节理倾角对类岩石试样力学特性影响试验研究

刘 攀 林志南 马戎荣 柯志强

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 2. 江苏省岩土工程技术工程研究中心 河海大学， 南京 210098)

节理倾角对类岩石试样力学特性影响试验研究

刘 攀1，2林志南1，2马戎荣1，2柯志强1，2

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 2. 江苏省岩土工程技术工程研究中心 河海大学， 南京 210098)

白鹤滩水电站坝基岩体柱状节理十分发育，岩体中存在许多复杂节理面，各向异性特性十分显著．为了研究柱状节理岩体的各向异性特性，采用模型试验方法，考虑横向贯通节理，制作具有不同柱体倾角(β=0～90°)的正四棱柱形试样，通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同节理倾角β下的单轴抗压强度、变形模量和峰值应变，分别分析了不同倾角下应力-应变曲线、峰值强度、变形模量、峰值应变及破坏类型的特性，得到以下结论:倾角β=0～15°以及75～90°范围时，应力-应变曲线存在多峰现象，β=30～60°范围时，应力-应变曲线以单峰为主；单轴抗压强度在β=60°时取得最小值，β=90°时取得最大值，试件强度各向异性比Kc为11.12，属于极高各向异性；变形模量在β=60°时取得最小值，β=90°时取得最大值；峰值应变在β=60°时取得最小值，β=30°时取得最大值；试样主要有沿材料的劈裂破坏和沿贯通节理面的滑移破坏两种破坏模式．

柱状节理岩体； 试件； 各向异性； 单轴压缩试验； 节理倾角

金沙江白鹤滩水电站作为一座千万级巨型水电工程，其坝基岩体为柱状节理发育的玄武岩，柱状节理岩体是玄武岩内发育的一种特殊构造岩体．早在1875年R.Mallet[1]对玄武岩柱状节理特征和形成机制就进行了研究，后来MÜLLER G等学者[2-4]也对柱状节理的成因进行了相关分析．柱状节理岩体常常被多组节理切割成规则的多边形长柱体，存在大量的结构面，岩体在各个方向上表现出不同的力学特性．因此柱状节理岩体各向异性力学问题已成为该水电工程突出的岩石力学问题之一，引起了广泛关注．国内外学者对柱状节理岩体各向异性特性进行了许多研究．朱道建[5]等通过建立了整体力学属性满足Weibull分布的概率模型，并且使用Voronoi算法，对柱状节理岩体的各向异性特性和尺寸效应进行了研究．刘海宁[6]等通过真三轴物理模拟试验，研究了复合柱状岩体在不同卸荷-加载应力途径下的破裂、破坏机制及不同方向三轴主应力作用下的应力-应变关系及其强度特性．肖维民等[7-8]通过对倾角不同的圆柱形节理试样进行单轴压缩试验获得柱状节理岩体在不同柱体倾角下的变形模量和单轴抗压强度，同时研究了柱状节理岩体侧向变形特性，给出侧向应变比随倾角β的变化规律．徐卫亚等[9-11]通过数值模拟方法,研究了柱状节理岩体在单轴和三轴数值试验条件的变形和强度各向异性问题．前人的研究虽多，其研究方向要么侧重于数值模拟，缺少实验理论的支撑，要么是局限于仅考虑竖向贯通节理条件下试样的物理实验研究,故本文把横向贯通节理作为试样力学特性影响因素之一，在综合考虑横向和竖向贯通节理的基础上,研究单轴压缩条件下节理倾角对试样力学特性的影响，从而对柱状节理岩体各向异性进行进一步的研究．

白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩岩心破碎，岩体整体结构完整性较差，现场获得节理发育较好的的完整岩石试样较困难．鉴于此，本文使用类岩石材料制作不同节理倾角的规则柱状节理岩体模型，研究单轴压缩条件下模型试样的破坏类型，单轴抗压强度，峰值应变以及变形模量随节理倾角的变化规律，有利于把握柱状节理玄武岩的工程特性，规避各向异性潜在的不利影响，对现场工程施工和建设具有参考和指导性意义．

