单轴压缩条件下花岗岩变形与破坏特征试验研究

孙 雪， 韩 阳， 蔡舒凌， 王 健， 吴 兆， 纪 磊

(1.解放军陆军工程大学国防工程学院， 江苏南京 210007； 2. 南京城建项目建设管理有限公司, 江苏南京 210006)

围岩稳定性是地下实验室及处置库安全分析的重要内容，除了要满足一般地下工程稳定性要求外，还必须满足对高放废物圈闭的特殊要求。围岩在开挖扰动下引起的破裂与损伤会形成地下水流的通道，加速地下水与核素的接触，在工程屏障失效后，地下水携核素经围岩裂隙向生物圈迁移，处置库丧失隔离功能，造成灾难性的后果。因此，为了保证地下实验室的安全运营，并为地下巷道的合理施工提供可靠的科学依据，采用试验手段合理预估花岗岩围岩受荷作用下的强度和变形参数，已成为工程进行必不可少的环节。

近年来，针对脆性岩石的破坏特征，国内外众多学者进行了大量研究工作，并取得重要研究成果[1-5]。Lajtai E Z认为[6]花岗岩的变形主要有两种形式：弹性和脆性变形，后者是由轴向微裂纹引起的；Carlsson B[7]证明了岩石的破裂形式主要由微裂缝模式和岩石成因决定；牛双建等[8]对含有破裂面的岩样进行了单轴压缩试验，对其应力-应变曲线和破裂特征做了系统的研究；曾泽民等[9]通过单轴压缩试验证明了加锚类岩石较无锚类岩石抗压强度更高；陈邵杰等[10]对六种岩石进行了单轴压缩试验，并分析加载过程中岩石的弹性、塑性、破坏三种状态；王景环[11]等利用能量原理模拟了单轴应力条件下页岩的损伤本构方程，所建的模型力学参数能充分描绘页岩单轴变形特征；朱泽奇[12]通过试验得到三峡花岗岩的起裂应力一般在峰值应力的25 %～50 %左右；王宇[13]等依据单轴抗拉、抗压强度，验证了起裂应力与脆性指标的必然关系。

本文通过北山花岗岩的单轴压缩试验，对各试件相应的轴向与径向应力-应变关系曲线进行了系统的分析，得到了北山花岗岩的变形参数与应力特征值，为地下实验室施工与运营阶段的稳定性评定打下了良好基础。

1 试样制备及试验方案

1.1 试样制备

北山花岗岩为取自北山预选场址内各类岩石的统称，其包括英云闪长岩、二长花岗岩和花岗闪长岩等。上述几种岩石力学性质较为接近，区别在其中石英、斜长石等的含量不同。试验所用北山花岗岩为取自北山预选区旧井地段的英云闪长岩。在坑探设施内距离地表约60 m的巷道硐壁处钻设水平孔，并由外径122 mm、内径96 mm的钻头单管取得岩芯，共计43.5 m。挑选出其中具有代表性的完整岩芯并采用岩芯箱进行封存，以避免远距离运输过程中的损坏。利用钻石机、切割机以及打磨机将所取岩芯加工成满足要求的圆柱形试件。其中，高径比宜取2.0～2.5，直径为48～54 mm，试件尺寸加工误差不超过0.03 mm，两端面不平整度不超过0.05 mm，端面与轴线垂直偏差不超过0.25°。

1.2 试验设备

本次北山花岗岩室内试验均于四川大学水利水电学院国家重点实验室MTS815 Flex Test GT系统上完成，岩石力学试验系统构成如图1所示。该试验系统能满足各类温度、渗透、超声波以及多向加载等测试要求，是当前国内功能最齐全、性能最优异的岩石力学试验系统之一。MTS815系统可由计算机交互式编写试验程序，进行自动化控制与采集，从而实时并准确记录各类试验数据。其中加压系统可提供最大4 600 kN轴向荷载与140 MPa环向压力。

图1 MTS815轴向加载系统

1.3 试验方法

单轴压缩试验主要过程为：

(1)测量试件尺寸，并在其两端面涂抹润滑剂(凡士林)，以减小端部约束效应；

(2)将试件置于试验机承压板中心位置，手动控制调节压头与试件接触；

(3)安装轴向与环向引伸计，以获得加载过程中试件轴向与环形应变；

(4)在试件与传感器安装完成并确认无误后，首先按30 kN/min进行轴向加载，待试件进入屈服阶段后，采用环向位移控制，速率为0.02 mm/min，直至岩石破坏，试验停止。

