水压–应力耦合作用下灰岩力学特性试验

2020-07-14田树坤

煤田地质与勘探 2020年3期

田树坤

水压–应力耦合作用下灰岩力学特性试验

田树坤1,2

(1. 中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300；2. 西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055)

为探究富水饱和灰岩体在水压–应力耦合作用下的力学特性，利用自主研发的可实现单轴压缩的渗透试验装置对不同水压强度下的灰岩试样进行压缩破坏试验，测试灰岩应力–应变特性，分析水压对单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的影响，灰岩破碎特性与水压强度相关性以及孔隙变化规律。研究表明：增加的水压强度对灰岩应力–应变和强度特性有显著的影响。随着水压强度增大，应力–应变曲线的压密阶段相对延长而弹性相对缩短，峰值强度呈指数减小而弹性模量和变形模量均呈线性下降，表明水压作用显著降低了灰岩脆性。另外，灰岩弹性模量、变形模量均与峰值强度呈线性关系。增大的水压强度对灰岩宏观断裂具有显著影响而未对其破坏类型造成影响，随水压强度增加，碎块均一系数和单位质量孔隙体积均呈指数函数增加。研究成果为隧道建设中富水岩体的开挖稳定性分析提供参考。

灰岩；水压–应力耦合；应力–应变曲线；强度特征；贵阳下麦西隧道

在基础设施建设过程中，我国西南地区高水压隧道工程逐年增多[1]，对隧道开挖和安全运营带来了挑战。高水压隧道建设过程中，由于开挖扰动(如机械钻凿、爆破等)会造成围岩损伤，加之高水压和地应力的复合作用，隧道可能出现突涌水和渗漏等地质灾害，进而造成了巨大的经济损失甚至人员伤亡[2]。因此，研究渗透–应力耦合作用下岩石力学特性对揭示富水围岩体劣化特性具有重要意义。

为降低富水隧道渗透及突涌水灾害，国内外学者对高渗透水压下的岩溶隧道施工开展了大量研究，但此类工程问题的复杂性导致目前对该问题的研究还不完善。岩溶问题引起的隧道塌方、涌水等灾害时有发生，如意大利勒奇山隧道因岩溶发生的坍塌事故[3]，日本东海道丹那隧道的突水灾害[4]，中国大瑶山隧道因岩溶突水发生的淹井事故[5]，广渝高速公路隧道出现的突水事故[6]。研究上述工程案例发现，岩溶隧道突涌水形式可分为淋雨状涌水和股状涌水，而股状涌水具有自由水集中、水量大、水压高的特点，对隧道围岩稳定性的影响最为显著。

为此，高压渗透水下的围岩体力学特性得到众多学者的关注。彭曙光等[7]发现水岩作用导致岩石软化，抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数显著降低；赵瑜等[8]探究了岩石裂隙在渗流–应力耦合作用下的扩展特性，反映了裂隙扩展过程渗流演化规律；Y. X. Xiao等[9]建立了裂隙岩体的应力–渗流耦合作用下等效多孔隙介质模型。A. W. Skempton[10]研究了水对砂岩应力释放过程的影响，并指出渗透水对岩体劣化主要体现在对岩体损伤力学特性的影响；另外，汪亦显等[11]还关注了水岩作用下岩石水腐蚀损伤劣化的时效性，发现软岩含水率、弹性模量等力学参数和时间具有线性相关。以上研究可见，众多学者针对不同饱水和不同裂隙程度岩体力学特性进行了大量试验和理论研究，取得很多有益结果。众多岩体突水灾害案例[3-6,12]表明，岩体渗透水并非单纯的自由水而常具有高水压的特点，对隧道围岩具有典型的浸泡和压裂作用。为此，部分学者[13-15]还关注了渗透作用下岩体三轴力学试验。但近开挖面或岩柱等特殊部位的岩体却具有典型的无侧限受力特点，因此，有必要进一步关注和研究高渗透水压作用下的单轴受力特点。