1 室内试验

1.1 试验材料

实验采用水泥，石英砂和水的混合物制作模型柱体，质量比为2.4∶1.2∶1，搅拌过程中在混合物中添加适量的减水剂以提高混合物的和易性，同时可以有效地改善混合物的黏聚性和保水性，提高成型柱体的强度和耐久性．试样材料的物理力学参数见表1．

表1 试样材料物理力学参数

1.2 试样制作

本试验制作的柱状节理岩体模型是由长度为50 mm和25 mm的正六棱柱体胶结而成，不同长度的正六棱柱体由截面边长为10 mm，长为150 mm的正六棱柱体切割而成，正六棱柱体的制备工具为树脂模具，如图1所示．

图1 正六棱柱体(150 mm)和树脂模具

具体制备过程为：将试验所用的树脂模具涂抹凡士林后拼装好，将按要求配好的混合物搅拌均匀后注入到模具之中，待其凝固，拆卸后将长为150 mm的正六棱柱体在恒温恒湿的条件下养护30 d，养护完成后将其柱体切割成50 mm和25 mm的小棱柱体，并用水灰比为2∶1的白色硅酸盐水泥胶结材料将小棱柱体胶结在一起，胶结过程中要控制好小棱柱体的拼接位置，以免影响成型柱状节理岩体模型的力学性质．将模型人工切割、打磨，得到与水平方向成不同倾角β的标准长方体试件，如图2所示，左图为60°倾角试样，右图中从右向左，试样倾角依次为0°、15°、30°、45°、75°和90°．

图2 不同角度的柱状节理岩体试件

1.3 试验加载

柱状节理岩体试样单轴压缩试验在岩石单轴压缩试验机上进行，每个角度的试件均为3个，共21个试件．装样前，保持试件干燥整洁，表面无杂物，装样完毕后启动试验仪器保持缓慢加载，试件轴向应变由轴向应变测量系统记录，加载速度保持在0.02 mm/min，当试样破坏完全时停止加载，取下破损试件后进行下一试件的加载测量，倾角相同的的试件，需保持试验条件一致．

1.4 试验结果

将加工好的试样在试验仪器上进行单轴压缩试验，在同一倾角试件的试验结果中，比较各参数试验值，去除比较离散的结果并保留中间值，以此作为该倾角试件最终的试验结果．根据单轴压缩试验记录结果整理不同节理倾角试件的应力-应变曲线，如图3所示，由单轴压缩试验应力-应变曲线计算试样的单轴抗压强度σ，弹性模量E以及峰值应变ε等各项数据，同时记录不同角度试件的破坏类型，整体见表2．

图3 不同节理倾角试件单轴压缩应力-应变曲线

倾角/°峰值强度/MPa峰值应变/10-2变形模量/MPa破坏模式021．7182．774575．714①1518．4921．810870．056①3021．8723．352565．948①453．4881．164304．257②602．7900．784297．119②755．1770．878476．528②9031．0122．0601427．986①

2 结果分析

分析不同倾角柱状节理岩体试件的单轴压缩试验结果，明确各节理倾角试件各向异性力学特性，研究各向异性的具体表现形式．

2.1 应力-应变曲线

分析不同节理倾角试件单轴压缩试验结果的应力-应变曲线，可知：倾角β=0～15°以及75～90°时，应力-应变曲线存在典型的多峰现象，而在β=30～60°范围时，应力-应变曲线以单峰为主；当β从0°变化到60°时，试件单轴压缩应力-应变变形曲线线弹性部分斜率逐渐变小，可知各试件材料的延性逐渐增强，脆性逐渐降低，在相同压力作用下，试件轴向变形变大．而β从60°变化到90°时，试件单轴压缩应力-应变变形曲线线弹性部分斜率逐渐变大，可知各试件材料的延性逐渐降低，脆性逐渐增强，在相同压力作用下，试件轴向变形变小．