2 变形特征分析

共进行了一组3个岩样的单轴压缩试验，各试件相应的轴向与径向应力-应变关系曲线如图2所示(轴向压应变为正)。从图中轴向应力应变曲线可以看出，各试件达到峰值应力后，均无屈服平台，呈现出脆性破坏特征。而径向应变在峰后持续增大，破坏前均在轴向应变2倍以上，这是由于北山花岗岩在单轴压缩条件下形成了平行于轴压方向上的张拉裂纹，而在达到峰值强度后裂纹迅速扩展，并纵向贯通，将岩石分为竖向块体。由于在位移控制下岩块尚具有一定承载力，因而轴向应力在峰后并未即刻跌落而是逐渐降低。轴向曲线形式同Wawersik[14,15]所提出的II型曲线相一致，表明通过环向位移控制能够缓慢释放岩石内积聚的应变能，保证岩石稳定破裂。

此外，图中试件UC-1与UC-3峰前曲线近乎线性增大，表明试件原生裂隙等缺陷较少，受压后很快由裂隙压密阶段进入弹性变形阶段，而峰前轴向应力应变非线性段较短，裂隙非稳定发展阶段同样不明显。试件UC-2轴向曲线在弹性加载阶段出现了转折，这可能是由于试件并非均质而含有软弱界面或杂质。

依据我国岩石力学试验标准与规程[16,17]，变形模量、弹性模量以及泊松比等岩石变形特征参数可通过以下方法获得：

(1)变形模量取为峰值强度50 %处割线模量，即：

(1)

式中，E0为岩石变形模量，σ50与ε50分别为达到峰值强度50 %时的轴向应力与应变。

(a)UC-1

(b)UC-2

(c)UC-3图2 单轴压缩应力-应变曲线

(2)弹性模量取σ50前后一定范围内的线性段斜率，即：

(2)

具体方法为，对σ50附近10 MPa范围内的试验数据作线性拟合，所得斜率即为弹性模量。

(3)泊松比取轴向与径向应力应变曲线斜率的比值，即：

(3)

式中，径向应力应变曲线斜率取值方法与弹性模量E相同。

基于上述方法，对试验数据进行处理，获得单轴压缩条件下北山花岗岩力学与弹性特征参数如表1所示。由表可知，岩样的单轴抗压强度十分接近，且均在190 MPa以上，为典型硬岩。其中，试件UC-1与UC-3的各项参数较为相近，而试件UC-2的弹性参数较前两者要小，且峰值应变也有明显差异，印证了前述基于应力应变曲线的分析结果。

表1 北山花岗岩单轴压缩试验参数

3 破坏特征分析

C.D.Martin[18-20]基于对Lac du Bonnet花岗岩的单轴压缩试验，深化了起裂应力σci与裂纹损伤应力σcd的概念，并将脆性岩石峰前应力应变曲线分为四个阶段，如图3所示。

图3 峰前裂隙演化特征示意

各阶段由相应特征应力划分如下：

(1)初始压密阶段：由于岩石的非均质性，不可避免的存在一些原生微裂纹，从而在初始受压下会发生闭合，这一阶段曲线为非线性增长，呈上凹趋势。此外，根据初始裂隙密度与裂纹几何形状的不同，各类岩石在该阶段的表现程度也不同。

(2)弹性变形阶段：当原有裂隙全部闭合后，可认为岩石是均质的线弹性材料，因而在应力水平较低时产生的为弹性变形，应力应变曲线呈直线型，岩石弹性特征参数可从中获得。该阶段起始处应力称为裂隙闭合应力σcc。

(3)裂纹稳定扩展阶段：随着应力增大，岩石原有裂隙发生扩展并伴有新裂纹产生，进入裂纹稳定扩展阶段。这些裂纹主要与轴压方向平行，因此轴向应力应变曲线仍大致为线性，而径向曲线呈现出明显的非线性增长态势，岩石整体则表现为扩容趋势。此阶段的起始应力即为起裂应力σci，因标志着岩石扩容的开始，也被称作扩容点。