由于其本身特殊的赋存环境，富水隧道围岩体经常处于饱水状态，在开挖过程中扰动岩体更易发生失稳破坏，这主要与长期水岩作用和渗透环境有关。为探究该问题，选用贵阳地铁三号线下麦西隧道进口段的灰岩为试验材料，对不同水压强度作用下的饱和灰岩进行单轴压缩破坏试验，分析应力–应变特性、强度劣化特征以及破碎分布规律与水压强度的相关性，以及孔隙变化规律，以期对富水岩体开挖稳定性分析提供依据。

1 试验概况

1.1 灰岩试样

选用贵阳下麦西隧道洞内灰岩为试验材料，按照岩石试样加工标准DL/T 5368—2015《水电水利工程岩石规范》将灰岩试样加工成尺寸为ø50 mm×100 mm的标准岩样，并将其端面打磨，使不平行度小于等于0.02 mm以降低试验误差。

灰岩主要矿物成分为碳酸钙(CaCO3)、石英(SiO2)以及少量黏土矿物，碳酸钙质量分数为95.80%~98.56%，石英为2.34%~2.76%[16]。该灰岩试样平均干密度和纵波波速分别为2.68 g/cm3、6.52 km/s。试验共制作30个标准岩样，通过超声测试剔除波速显著异常的岩样，以降低试验离散性。电镜扫描试验表明，由于灰岩体常年存在于富水(渗透水)环境中，试样内部分布大量的溶蚀孔隙，对灰岩体的强度和稳定特性产生影响。

本试验进行了0、2、4、6 MPa共4种水压强度下的水力–单轴压缩试验，分组见表1。由于灰岩体取自贵阳富水地区，岩样均为饱和状态。为对试样施加不同强度的水压力，设计了可实现单轴压缩的渗透水压系统，并将试样加工成中心带孔的特殊岩样，中心孔孔深为10 mm，孔径为1.5 mm(图1)。图1为部分灰岩试样，将试样与进水构件组装后安装于渗透试验装置和岩石力学试验机，进行单轴压缩试验。

表1 不同水压强度下灰岩的力学参数和破坏类型

图1 部分灰岩试样示意

1.2 试验设备

试验设备主要采用岩石力学试验机和自主设计的渗透试验装置2套系统协同工作，如图2所示。岩石力学试验机最大加载应力为600 kN，加载速率可控制在0~70 mm/min。渗透试验装置可实现恒流渗透水压(流速精度为0.20%)加载，其最大渗透流速为30.00 mL/min，最小为1.75 mL/min，试验渗透压以4.00 MPa/min的速度逐渐提高到设计值以防止试件破坏。

另外，为探究不同水压强度对灰岩溶蚀孔隙特征的影响，对单轴压缩破坏的岩块进行压汞试验，设备为Auto-Pore Ⅳ型压汞仪，有效孔隙测量范围为0.003~1 100 µm。

图2 试验设备

图2中，高压水泵可对水压加载装置提供不同强度的水压，灰岩试样与进水装置组装后(图1)装载在岩石力学试验机上，进行水力–单轴压缩试验。水压加载时，为防止渗透水从试样表面溢出而导致水压强度消散，在试样表面以及试件与进水构件的接触面处涂抹2~3层环氧树脂，经24 h后可在试样表面形成4~6 mm的防水层。为测试试样破坏过程中的应变值，通过橡皮筋将应变计固定在试样表面，试样与应变计接触面处涂抹黄油耦合。

1.3 试验方案

a. 样品处理将所有灰岩试样在室温条件下风干24 h以保证具有相同初始含水率，将风干试样再进行强制饱水直到试样质量不再增加视为饱和，取出后用保鲜膜封存以备力学试验使用。

b. 水压试验将中心带孔的特殊试样与进水构件组装，再安装在力学试验机上，然后调试力学试验机将试验机压头与灰岩试样上表面接触，以固定灰岩试样；同时，在试样表面安装应变计。然后，利用水压加载装置对试样加载水压，水压加载时需要考虑两因素：①水压加载速率不宜过大，防止试样未加轴压而破坏，水压加载速率为4.00 MPa/min[16]直到设定值；②水压加载后静置48 h使灰岩内部形成稳定渗流场，保证内部水压稳定在某一设定值，形成稳定的渗流作用；此过程注意观察水压力表以防止出现水压不稳定。

c. 轴压试验灰岩渗透试验结束后，调试力学试验机，以0.25 MPa/s的速率逐渐加载轴压，直至试样破坏，同时采集应力–应变曲线；将灰岩碎块收集并储存在塑料袋中，以防止风化。

d. 压汞试验为保证微观试验试样具有相同的渗透特性，以单轴压缩试验破碎岩样为试验材料，进行压汞试验。为保证试验数据的真实性，选取距离试样上表面相同位置的岩块为压汞试验材料。

