裂隙灰岩卸围压破坏力学特性试验研究

刘汉东，刘佳宾，张亚峰，王艳艳，张世英

(1.华北水利水电大学岩土工程与水工结构研究院，河南 郑州 450046；2.河南省岩土力学与结构工程重点实验室，河南 郑州 450046)

0 引 言

地下岩体在开挖前或未受到扰动时处于三相围压的平衡状态。地下洞室开挖后，原有的相对平衡状态被打破，在一定的局部范围内引起地应力的重分布。在地应力重分布的过程中，若分布后的岩体没有达到岩石材料或裂隙面的屈服条件，则岩体仍处于弹性变形状态；若局部区域的应力大于岩体的屈服条件，则岩体的力学特征发生转变，从弹性变形阶段过渡为塑性变形阶段。岩体由于受到地质构造作用和岩溶等自然风化的影响，岩体内形成了不同产状的节理和裂隙。因此，研究卸载应力路径下的裂隙岩体应力、应变关系及变形特征，对实际工程具有重要的指导意义。

近年来，岩体卸荷条件下的力学特性试验研究取得重大进展。黄润秋等[1-9]分别对花岗岩、大理岩、砂岩、盐岩和灰岩在不同应力路径和围压条件下进行卸围压试验分析，讨论了岩石卸围压条件下的强度和变形特性；李宏哲等[10-13]开展含节理岩石试件变形特性试验，对其破坏特征、强度和变形特性进行了研究。但由于结构面的复杂性，对含天然裂隙岩体的研究较少。

本文采用河口村水库坝肩岩溶裂隙灰岩试样，通过室内试验对裂隙岩体的力学特性进行不同围压下的三轴加载试验和卸围压研究，分析加卸载和卸围压条件下裂隙灰岩的变形、强度、破坏特征及其影响因素。

1 三轴加载和卸围压试验方案设计

1.1 工程概况

沁河河口村水库位于沁河中游太行山峡谷段的南端，距峡谷出口五龙口约9.0 km，属河南省济源市。河口村水库是一个典型的峡谷河道型水库，水库面积约10.0 km2，总库容3.468亿m3。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。库盘大部分由寒武系灰岩、白云岩、泥灰岩、页岩组成，灰岩中有溶蚀裂隙及溶洞。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，试样的天然容重为26.7～28.5 kN/m3。

1.2 试样与试验设备

根据SL 264—2011《水利水电工程岩石试验规程》与GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》，试件制为直径50 mm、高110 mm的圆柱形，直径误差不超过0.3 mm，端面不平行度误差不超过0.05 mm，端面与试件轴线最大偏差均不大于0.25°。典型岩样见图1。

图1 典型岩样

试验仪器采用TAW-2000型微机伺服岩石高低温三轴试验机(见图2)。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，可实现岩石在不同围压和温度下的岩石力学参数确定，获取岩石全应力-应变曲线及峰值和残余强度。

图2 试验设备

河口村水库引水隧洞、泄洪洞的引排水构筑物埋深较浅，初始地应力较小。因此，三轴加载试验共设4级围压，σ3分别为5 、7 、10 MPa和15 MPa。

1.3 卸围压试验方案设计

在实际开挖过程中，不同的开挖方式就是加载和卸荷应力路径不断变化组合的过程。对于卸围压而言，最为常见的几种方式分别为保持轴向应力不变卸围压、保持轴向位移不变卸围压、增加轴向力卸围压等。考虑到实际隧洞开挖过程中应力的变化过程，本文采用恒定偏应力卸围压的方式进行试验，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、10、15 MPa)，此时σ1=σ3。

(2)保持围压在试验过程中不变，采用变形控制方法施加轴向荷载，加载速率为0.02 mm/min，直到试样产生塑性变形(通过应力-应变曲线斜率变化判断卸荷点，一般为峰值强度的70%左右)。

