隐晶质玄武岩的应变演化规律与强度破坏特征*

2022-01-27常兆荣张春生张传庆

沈阳工业大学学报 2022年1期

栗青，常兆荣，高阳，张春生，张传庆，周辉

(1. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870； 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071； 3. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014)

随着我国基础工程建设和资源开发的快速发展，隧道建设、矿山开采、水电开发等岩体工程将进一步向地下深部发展，使得深部高应力下地下工程硬岩破坏与工程灾害问题无法避免.白鹤滩水电站地质条件复杂，地下洞室在开挖过程中由于受到地质条件与施工条件的影响，频发围岩失稳破坏，随着工程的掘进和研究工作的深入，对白鹤滩玄武岩的研究尚不能满足工程安全运行的需要，玄武岩在不同围压下的强度特征、破裂演化等特征还没有得到充分揭示.

本文针对白鹤滩隐晶质玄武岩，在单轴及三轴压缩条件下研究其脆性破坏特征，分析不同围压条件下玄武岩内裂隙启裂、损伤演化过程，测定其启裂强度与损伤强度，同时分析启裂强度、损伤强度与围压的关系，揭示玄武岩破坏过程中的强度演化机制.

1 试验设备与试验方案

本文试验采用白鹤滩水电站取回的隐晶质玄武岩岩块，并按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-1999)加工成直径为50 mm，高度为100 mm的圆柱形标准试样，部分岩样如图1所示.

图1 玄武岩试样Fig.1 Basalt specimens

岩石的单轴压缩试验在中国科学院武汉岩土力学研究所岩石力学试验系统RMT-150C上进行，采用位移控制方式加载，加载速率控制为0.06 mm/min，轴向变形采用LVDT监测记录.环向变形采用横向LVDT监测记录.

三轴压缩试验在中国科学院武汉岩土力学研究所岩石刚性压力机MTS815上进行，试验采用LVDT轴向位移伺服控制，加载速率为峰前0.02 mm/min，峰后0.06 mm/min，环向变形采用由链条连接的伸长计进行测量.试验时先施加围压至预定值，之后再施加轴压直至试件破坏.围压分别设定为10、20、30、50、70、90 MPa.每个围压条件下选取5个试样进行三轴压缩试验.

2 启裂强度与损伤强度的确定

目前，常用的确定启裂应力的方法为裂纹体积应变模型法.根据声发射监测结果，由于在试验过程中不可避免地捕捉到较多的噪音信号，裂纹启裂瞬间的声发射信号不容易被捕捉到，因此，本文主要根据裂纹体积应变模型确定启裂应力.

图2 典型岩石应力应变曲线Fig.2 Typical stress-strain curves of rock

根据Martin等[1]提出的裂纹体积应变模型，岩石体积应变由两部分组成：1)岩石基质在荷载作用下产生的弹性变形；2)岩石内裂纹在加载过程中由于新裂纹萌生及裂纹扩展、贯通产生的体积变形.裂纹体积应变可以表示为

(1)

εv≈ε1+2ε3

(2)

(3)

损伤强度标志着岩石内部裂纹大量连接、交汇，裂纹的不断发育、扩展、贯通导致试样体积应变急剧增大，其增大趋势逐渐超过加载造成的弹性体积压缩趋势，体积应变曲线逐渐出现拐点，将该点作为岩石的损伤强度，之后即使应力不增加，裂纹也会不断扩展贯通.因此，损伤强度也被称为裂纹非稳定扩展的起点、初始屈服点、岩石的长期强度等.

3 玄武岩单、三轴力学响应规律

3.1 玄武岩单轴压缩试验

图3 单轴压缩条件下玄武岩应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of basalt under uniaxial compression condition

3.1.2 单轴压缩试验破坏特征

图4为玄武岩单轴压缩试样破坏形态.试验过程中，隐晶质玄武岩岩样破坏过程非常剧烈，有很多碎片或碎块猛烈飞溅，伴随巨大声响，破坏后的碎片主要呈薄片状，剩余部分呈块状，竖向的破裂面较为干净，无粉末分布，表现为拉伸破坏模式.可以看出，破坏面与加载方向平行或近似平行，玄武岩脆性破坏特征显著.图5为破裂面断口的电镜扫描结果.可见断裂面基本没有颗粒附着，表面的裂纹呈不规则的台阶状，粗糙度显著，表明在单轴条件下，玄武岩试件破坏机制为拉伸破坏.