2 试验结果与分析

2.1 灰岩应力–应变特性分析

根据不同水压作用下的单轴压缩试验获得灰岩破坏应力–应变曲线。选取单轴压缩试验灰岩典型应力–应变曲线(图3)进行分析。由图3a看出，随着轴压施加，不同水压作用下应力–应变曲线均先缓慢增加、后快速爬升，达到单轴抗压强度后下降，应力–应变曲线明显经历了压密阶段、弹性变形阶段、孔(裂)隙缓慢扩展与发展阶段、破坏阶段。可得出结论如下。

①在压密阶段初期(图3b)，试样应力–应变曲线均随轴向应变增加而逐渐增加，水压强度愈大，其应力–应变曲线增加愈缓慢，体现了灰岩内部存在的原生孔(裂)隙(简称为孔隙)和次生溶蚀孔隙被压缩并逐渐闭合的过程，应力–应变曲线增加越快，表明次生溶蚀孔隙数量越多，灰岩内部溶蚀损伤越大。

②随着轴压继续加载，灰岩应力–应变曲线进入弹性变形阶段。随着轴向应变增大，灰岩内部孔隙进一步被压缩，其应力–应变曲线开始呈线性增长，且随着水压强度增加，应力–应变曲线的线性增长坡度减缓，表明弹性模量减小。

另外，相比较小水压强度下的弹性变形特性，水压强度越大，其弹性变形路径相对缩短。这是由于高水压强度增加了灰岩内部裂隙水压，加剧了矿物剥离速度，孔隙率进一步增大，不稳定裂隙的扩展规模显著提高，进而导致灰岩应变能提前释放[9]。对于干燥岩石，一般认为弹性变形阶段意味着无塑性变形和新微断裂扩展行为[17]。然而，由于该试验灰岩的赋存环境为饱水状态，灰岩内部存在大量的次生孔隙，且施加的水压也会对试样产生压裂作用，进而缩短了弹性变形阶段。

图3 单轴压缩试验灰岩典型应力–应变曲线

③随着轴压进一步加载，灰岩进入孔隙扩展与发展阶段。该阶段灰岩内除了原生孔隙的扩展外还伴随着新生孔隙的萌生与扩展，并逐渐形成裂隙汇合、贯穿直到形成宏观破裂面，灰岩应力–应变曲线逐渐达到峰值(单轴抗压强度)，表明灰岩应变开始逐渐屈服于破坏强度。另外，相比弹性变形阶段，该阶段应力–应变曲线表现出上凸特点，且饱水强度越大，应力–应变曲线上凸越明显。这是由于水压强度增加，孔隙水压加剧了灰岩劣化程度，岩石结构逐渐发生塑性变形。由图3a看出，灰岩水压强度越大，单轴抗压强度越小且该阶段的曲线路径也显著缩短，穆康等[18]分析认为水压对岩石应变能具有一定的“储存和清空”效应，从而引起应力能提前释放。

④随轴向应变增大，灰岩内部大量宏观裂隙开始快速汇合形成贯穿裂缝，灰岩承载能力快速下降，应力–应变曲线表现出迅速下降，预示灰岩试样发生破坏。相比0 MPa水岩试验的灰岩，较高水压强度下的灰岩应力–应变曲线表现相对较缓慢的下降，说明水压进一步弱化了灰岩材料的脆性。然而，由于灰岩即将破坏时的水压破坏作用并未及时停止，故所有灰岩试样的应力–应变曲线均表现出急剧跌落。

2.2 水压强度对灰岩强度特征的影响

2.2.1 单轴抗压强度的影响

为研究灰岩强度特征与水压强度的相关性，根据不同水压强度作用下的应力–应变曲线，获得所有灰岩试样的单轴抗压强度(c)、弹性模量()和变形模量(d)数据，并统计了灰岩破坏类型，见表1。