(4)裂纹非稳定扩展阶段：随着岩石轴向应力水平进一步提高，裂纹开始加速扩展并相互连接以释放能量，应力应变曲线呈非线性增长，最终在到达峰值应力σc处形成宏观破裂面，岩石破坏。岩石裂纹发展由稳定向不稳定转变时的应力为裂纹损伤应力σcd，此后裂隙相互连接贯通，岩石已产生结构性变化，因而其也被视为岩石的长期强度。

在微应变条件下，岩石试件的体积应变可近似表达为：

εv≈ε1+2ε3

(4)

即可通过量测轴向应变ε1与径向应变ε3获得岩石体积应变。由图3可知，岩石裂纹损伤应力处体积应变发生转折，因而通过确定岩石体积应变与轴向应变曲线上的峰值点便可求得σcd。

起裂应力σci标志着岩石扩容的开始，这在体积应变曲线上表示为直线段向曲线段偏离的点，然而体积应变曲线直曲转折点难以准确获得，因此 C.D.Martin建立了基于裂纹体积应变模型的起裂应力求取方法。

(5)

(6)

式中，σ1与σ3分别为轴向与径向应力，参数E与μ可由弹性曲线段求得。

(7)

按上述方法，求得各试件总体积应变与裂纹应变曲线如图4所示。

(a)UC-1

(b)UC-2

(c)UC-3图4 总体积应变与裂纹体积应变关系曲线

从图4可以看出，试件UC-1与UC-3对应曲线与典型脆性岩石体积应变曲线极为相似，裂纹体积应变曲线很好地体现了岩石裂隙由初始压密到弹性恒定，再到稳定与非稳定扩展的整个过程。而试件UC-2裂纹体积应变曲线并不符合脆性岩石渐进破坏的四阶段特征，其在初始压密后经历短暂的弹性段便出现了较小的裂纹体积膨胀，而后再次进入小范围弹性水平，紧接着产生二次压密，最终裂纹体积应变经历第三次较短水平后快速转向膨胀。第一次与第二次弹性段之间的小范围膨胀，可能是由于岩石内部具有强度较低的杂质，在应力水平增大到一定值后其晶粒被挤压破碎或产生滑移错动，致使有少量微裂纹产生，进而裂纹体积应变出现膨胀，而后岩石进入较短的弹性稳定阶段，随着应力增大此前所产生的微裂纹再次被压密，从而曲线再次趋向压缩方向，并进入第三次弹性水平，最终在高应力水平下裂纹快速发展贯通，形成宏观破裂面。由此可见，由试件UC-2曲线可获得两个起裂应力，其中一个为因软弱杂质而产生的少量裂纹扩展，另一个则是花岗岩受压后自身裂隙开展的起始点。上述分析表明，裂纹体积应变曲线对含有杂质的岩石仍可以较好地反映出其裂隙演化的规律。考虑到试件UC-2不具有典型脆性岩石破坏特征，因此仅求取试件UC-1与UC-3的特征应力，如表2所示。

由表2可知，在单轴压缩条件下北山花岗岩起裂应力为峰值应力的49.1 %～52.4 %，裂纹损伤应力在峰值应力的83 %左右。

此外，依据裂纹体积应变概念，同样可将轴向应变与径向应变分为裂纹应变与弹性应变，即：

(8)

表2 花岗岩单轴压缩特征应力

4 结 论

(1)北山花岗岩在单轴压缩条件下形成了平行于轴压方向上的张拉裂纹，而在达到峰值强度后裂纹迅速扩展，并纵向贯通，将岩石分为竖向块体，呈现出脆性破坏特征。

(2)将花岗岩石峰前应力应变曲线分为四个阶段，初始压密、弹性变形、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展阶段。应用裂纹体积应变模型求得各阶段终止时分别对应岩石的四个特征应力值：起裂应力、弹性应力、损伤应力和峰值应力。

(3)具有强度较低的杂质的岩石，具有两个起裂应力。其中一个为因软弱杂质而产生的少量裂纹扩展，另一个则是花岗岩受压后自身裂隙开展的起始点。

(4)依据裂纹体积应变概念，将轴向应变与径向应变分为裂纹应变与弹性应变，提出可以通过比较轴向与径向裂纹应变间的大小来确定其起裂方向。