河口村水库坝肩灰岩力学特性试验研究

2016-10-24刘海宁张亚峰

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2016年1期

关键词：卸荷灰岩力学

刘海宁，张亚峰

(1.华北水利水电大学,河南郑州 450045; 2.盾构及掘进技术国家重点实验室,河南郑州 450001)

河口村水库坝肩灰岩力学特性试验研究

刘海宁1,2，张亚峰1

(1.华北水利水电大学,河南郑州 450045; 2.盾构及掘进技术国家重点实验室,河南郑州 450001)

从河口村水库坝肩取样制备完整的和含裂隙的灰岩试样，利用TAW-2000岩石三轴仪对制备的岩样进行不同围压下的岩石三轴压缩试验，得到了完整和裂隙灰岩在不同围压下的应力-应变曲线及其变形、强度和破裂特性规律。试验中，裂隙面与最大主应力夹角为0°～80°，围压为5～15 MPa。试验结果表明：完整灰岩的峰值强度和变形模量随围压的增大而增大，并且呈线性关系；裂隙灰岩在三轴压缩下有两种破坏形态，分别为穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移破坏；裂隙灰岩的强度和变形特性及破坏特征受裂隙面倾角θ的影响很大,当θ> 60°时，沿裂隙面滑移破坏，当θ≤ 60°时，穿裂隙面破坏；其中穿裂隙面破坏的灰岩与完整灰岩均为岩体材料的破坏，并且与完整灰岩的破坏形态和强度变形特征相似。

三轴压缩试验；应力-应变曲线；完整灰岩；裂隙灰岩；破裂特征

岩体在长期的地质作用下所生成的不同类型的节理、裂隙及软弱界面，使岩体成为不连续、非均匀、各向异性的介质体[1]。岩体的破坏机制、强度和变形特性在很大程度上受这些不连续面的规模、密度及空间分布特性的影响。无论在加载或者卸荷条件下，节理和裂隙的形态分布等对于岩体强度和变形的影响都很大，因此对于裂隙岩体在加、卸荷状态下力学特性的研究具有十分重要的意义。

李建林等[2-3]对高边坡节理岩体卸荷非线性力学特性进行了试验研究，指出岩体卸荷时，结构面方向对卸荷特性有直接的影响，不同的结构面夹角对卸荷应力-应变关系也有直接的影响。李宏哲等[4-9]开展了含节理岩石试件的变形特性试验，对试验后的岩样破坏特征、强度和变形特性进行了分析。肖桃李等[10]、路亚妮等[11]通过预制特定倾角和特定尺寸的单裂隙，进行不同围压下的三轴压缩试验，指出三轴压缩条件下试样的破裂模式有3种，即拉剪复合破坏、“X”型的剪切破坏和沿裂隙面的剪切破坏。

河口村水库库区位于沁河中游太行山峡谷段的南端，坝址位于太行山背斜的轴部、盘古寺断层的上升盘，含有多条断裂构造带[12]。由于受到地质构造作用和岩溶等自然风化的影响，基岩中形成了各种产状的节理和裂隙。本文所用试样取自河口村水库坝肩，主要通过室内试验手段对完整和裂隙岩体的力学特性进行不同围压下的三轴加载试验对比研究，分析三轴压缩条件下完整灰岩与裂隙灰岩的变形、强度、破坏特征和影响因素。

1　试验方案

1.1试样制备

本试验岩芯取自河口村水库坝肩岩体，均为天然状态下微风化灰岩。采用切割机将岩心制成高度为110 mm的岩样，并用专业的磨样机将试样两端磨平。

根据《水利水电工程岩石试验规程》《工程岩体试验方法标准》，试件尺寸为50 mm×110 mm，岩样直径的误差不超过0.3 mm，端面不平行度误差不超过0.05 mm，端面与试件轴线间最大偏差均不大于0.25°，满足试验要求。所用试样的天然容重为26.7～28.5 kN/m3。完整灰岩试样有4组，编号分别为1-1、1-2、1-3、1-4，裂隙灰岩试样有4组，编号分别为2-1、2-2、2-3、2-4。

1.2试验设备

本试验在华北水利水电大学岩土与水工结构重点实验室的TAW-2000型微机伺服岩石高低温三轴试验机上进行。该试验系统主机为四柱式加载框架，油缸下置，控制系统采用进口原装德国DOLI全数字伺服控制器。该试验机轴向最大荷载为2 000 kN，围压最大为60 MPa，活塞最大位移量为100 mm，径向和轴向变形采用一体式传感器，测试精度在±0.1%范围内，可以实现岩石在不同围压和温度下的岩石力学参数的确定，获取岩石全应力-应变曲线及峰值和残余强度。