由表1可知，在0 MPa水压作用下的灰岩单轴抗压强度为42.84~73.24 MPa，随着水压强度逐渐增加，单轴抗压强度有明显降低的发展趋势。若以平均单轴抗压强度为分析量度，相比0 MPa水压下平均单轴抗压强度，2、4、6 MPa水压下的平均单轴抗压强度分别降低了8.05%、31.18%和35.16%，衰减率逐渐增加。由此可知，水岩软化作用对灰岩单轴抗压强度具有显著影响，主要与渗透水溶蚀及压裂作用有关，其原因如下。

①试验灰岩为富水饱和岩样，在进行力学试验前内部已具有大量的次生溶蚀孔隙，对后期水压–单轴压缩试验过程中的强度劣化具有促进作用；渗透压作用时还加剧了灰岩物理劣化作用[19]。当渗透水被压入灰岩孔隙后，会加大水岩接触面积，水的润滑作用降低矿物颗粒连接力，导致结构软化；同时，渗透水压还会对灰岩产生楔形作用[18]，引起内部裂隙的数量和尺寸不断增加，对灰岩产生显著的压裂作用。并且，作用在灰岩内部的水压强度越大，渗透水的润滑作用和压裂作用越强，灰岩的软化特性也会越明显。

②水岩作用过程中伴随化学劣化作用，其强度与灰岩内矿物成分、含量显著相关。本次试验灰岩主要由95.80%~98.56%碳酸钙和2.34%~2.76%石英构成，石英属于难溶性物质且在水溶液中极难发生化学反应，碳酸钙处于水环境下易发生水解反应[20]。增加的水压强度对灰岩溶蚀作用可概括为2个方面，一方面渗透水促进碳酸钙的水解，水溶液中开始出现大量的Ca2+，由于Ca2+具有较大表面积且水岩接触点密集的特点[16]，可进一步导致水解反应时胶结物质与矿物颗粒间连接力降低；另一方面，增加的水压强度会促进游离态Ca2+以较快速度被运移出溶蚀孔隙，从而加快碳酸钙水解，进一步提高灰岩的溶蚀程度。

图4为灰岩试样平均单轴抗压强度随水压强度增加的发展趋势，两者呈负相关。经回归分析发现，灰岩单轴抗压强度与水压强度在数值上呈一阶指数函数关系。

图4 平均单轴抗压强度与水压强度关系

2.2.2 弹性模量和变形模量的影响

弹性模量可用应力–应变曲线的弹性变形阶段曲线斜率表示；变形模量可表示为峰值强度(单轴抗压强度)与坐标原点之间的正割线模量。

在本试验中，弹性模量()和变形模量(d)的计算结果见表1，两个力学参数与岩石水岩劣化程度显著相关。不同水压强度下，灰岩弹性模量为4.22~11.57 GPa，变形模量为2.95~6.68 GPa；相比弹性模量，变形模量显著降低，变形模量为弹性模量的45%~73%。灰岩弹性模量与变形模量均随着水压增大呈显著减小，相比0 MPa水压下的平均弹性模量，2、4、6 MPa水压下的弹性模量分别降低了8.08%、43.82%和58.84%；相比0 MPa水压下的平均变形模量，2、4、6 MPa水压下的变形模量分别降低了12.69%、31.30%和47.55%；因此，弹性模量的衰减程度对水压强度的增加更敏感。

本试验的水压范围内，灰岩弹性模量和变形模量的发展趋势与单轴抗压强度的变化趋势具有一致性，均与水压强度呈负相关。图5为弹性模量()、变形模量(d)与水压强度()关系，灰岩弹性模量和变形模量均随水压强度呈线性衰减，与文献[11]结果具有一致性。图6为不同水压下弹性模量、变形模量和单轴抗压强度间的关系，可以看出弹性模量、变形模量随单轴抗压强度的增加呈线性增加，与黄达等[21]研究结果一致。