(3)保持偏应力不变，以0.05 MPa/s的速率卸除围压，直到试样发生破坏，结束试验，得到全过程的应力-应变曲线和卸围压阶段的围压-应变曲线。

2 试验结果

2.1 三轴加载结果

2.1.1应力-应变

天然含水率裂隙灰岩在不同围压下的应力-应变曲线见图3。从图3可知，在三轴加载条件下，在弹性阶段的变形以轴向变形为主。当达到峰值前的某个偏应力值以后，试样的径向变形速率逐渐增大，最终引起了岩样的破坏，其强度和弹性模量随着围压的增大而增大。

图3 裂隙灰岩三轴加载应力-应变曲线

表1 灰岩加载力学参数

2.1.2强度和变形破坏特征

裂隙灰岩加载力学参数见表1。表1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50%时对应的弹性模量和泊松比。加载条件下，完整灰岩的抗剪强度参数粘聚力c=14.62 MPa、内摩擦角φ=56.3°。裂隙灰岩有穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移破坏2种破坏形式。当裂隙面与最大主应力夹角≥60°时，发生沿裂隙面滑移破坏；反之为穿裂隙面破坏。

2.2 卸围压破坏试验结果

2.2.1变形特性

在卸围压过程中，偏应力保持不变，以径向变形为主，体应变>径向应变>轴向应变。图4反映了卸围压阶段围压和变形的关系。从图4可知：

图4 卸围压阶段围压-应变曲线

(1)随着围压的降低，岩体的变形不断增加，在开始卸荷阶段增加较慢，当卸荷量达到一定值后，出现明显的拐点，很小的卸荷量就会引起较大的变形，岩体达到极限强度而破坏。这说明在卸围压初始阶段，岩体的变形可以近似看作为弹性变形；随着卸荷量的增大，岩体内部出现微裂隙，发生塑性变形；当变形量达到一定数值，岩体强度瞬间跌落，试样发生脆性破坏。

(2)径向应变和体应变随着围压的变化速率明显大于轴向应变。这是因为在偏应力恒定且围压减小时，径向变形因卸围压直接增大；而轴向变形是偏应力并未发生变化下对径向卸荷产生的反应，是卸围压间接导致的结果。轴向和径向变形对比可以看出，岩体的卸围压破坏主要是由于卸围压所引起的径向变形产生的。围压减小的过程中，裂纹的扩展速度加快，扩容现象更加明显，扩容达到一定值后，岩体由于失去承载能力而发生突然破坏。

(3)初始围压对岩体卸荷的变形特性有一定的影响。随着初始围压的增加，试样的卸荷变形量逐渐增大。在不同的围压-变形曲线中均出现了明显的拐点，即变形随着卸围压而降低的速率会在某个点突然增大，从而加速了变形的增加，进而导致岩样的破坏。

(4)裂隙对卸围压时的变形特性也有一定的影响。相同初始围压条件下，岩体变形特性与裂隙倾角、裂隙面的特性有关。对于相对于岩石材料较弱的裂隙填充物，裂隙面会首先发生塑性变形，从而导致岩体沿着裂隙面发生破坏，通常这种情况下的破坏的径向变形量要小。

2.2.2变形参数劣化规律

为了更进一步研究卸围压对岩石力学特性的影响，引入等效弹性模量和等效泊松比这2个卸荷变形参数，得出卸围压试样在卸围压条件下的等效弹性模量和泊松比[14-15]。试样卸荷变形参数见表2。卸围压变形参数与围压的关系见图5。从图5可知：

(1)等效弹性模量随着围压的降低逐渐减小，趋势较为平缓；围压降低到一定程度时，开始急剧降低，呈现跌落现象。这是因为开始卸围压时，闭合初始裂纹逐步张开，在偏应力作用下逐渐扩展，同时也伴随新裂隙的萌生和发育，宏观上表现为等效弹性模量平缓下降。待裂隙贯通导致试样破坏时，等效弹性模量急剧降低。

(2)等效泊松比的变化规律和等效弹性模量的变化规律相反。随着围压的减小，等效泊松比逐渐增大，且等效泊松比随围压变化的规律同径向变形(体应变)的变化规律相似，即在卸围压初始阶段，等效泊松比的增加速率较小，基本上保持不变；当围压降低到一定程度时，等效泊松比开始急剧增加，直到试样发生破坏。