为了防止试验过程中液压油浸入岩样，试验前先用热缩管对岩样进行包裹。

1.3试验方案

三轴试验共设4级围压，即σ3分别为5、7、10、15 MPa。试验步骤如下：①加围压时采用应力控制，以0.05 MPa/s的速度增加围压达到预定值(5，7，10，15 MPa)，此时σ1=σ3；②保持围压在试验过程中不变，为得到完整的应力-应变曲线，采用变形控制方法施加轴向荷载，加载速率为0.02 mm/min，直到试样破坏；③继续以0.02 mm/min的加载速率施加轴向力，直到轴向应力σ1不随轴向应变的增加而降低时，结束试验，得到岩样的残余强度。记录试验全过程的应力-应变曲线。

完整和裂隙灰岩试样的加载试验方案见表1。

表1　灰岩加载试验方案

2　完整灰岩力学特性分析

2.1完整灰岩强度和变形特征

不同围压下，完整灰岩的应力-应变曲线如图1所示。完整灰岩常规三轴试验下的强度和变形参数见表2。

在表2中，弹性模量E为平均弹性模量，即加载过程中直线段的弹性模量；E50和μ50分别为峰值强度达到50%时对应的变形模量和泊松比。按照广义胡克定律，弹性模量E和泊松比μ的求解公式为：

(1)

图1　不同围压下完整灰岩的应力-应变曲线

表2　完整灰岩常规三轴试验参数表

2.1.1强度参数分析

Mohr-Coulomb(简称M-C)强度准则是岩土力学中应用最广泛的强度准则之一，M-C强度准则的表达式为

τ=c+σtanφ。

(2)

式中：τ、σ分别为剪切破坏面上的剪应力和正应力，MPa。对于三轴试验，τ、σ可分别表示为：

(3)

σ1-σ3曲线可拟合为线性关系式：

σ1=mσ3+b。

(4)

根据表2中的数据，得到线性拟合曲线，如图2所示。

图2　完整岩体抗压强度随围压变化的拟合曲线

由图2的拟合曲线可以看出，加载条件下，峰值强度与围压呈良好的线性关系，通过拟合可以求出m=10.93，b=96.69，相关系数为0.996。

由m、b可以确定岩石的内摩擦角和黏聚力，推导公式如下:

(5)

通过上式可推出：

(6)

根据表2可以计算出加载条件下完整灰岩的抗剪强度参数，即：c=14.62 MPa，φ=56.30°。

2.1.2变形参数分析

从表2中可以看出，完整岩体弹性模量和变形模量随围压的增大而增大，且大致呈线性关系，设E=kσ3+s，经弹性模量与围压进行线性拟合，得到拟合曲线，如图3所示。

由图3的拟合曲线可以看出，弹性模量与围压呈较好的线性相关，可以得出：

E=3.18σ3+23.66，

(7)

3　裂隙灰岩力学特性分析

3.1裂隙灰岩强度和变形特征

3.1.1强度分析

在均质岩体内岩体破坏面和主应力面总是呈一定的关系。当剪切时，破裂面总是与大主应力面(法线)成β角(β=45°+φ/2)。可是，当存在软弱结构面时，情况就不同了，剪切破坏时，破裂面与大主应力面的夹角可能是45°+φ/2，但绝大多数情况破裂面就是软弱结构面(裂隙面)。当节理面上的剪应力τ达到节理面的抗剪强度τf时，节理面处于极限平衡状态，即

τ=τf=cj+σtanφj。

(9)

通过结构面极限平衡的方法，得到结构面破坏准则[1]：

(10)

式中:cj,φj为裂隙面的抗剪强度指标，均为常数；θ为裂隙面与最大主应力的夹角。

假如σ3固定不变，则式(10)的(σ1-σ3)随着θ而变化。当θ→90°或θ→φj时，(σ1-σ3)→∞。这就表明，σ3固定不变，当结构面平行于最大主应力时或者结构面法线与σ1成φj时，σ1最大。

试验中，裂隙面与最大主应力夹角分别为30°、60°、0°、80°，围压分别为7、5、10、15 MPa。裂隙灰岩常规三轴试验参数见表3。试件最终破坏形式为沿裂隙面破坏和穿节理面破坏，试验结果见表4。