图5 弹性模量、变形模量与水压强度关系

图6 弹性模量、变形模量与单轴抗压强度关系

2.3 水压强度对灰岩破碎特性的影响

2.3.1 灰岩破碎分布规律

由表1可知，1号和9号灰岩试样分别发生了剪切破坏和鼓状破坏，其他试样均为典型的劈裂破坏，占总试样的83.33%，表明灰岩水压强度对其破坏类型未造成较大影响。

以典型单轴压缩试验后的灰岩碎块为研究对象，分析灰岩破碎分布规律。经观察，单轴压缩试验过程中，灰岩在压缩破裂阶段，其主裂缝与轴向应力方向呈7°~10°夹角，且灰岩下部位置(靠近下端基座处)出现显著的碎块缺失区，且在较小水压强度下出现明显的碎块飞出现象，而较大水压强度下该现象并不明显，表明此时灰岩脆性降低而延性增强。

图7为不同水压强度下的灰岩碎块分布图，由图可知，①图中灰岩均发生劈裂破坏，但不同水压强度碎块的分布具有显著性差异，主要表现在灰岩碎块尺寸、主碎块数量以及碎块质量等3方面；②相比0 MPa水压下的试样碎块，水压强度越大，碎块数量越多且碎块尺寸差异性越小，表明增加水压强度则增加碎块均一性，降低灰岩碎块尺寸的差异性。

图7 不同水压强度的灰岩碎块分布特征

2.3.2 灰岩破碎参数

为研究水压强度对灰岩破碎参数的影响，试验统计了大于1.00 g的碎块并以大于2.50 g(大约为试样质量的5%)作为主破碎的评价标准，其主裂缝数量(长度≥2/3，为试样高度)、碎块数量、主碎块数量以及主碎块平均质量随水压强度增加的柱状分布，如图8所示。

图8 灰岩碎块参数的柱状分布

由图8可知，灰岩碎块数量为45~55个，主碎块数量d为23~29个，主碎块平均质量dv为10.45~16.81 g，灰岩破碎过程中可形成6~8条主裂缝。相比0 MPa水压下的灰岩破碎参数，6 MPa水压下的碎块数量、主碎块数量以及主裂缝数量分别增加了22.22%、26.09%和33.33%，主碎块平均质量降低了37.83%。由此可见，随着水压强度增加，灰岩的碎块数量、主裂缝呈增加趋势，主碎块数量以及主碎块平均质量则呈减小趋势，与前文分析结果一致。数值回归发现，灰岩主裂缝数量(f)、碎块数量()、主碎块数量(d)以及主碎块平均质量(dv)与水压()增加存在如下关系：

2.3.3 灰岩碎块均一性

图9为灰岩碎块质量(大于等于1 g)分布特征曲线，横轴为统计的灰岩碎块质量(i)，纵轴为灰岩碎块累计质量分数()。由图9可知，灰岩碎块累计质量分数呈近似线性增长，且水压强度越大，碎块质量分数增长越快。0、2、4、6 MPa水压下的碎块累计质量分数分布范围分别为89.98%、92.45%、95.24%、97.04%，表明灰岩碎块随着水压强度增加逐渐变得均匀。由图9还可看出，灰岩碎块累计质量分数的增长快慢与水压强度呈显著正相关，线性回归发现碎块累计质量分数()与水压强度呈线性增长。

图9 灰岩碎块质量分布特征曲线

若以线性斜率(图9)来表征灰岩碎块均一系数()，该系数可表示灰岩碎块尺寸的差异性，均一系数越大代表灰岩碎块尺寸差异性越小。图10为灰岩破碎均一系数与水压强度关系，由图10可知，水压强度由0 MPa增加到2 MPa时，碎块均一系数显著增大，表明增加的水压强度加剧了灰岩的溶蚀程度，灰岩碎块尺寸、平均质量的差异性显著降低。随着水压强度增加到4、6 MPa时，灰岩碎块均一系数也呈现出增加趋势但增长幅度比较缓慢，与灰岩的低孔隙结构特征有关[16]。

通过回归分析灰岩碎块均一系数()与水压强度关系，发现两者存在较好的一阶指数函数关系(图10)。由上述分析可知，随着水压强度增加，灰岩碎块均匀性的差异实际上是压缩变形到破坏逐渐演变造成的，压缩变形伴随着孔隙的萌生和演化、裂纹不稳定发展，直到大尺度的宏观裂纹出现，灰岩试样破坏。