3.1.3 单轴压缩试验强度特征

白鹤滩隐晶质玄武岩单轴测试结果如表1所示.单轴压缩条件下隐晶质玄武岩试样的启裂强度为峰值强度的52.07%，相较于Lac Du Bonnet花岗岩[1]的40%～50%略高，而二者峰值强度基本相同，表明隐晶质玄武岩相较于花岗岩颗粒间粘结强度更高，裂纹扩展、发育需要更高的应力水平.隐晶质玄武岩损伤强度约为峰值强度的93.6%，基本接近峰值强度，说明岩样在应力临近峰值强度时，试样内部迅速出现大量裂隙并扩展贯通，此时，由于能量释放过于集中，导致试样发生剧烈的脆性破坏，出现碎块状炸裂现象，岩样失去承载能力，无峰后残余段.

图4 单轴压缩条件下玄武岩破坏形态Fig.4 Failure morphologies of basalt under uniaxial compression condition

图5 单轴压缩破裂面断口电镜扫描照片Fig.5 SEM images of fracture surface under uniaxial compression

表1 隐晶质玄武岩单轴测试结果Tab.1 Results of uniaxial tests on aphanitic basalt

3.2 玄武岩三轴压缩试验

图6 三轴压缩条件下玄武岩应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of basalt under triaxial compression condition

3.2.2 三轴压缩试验破坏特征

图7为三轴压缩条件下隐晶质玄武岩破坏形态.试样破坏时可以听到清脆的破裂声响，由破坏面的外观形态可以看到，有围压作用时岩样的破坏主要由一条斜向的宏观主裂纹造成，当围压增加到30 MPa以后，破裂面会出现一条或多条水平裂纹，而且随着围压的增大，主裂纹的角度并没有呈现出一定的规律性，高围压下仍是大角度斜向剪切破坏.图8～9为围压30 MPa与90 MPa下破裂面断口电镜扫描结果.随着围压增大，破坏面表面逐渐平缓，甚至出现剪切擦痕，且破坏面表面遍布岩粉，放大后可以看出破坏面微观结构层次感逐渐减弱，表明随着围压增大，试样的剪切破坏特征逐渐明显，剪切破坏强度提高，破坏面岩粉颗粒减小，破坏面表面趋于光滑.

3.2.3 三轴压缩试验强度特征

表2为不同围压下玄武岩启裂强度与损伤强度.由于岩样具有离散性，表2中数据为试验结果平均值.

图7 三轴压缩条件下玄武岩破坏形态Fig.7 Failure morphologies of basalt under triaxial compression condition

图8 围压30 MPa下破裂面断口电镜扫描照片Fig.8 SEM images of fracture surface under confining pressure of 30 MPa

图9 围压90 MPa下破裂面断口电镜扫描照片Fig.9 SEM images of fracture surface under confining pressure of 90 MPa

由表2可知，三轴压缩条件下试样的启裂强度为峰值强度的48.4%～53.1%，损伤强度为峰值强度的92.4%～96.6%.随着围压不断升高，岩石的启裂强度与损伤强度随之增加，但二者与峰值强度的比值无明显变化，岩样中的裂隙在峰值强度附近迅速出现并扩展，在宏观主裂纹扩展的同时，两侧的岩块发生相对运动，造成水平裂纹的产生，岩样发生破坏.

表2 隐晶质玄武岩三轴测试结果Tab.2 Results of triaxial tests on aphanitic basalt

3.3 强度参数

利用上述试验测得的隐晶质玄武岩在不同围压条件下的强度特征值，进行强度参数拟合.图10为起裂强度、损伤强度、峰值强度与围压的关系.表3为隐晶质玄武岩的强度参数.

在围压作用下，岩样的内部初始裂隙被压密，处于闭合状态，随着压力的增大，新生的裂隙在扩展前需要克服裂隙面上的摩擦作用.由拟合的强度参数结果可以看出，隐晶质玄武岩峰值阶段的内摩擦角φ明显大于启裂阶段的内摩擦角φ0.这是由于岩样内部结构较为致密，当应力达到启裂应力时，虽有微裂隙的萌生扩展，但裂隙面间并没有大规模的相对滑移，因此，摩擦强度并未起到明显的作用，其强度主要来源于裂隙面张开所需要的粘聚力，其内摩擦角φ0较小.