表3　裂隙灰岩常规三轴试验参数

表4　裂隙灰岩三轴试验结果

由表4可知，穿裂隙面破坏的灰岩的抗剪强度明显大于沿裂隙面滑移破坏的灰岩的抗剪强度。按照完整岩石抗剪强度参数计算穿裂隙面破坏试样的强度，结果见表5。从表中可看出，试样强度理论值和实测值相差很小。所以这类裂隙岩体的破坏可看作是岩体材料本身的破坏，裂隙对其强度无影响。

表5　穿裂隙面破坏的试样强度的实测值与理论值比较

3.1.2变形分析

图5为不同围压下裂隙灰岩的应力-应变曲线。由图5可以明显地看出：试件的变形特性受裂隙面位置的影响最大，沿裂隙面滑移破坏的试样(2-1，2-4)都有较长的屈服台阶，并且在沿裂隙面滑移的过程中承载力几乎保持不变，这可能与裂隙面材料塑性较强有关；而穿裂隙面破坏的试样在5 ～15 MPa的围压下，大都没有明显的屈服台阶(试样2-2出现了较短的屈服台阶)。

图5　不同围压下裂隙岩体的应力-应变曲线

3.2裂隙灰岩破坏特征

裂隙灰岩试样破坏和破坏裂纹展开情况如图6所示，其中红色线条代表试样加载前的天然裂隙。

图6　裂隙灰岩破坏和裂纹展开情况

由图中可以看出：在三轴加载条件下，裂隙岩体的破坏形态主要受裂隙面角度的影响，试样2-2(围压7 MPa)和2-3(围压10 MPa)的天然裂隙角度分别为30°和0°，它们均为穿裂隙破坏，其中试样2-2的破坏形式为劈裂破坏，出现了3条约为90°的纵向裂纹；试样2-3的破坏形式为穿裂隙面剪切破坏，与大主应力面夹角约为75°，这与完整灰岩(1-3)的破坏形态大致一致(破裂面倾角为45°+φ/2)。试样2-1和2-4的天然裂隙角度分别为60°和80°，均为沿裂隙面滑移破坏。

4　结　语

1)加载条件下，完整灰岩的峰值强度和弹性模量随围压的增大而增大，并且呈线性关系。

2)完整灰岩在不同围压下的破坏形式有两种，分别为劈裂破坏和剪切破坏，并且在低围压下发生劈裂破坏的可能性更大。

3)裂隙灰岩有两种破坏形式：穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移破坏。当裂隙面与最大主应力夹角θ>60°时，发生沿裂隙面滑移破坏；当θ≤60°时，发生穿裂隙面破坏。

4)穿裂隙面破坏为岩体材料自身的破坏，与完整灰岩的破坏形态和强度变形特征相似，可见其与裂隙面的存在无关。

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[12]刘庆军,郭其峰,王耀军.河口村水库工程地质条件综述及评价[J].人民黄河,2011,33(12):136-138.

(责任编辑：乔翠平)

Experimental Research on Mechanical Properties of Limestone in Dam Abutment of Hekoucun Reservoir

LIU Haining1,2, ZHANG Yafeng1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China；2.State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, China)

Samples of completed and fracture limestone were taken from the dam abutment of Hekoucun Reservoir. By using TAW-2000 rock triaxial apparatus for rock triaxial compression test under different confining pressures, we obtained the stress-strain curve, deformation, strength, rupture regulation of completed limestone and fractured limestone under different confining pressures. In the experiment, the angle between the fractured surface and the major principal stress was 0°～80°, and the confining pressure was 5～15 MPa. Test results showed that the peak strength and deformation modulus of completed limestone increased while the confining pressures increased, and there was a linear relationship existed between them; the failure modes of the fractured limestone specimens under the condition of triaxial compression could be classified into two types, one was shearing-failure across the fractured surface, the other was sliding-failure along the fracture surface; the strength and deformation characteristics of the fractured limestone were deeply influenced by the angle of fracture planeθ, whenθ>60°, the failure pattern was sliding-failure along the fractured surface, whenθ≤60°, the failure pattern was shearing-failure across the fractured surface; the essence of the pattern of shearing-failure across the fractured surface was the damage of rock materials, and the failure modes of the completed limestone were similar to the characteristics of the strength and deformation of the completed limestone.

triaxial compression test; stress-strain curve; completed limestone; fractured limestone; fractured characteristics

2015-11-24

盾构及掘进技术国家重点实验室开放基金资助项目；“863”计划资助项目(2012AA041802)。

刘海宁(1978—)，男，山东泰安人，副教授，硕导，博士，主要从事岩土力学试验、数值计算等方面的研究。E-mail:liuhaining@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.014

TV223.1;TU451

1002-5634(2016)01-0073-05