

3.1.2 强度参数的围压效应

由表2可以看出，围压对大理岩岩体强度参数f，C有一定的影响。随着围压的升高强度参数的变化虽具有一定的离散性，但其总体特征还是非常明显的，那就是摩擦系数f随着围压的升高而略有减小;内聚力C随着围压的升高而增大，且C值增大程度能达到2倍以上。

3.1.3 抗剪强度的水压、围压效应

由于大理岩岩体的抗剪强度是由上述强度参数f，C共同决定的，因此仍采用库仑定律将这2个参数在一定正应力(σ1=10 MPa)条件下求得抗剪强度 τs［15］，见表 3。

表3 大理岩岩体抗剪强度τs(σ1=10 MPa)Table 3 Shear strengths of marble rock τs(σ1=10 MPa)

为分析大理岩岩体抗剪强度τs随水压的变化规律，选取5～30 MPa范围围压求得的抗剪强度τs，作τs与水压的关系曲线如图3。

图3 抗剪强度τs与水压关系曲线(围压5～30 MPa)Fig.3 Relation between shear strength τsand water pressure(at confining pressure 5-30 MPa)

由图3可以看出，大理岩岩体抗剪强度τs随着水压的升高而基本呈线性降低，这与前面得出的结论f，C值随着水压的升高而降低相吻合;由表3可以看出随着围压的升高大理岩岩体抗剪强度τs的变化虽具有一定的离散性，但其总体特征还是随围压的升高而增大的。

3.2 变形特征

大理岩岩体水压-应力耦合三轴压缩试验结果整理后获得的变形参数［15］见表4。其中，E0为试件轴向应力峰值时的变形模量，E50为轴向应力50%峰值时的变形模量。

3.2.1 变形特性的水压效应

为揭示大理岩岩体变形模量E0，E50随水压的变化规律，选取围压为25 MPa时，大理岩岩体在各级水压条件下的变形模量E0与E50，以水压为横坐标，变形模量E为纵坐标，作变形模量E0，E50与水压的关系曲线如图4。

表4 大理岩岩体变形模量Table 4 Deformation moduli of marble rock

图4 变形模量与水压关系曲线(围压25 MPa)Fig.4 Relations between deformation modulus and water pressure(at confining pressure 25 MPa)

由表4及图4可以看出，大理岩岩体变形模量E0，E50存在水压条件下的测值高于天然状态的情况，但水压从1 MPa升高至4 MPa的过程中，总体上还是随水压升高而呈线性降低的，在4 MPa的最大水压条件下，E0，E50相对于天然状态分别会降低7.7%和5.9%。

3.2.2 变形参数的围压效应

为揭示大理岩岩体变形模量E0，E50随围压的变化规律，选取天然状态时，大理岩岩体在各级围压条件下的变形模量E0与E50，以围压σ3为横坐标，变形模量E为纵坐标，作变形模量E0，E50与围压的关系曲线如图5。

图5 变形模量与围压关系曲线(天然状态)Fig.5 Relations between deformation modulus and confining pressure(in natural state)

由表4及图5可以看出:随着围压的升高变形模量的变化虽具有一定的离散性，但总体上还是随着围压的升高而增大的，在最大围压30 MPa条件下，E0和E50相对于5 MPa围压分别增大了58%和50%。

4 结论

通过对大理岩岩体进行不同裂隙水压及不同围压的水压-应力耦合试验，可以获得如下主要结论:

(1)裂隙水压及围压对岩体的力学特性，包括强度特性与变形特性，均具有不可忽视的影响，应当引起工程，特别是高水头工程的充分重视。

(2)大理岩岩体摩擦系数f随水压的升高而略为降低，内聚力C随水压的升高而剧烈降低。水压从1 MPa升高至4 MPa的过程中，f值降低了20%左右，C值将大幅降低。

(3)大理岩岩体强度参数f随围压的升高而略有降低，强度参数C随围压的升高而增大，增大程度能达到2倍以上。

(4)大理岩岩体变形模量E0及E50随水压升高而减小，随围压升高而增大。在最大水压4 MPa条件下，相对于天然状态分别降低了7.7%和5.6%;在最大围压30 MPa条件下，相对于5 MPa围压分别增大了58%和50%。

(5)本次试验揭示了大理岩岩体力学性能及其参数的水压效应和围压效应，研究方法可供同类研究借鉴，其定量成果可供今后同类工程，特别是高水头重大工程进行类比和参数预测参考。

［1］徐松林，吴 文，王广印，等.大理岩等围压三轴压缩全过程研究Ⅰ:三轴压缩全过程和峰前、峰后卸围压全过程实验［J］.岩石力学与工程学报，2001，20(6):763 －767.(XU Song-lin，WU Wen，WANG Guang-yin，et al.Study on Complete Procedures of Marble under Triaxial CompressionⅠ:Testing Study on Complete Procedure of Triaxial Compression and the Processes of Unloading Confining at the Pre-peak and Post-peak［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20(6):763 －767.(in Chinese))