图10 灰岩破碎均一系数与水压强度关系

2.3.4 灰岩微观孔隙

不同岩石矿物成分具有不同的抗溶蚀特性，该特性也决定了灰岩对高压水环境的溶蚀敏感性。宋战平等[16]研究表明，由于碳酸钙在高压渗透水中发生显著水解反应，其含量随渗透压增加呈一阶指数函数衰减。这主要是由于灰岩中高压渗透水加深水岩溶蚀深度，加剧对矿物离子的接触冲刷，改变灰岩内部孔隙率；即水压强度越大，灰岩损伤程度越大，导致灰岩强度和稳定发生劣化。因此，可通过研究水压强度对灰岩溶蚀孔隙的影响来揭示灰岩损伤程度。

压汞试验是定量研究岩石材料微观孔隙结构的一种有效方法，可定量反映岩石溶蚀孔隙的数量和分布规律，单位质量孔隙体积可进一步揭示孔隙率的发展趋势。通过对不同水压强度作用的灰岩碎块进行压汞试验，获得灰岩单位质量孔隙体积(m)及其随水压强度增加的发展趋势(图11)。

由图11可知，灰岩单位质量孔隙体积随水压强度增加显著增大，相比0，2、4、6 MPa灰岩试样的单位质量孔隙体积分别增大了37.85%、80.86%、159.46%，其增加幅度与水压强度呈正相关。回归分析表明，灰岩单位质量孔隙体积与水压强度呈一阶指数函数关系。

图11 单位质量孔隙体积与水压强度关系

3 结论

a.随着水压强度增加，压缩密实阶段相对延长而弹性变形阶段相应缩短，水压强度通过改变灰岩内部渗透压而引起结构稳定性劣化。

b. 由于水压强度加剧灰岩溶蚀(损伤)程度，弱化单轴抗压强度、弹性模量和变形模量。随着水压增加，灰岩单轴抗压强度呈指数衰减而弹性模量和变形模量呈线性衰减，且弹性模量和变形模量均与单轴抗压强度呈线性相关。

c. 水压升高对灰岩宏观破碎具有显著作用而未对破坏模式造成较大影响，灰岩以劈裂破坏为主。水压越大，灰岩碎片均匀性越好，其碎块破碎均一系数与水压呈指数增加关系。

d. 高渗透水压通过溶蚀与压裂作用劣化灰岩强度和稳定性，灰岩孔(裂)隙显著提高。灰岩单位质量孔隙体积与水压强度呈指数关系。

致谢：在此感谢中国铁建大桥工程局集团有限公司、中铁建贵州建设有限公司的谢伟东高级工程师所提供的灰岩材料及对本文的指导。

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Test of mechanical properties of limestone under hydraulic pressure-stress coupling

TIAN Shukun1,2

(1. China Railway Construction Engineering Bureau Group Co. Ltd., Tianjin 300300, China; 2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

To study the mechanical properties of limestone with water-rich saturated circumstance under water pressure-stress coupling, compression failure tests of limestone samples with different water pressure were carried out by using a self-developed permeability test device, the device can realize uniaxial compression test. Then, the stress-strain characteristics of limestone, the effect of hydraulic pressure on uniaxial compressive strength, the elastic modulus and the deformation modulus, and the correlation between breaking characteristics and hydraulic pressure were tested. The results show that the increased hydraulic pressure has a significant influence on the stress-strain curve and strength characteristics. With the increase of hydraulic strength, the compaction stage of stress-strain curve is relatively prolonged and elasticity stage is relatively shortened, the peak strength decreases exponentially while the elastic modulus and the deformation modulus decrease linearly, indicating that the brittleness of limestone is significantly reduced by water-rock interaction. Besides, the elastic modulus and the deformation modulus of limestone are linearly related to the peak strength. The increased hydraulic pressure has a significant effect on the macroscopic fracture of limestone but not on its failure type. With the increase of hydraulic pressure, both the homogenization coefficient and the pore volume per unit mass of limestone increase by exponential function. The experimental results could provide reference for the excavation stability analysis of water-rich rock mass in tunnel construction.

limestone; hydraulic pressure-stress coupling; stress-strain curve; strength characteristics; Xiamaixi tunnel in Guiyang