表2 试样卸荷变形参数

图5 围压和变形参数的关系

卸围压变形参数与体应变的关系见图6。从图6可知，随着体应变的减小(试样体积增大)，等效弹性模量基本上逐渐减小，等效泊松比逐渐增大。同时，在卸围压的过程中，等效泊松比和等效弹性模量与体应变大致呈线性关系，这说明岩体内部裂隙的发展引起的扩容是导致卸围压下裂隙岩体变形参数劣化的直接原因。

图6 体应变和变形参数的关系

3 裂隙灰岩加卸荷力学特性对比分析

3.1强度和变形特征

在相同的初始围压条件下，卸荷岩体的破坏强度低于三轴加载条件下的峰值强度，这说明在其他条件相同时，卸围压试样更容易发生破坏。对完整岩体来说，加载试验破坏时的变形主要以轴向变形为主，而卸围压试验破坏时径向变形明显大于轴向变形；加载破坏时的轴向变形明显大于卸围压破坏时的变形，反之，卸围压破坏时的径向变形明显大于加载破坏时的变形。对于裂隙岩体，穿裂隙面破坏的试样的变形特性与完整试样相似；加载试验的轴向变形比卸围压破坏时明显要大；对沿裂隙面破坏的试样，加载和卸围压破坏时的径向变形差别不大。

图7为裂隙灰岩加卸荷条件下变形参数的对比。从图7可以看出，无论是完整岩体还是裂隙岩体，卸围压时的等效弹性模量要明显小于加载时的弹性模量，而泊松比却恰恰相反。通过计算可以求出，卸围压条件下的等效弹性模量要比加载时的弹性模量减小7%，等效泊松比增加51%。

图7 加卸荷变形参数对比

3.2 破坏特征

卸围压条件下，完整灰岩的破坏形态均为劈裂破坏，在试样表面出现多条贯穿的竖向裂纹，且呈现出明显的鼓胀形态，两端并没有出现明显的局部压剪破坏，这与常规三轴试验的破坏形态有明显的不同。从破坏形态可知，岩体卸围压破坏主要是由于在三轴卸围压条件下岩样发生明显的扩容，从而在岩体内部产生多条贯通的拉裂隙所致。

对于裂隙灰岩，岩体的破坏形态受裂隙倾角和裂隙面材料特性影响很大。试样4-1在卸围压条件下主要是沿着裂隙面破坏，并伴有少量的穿裂隙面裂纹，并未像完整岩体一样出现明显的鼓胀形态；试样4-2在卸围压条件下的破坏形式和完整岩体较为相似，在试样表面形成多条贯穿的竖向裂纹，且呈现出明显的鼓胀形态，说明其卸荷破坏特征受裂隙面影响较小。

相对于加载破坏，卸围压破坏裂纹发展更为充分，经常出现竖向贯穿裂纹，破坏更加突然，破坏时发出的声响更清脆。加载和卸围压破坏时都有明显的扩容现象，但卸围压破坏时的扩容现象更为明显。

4 结 语

本文通过裂隙灰岩三轴加载和恒定偏应力卸围压试验，对岩体加卸荷条件下的力学特性进行分析，得到以下结论：

(1)卸围压过程中，体应变>径向应变>轴向应变。初始围压和裂隙对灰岩卸荷变形特性有一定的影响；随着初始围压的增加，试样的卸荷变形逐渐增大，裂隙对变形特性的影响比较复杂。

(2)等效弹性模量在卸围压条件下逐渐减小，等效泊松比逐渐增大；等效弹性模量和等效泊松比的变化速率随着卸围压的进行逐渐增大。

(3)加载试验破坏时的变形主要以轴向变形为主，而卸围压破坏的变形主要以径向变形为主；卸围压时的等效弹性模量明显小于加载时的弹性模量，而等效泊松比却恰恰相反。

(4)卸围压条件下，裂隙灰岩的破坏形态受裂隙倾角和裂隙面材料特性影响很大。大部分灰岩的破坏形态为劈裂破坏，在试样表面出现多条贯穿的竖向裂纹，且呈现出明显的鼓胀形态；少部分沿着裂隙面破坏，并伴有少量的穿裂隙面裂纹。