［2］杨圣奇，苏承东，徐卫亚.大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究［J］.岩土力学，2005，26(3):475 －478.(YANG Sheng-qi，SU Cheng-dong，XU Weiya.Experimental Investigation on Strength and Deformation Properties of Marble under Conventional Triaxial Compression［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26(3):475 －478.(in Chinese))

［3］张爱辉，徐 进，庞希斌，等.围压对大理岩力学特性影响的试验研究［J］.西南民族大学学报·自然科学版，2008，34(5):1257 － 1260.(ZHANG Ai-hui，XU Jin，PANG Xi-bin，et al.Experimental Study of Mechanical Performance of Marble under Confining Pressure［J］.Journal of Southwest University for Nationalities，Natural Science Edition，2008，34(5):1257 － 1260.(in Chinese))

［4］高春玉，徐 进，何 鹏，等.大理岩加卸载力学特性的研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(3):456－460.(GAO Chun-yu，XU Jin，HE Peng，et al.Study on Mechanical Properties of Marble under Loading and Unloading Conditions［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(3):456-460.(in Chinese))

［5］裴建良，刘建锋，徐 进.层状大理岩卸荷力学特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(12):2496－2502.(PEI Jian-liang，LIU Jian-feng，XU Jin.Experimental Study of Mechanical Properties of Layered Marble under Unloading Condition［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(12):2496 － 2502.(in Chinese))

［6］尹 健，吉廷宏.水对岩体结构面抗剪强度弱化作用分析［J］.山西建筑，2009，35(5):115 －116.(YIN Yian， JI Ting-hong. The Analysis of the Shearing Strength’s Weakening Action of Water on the Rock’s Structure［J］.Shanxi Architecture，2009，35(5):115 －116.(in Chinese))

［7］阎 岩，王恩至，王思敬，等.岩石渗流 －流变耦合的试验研究［J］.岩土力学，2010，31(7):2095 －2103.(YAN Yan，WANG En-zhi，WANG Si-jing，et al.Study of Seepage-Rheology Coupling Experiment of Rocks［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(7):2095 －2103.(in Chinese))

［8］陈 瑜.水－岩作用下裂隙岩体力学性质及应力场－渗流场耦合分析［D］长沙:中南大学，2010.(CHEN Yu.Study on Fracture Rock Mechanical Properties under Water-Rock Interaction and Analysis on Coupling of Stress Field and Seepage Field［D］.Changsha:Central South University，2010.(in Chinese))

［9］刘洪磊.岩石破坏渗流机理的实验及数值模拟研究［D］.辽宁:东北大学，2008.(LIU Hong-lei.Experimental and Numerical Study on Seepage Mechanism of Rock Failure［D］.Liaoning:Northeast University，2008.(in Chinese))

［10］曹建玲，石耀霖.河道型水库蓄水诱发地震的数值模拟［J］.中国科学院研究生院学报，2011，28(1):19－26.(CAO Jian-ling，SHI Yao-lin.Numerical Study on Channel Reservoir Induced Earthquake［J］.Journal of Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，2011，28(1):19 －26.(in Chinese))

［11］吴建超，陈蜀俊，陈俊华.三峡水库蓄水后全位移场变化的数值模拟［J］.大地测量与地球动力学，2009，29(6):52 － 59.(WU Jian-chao，CHEN Shu-jun，CHEN Jun-hua.Numerical Simulation of Total Displacement Field Change after Impoundment of Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29(6):52 －59.(in Chinese))

［12］陈蜀俊，姚运生，曾佐勋，等.三峡库首区蓄水前后构造应力场三维数值模拟研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(2):5611 － 5618.(CHEN Shu-jun，YAO Yun-sheng，ZENG Zuo-xun，et al.Study on Numerical Simulation of Tectonic Stress Field Before and After Reservoir Impounding in the Head Area of the Three Gorges［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(2):5611 －5618.(in Chinese))

［13］GB/T50266—99，工程岩体试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，1999.(GB/T50266—99，Standard for Test Method of Engineering Rock Masses［S］.Beijing:China Planning Press，1999.(in Chinese))

［14］SL264—2001，水利水电工程岩石试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.(SL264—2001，Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering［S］.Beijing:China Water Power Press，2001.(in Chinese))

［15］徐志英.岩石力学(第三版)［M］.北京:中国水利水电出版社，1993.(XU Zhi-ying .Rock Mechanics(Third E-dition)［M］.Beijing:China Water Power Press，1993.(in Chinese))