2.2 单轴抗压强度

试件单轴抗压强度随试件节理倾角的变化趋势如图4所示，可知：当试件倾角β=0～30°范围时，其单轴抗压强度先降低后增加，整体上保持在一个较高的水平值；当倾角β=30～60°范围时，试件单轴抗压强度整体上呈现降低趋势，并在β=60°时取得最小值；而当试件倾角β=60～90°范围时，其单轴抗压强度整体呈现增长趋势并在β=90°时取得最大值；试件单轴抗压强度在倾角β=45～75°之间保持在一个较低的水平值．

图4 柱状节理岩体试件单轴抗压强度各向异性曲线

2.3 变形模量

试件变形模量随试件节理倾角的变化趋势如图5所示，可知：当倾角β=0～60°范围时，试件变形模量变化趋势为先增大后减小，在β=15°时达到较大值，在β=60°时取得最小值，当试件节理倾角β=60～90°范围时，试件变形模量逐渐变大并在β=90°时取得最大值．整体上，试样变形模量在β=45～60°范围时取得较小水平值，在β=90°附近取得较大水平值．

图5 柱状节理岩体试件变形模量各向异性曲线

2.4 峰值应变

试件峰值应变随试件节理倾角的变化趋势如图6所示，可知：当倾角β=0～30°范围时，试样峰值应变变化趋势为先增大后减小；当倾角β=30～60°范围时，试样峰值应变逐渐降低；当节理倾角β=60～90°范围时，试样峰值应变逐渐增大．整体上，试样峰值应变在β=0～30°范围以及β=90°附近取得较大水平值并在β=30°时取得最大值，而在β=45～75°范围内取得较小水平值并在β=60°时取得最小值．

图6 柱状节理岩体试件峰值应变各向异性曲线

2.5 破坏类型

单轴压缩条件下不同倾角柱状节理岩体试件主要有两种典型破坏类型：①主要为沿试件材料的劈裂破坏(如图7所示)，即轴向压力引起完整模型材料的张拉破坏，在试件内部形成张拉裂隙；②为滑移破坏(如图8所示)，即在轴向压力作用下，试件贯通节理面两侧柱体相互错动滑移，节理面上的剪应力逐渐超过抗滑力，试件不断发生变形并最终破坏．

图7 试件沿材料的劈裂破坏

图8 试件沿贯通节理面的滑移破坏

3 结果讨论

3.1 试件强度各向异性分析

由于贯通节理构造的切割作用，且贯通节理倾角β同时也在发生着变化，柱状节理岩体试件单轴抗压强度表现出明显的各向异性，其直观表现为单轴抗压强度σ值随着β的变化而变化．岩石单轴抗压强度各向异性程度水平可由T.Ramamurthy[12-13]理论定量评价，以Kc为各向异性比，Kc可通过公式σrmax/σrmin计算得出．根据各向异性比Kc取值范围，各向异性等级分类见表3．由图可知，本次实验采用的柱状节理岩体试件各向异性比Kc为11.12，属于极高各向异性．

表3 各向异性等级分类[14]

T.Ramamurthy理论同时指出，岩石单轴抗压强度可以用经验公式(1)来进行预测:

式中，σ(β)为柱体倾角为β时的柱状节理岩体试件单轴抗压强度，βm为单轴抗压强度最小时的倾角，此处βm取60°；A和D均是待定常数，式中A和D的值可利用倾角β=0°、60°和90°时的试件单轴抗压强度值来确定．

分析过程中为了方便表述，以试件的单轴抗压强度和完整试样的单轴抗压强度之比σcr作为归一化的无量纲值代替σ进行分析，则归一化的单轴抗压强度的理论预测曲线表达式为

柱状节理岩体试件单轴抗压强度理论预测曲线和试件单轴压缩试验结果对比如图9所示．

图9 试件单轴抗压强度理论预测曲线和试验值对比

通过两者的比较可知：节理倾角β=30°时，曲线理论预测值与试验实际测量值偏差比较大，曲线理论预测值远小于试件的单轴抗压强度值，而在其它倾角时理论预测值与试验实际测量值偏差较小．

3.2 水泥胶结材料影响分析

柱状节理岩体试件制作过程中，正六棱柱体通过白色硅酸盐水泥胶结而粘合在一起．单个六棱柱体制作过程中存在实验误差，不可能做到十分规则，因而成型试件中柱体间的水泥浆存在一定的厚度．当节理倾角β=0～15°和75～90°时，轴向荷载并不完全是由柱体材料单独承担，水泥浆胶结材料构成的胶结层也分担了部分荷载，故节理岩体试件单轴抗压强度实际测量值要大于理论预测曲线的计算值．同时观察破坏后的试件可知，试件都是沿柱体材料或者水泥浆石膏交界面破坏，很少有沿水泥浆胶结层发生破坏，故胶结层厚度基本不影响预制试件的破坏类型．总体上，水泥胶结材料对试验结果的影响不是很明显．

4 结 论

1)柱状节理岩体试件应力-应变曲线特征主要表现为：倾角β=0～15°和75～90°范围时，应力-应变曲线具有多峰现象，β=30～60°范围时，应力-应变曲线以单峰为主．β=0～60°范围时，应力-应变曲线斜率变小，试件材料延性增强，脆性降低，而β=60～90°范围时，分析结果与之相反．

2)柱状节理岩体试件强度各向异性主要表现为：单轴抗压强度随节理倾角的变化曲线在β=30°时呈现凸起状态，变化趋势整体类似“U”型，单轴抗压强度在β=60°时取最小值，β=90°时取最大值，试件强度各向异性比Kc的值为11.12，属于极高各向异性．

3)柱状节理岩体试件变形各向异性主要表现为：变形模量随节理倾角的变化曲线在β=15°时呈现凸起状态，峰值应变随倾角的变化曲线在β=30°时呈现凸起状态，变化趋势整体都类似“U”型．变形模量在β=60°时取得最小值，β=90°时取得最大值；峰值应变在β=60°时取得最小值，β=30°时取得最大值．

4)柱状节理岩体试件有两种破坏类型：劈裂破坏和滑移破坏．

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ExperimentalStudyofInfluenceofJointInclinationsonMechanicalPropertiesofRock-likeSamples

Liu Pan1,2Lin Zhinan1,2Ma Rongrong1,2Ke Zhiqiang1,2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai Univ., NanJing 210098, China; 2. Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

In the dam foundation of Baihetan Hydropower Station, the columnar jointed rock mass is the main composition and there are many complicated joint planes in it; therefore, it exhibits remarkable anisotropy peculiarity. In order to investigate the anisotropy peculiarity of columnar jointed rock mass, using model test method, taking transverse joint into account, making right square prism columnar jointed samples with different inclination (β) ranges from 0° to 90° for uniaxial compression tests. Through uniaxial compression tests, the compressive strength, deformation modulus and peak strain are obtained. Meanwhile, the paper analyzes the characteristics of stress-strain curve, peak strength, deformation modulus, peak strain and failure mode of samples. The results show that: whenβis between 0° and 15°, 75°and 90°, stress-strain curve has a multi-peak phenomenon; whenβis between 30°and 60°, stress-strain curve is unimodal; the uniaxial compression strength has the minimum value atβ=30°; and it reaches the maximum value atβ= 90°; the anisotropy ratio of the strength is as high as 11.12, which belongs to extremely high anisotropy. The deformation modulus has the minimum value atβ=60; and it reaches the maximum value atβ= 90°; the peak strain has the minimum value atβ=60°, and it reaches the maximum value atβ=30°. There are two main failure modes of samples, which are the splitting failure of the material and the sliding failure which is along the joint surface.

columnar jointed rock mass; sample; anisotropy； uniaxial compression test; joint inclination

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.009

2017-02-15

国家自然科学基金项目资助(50911130366)

刘 攀(1992-)，男，硕士研究生，从事岩石力学与工程方面的研究．E-mail：1980896466@qq.com

TV223

A

1672-948X(2017)05-0043-05

[责任编辑王迎春]