王瑞紅，李建林，蔣昱州，王 宇

（1. 三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2. 長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 引 言

工程巖體大都經(jīng)受了多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的擾動，其中含有多種多樣不同級別的節(jié)理及軟弱面，弱化了巖體的強(qiáng)度。含有節(jié)理的巖體和完整巖石有截然不同的性質(zhì)。特別是在卸荷條件下，巖體和巖石的力學(xué)性質(zhì)區(qū)別更大。卸荷作用使得巖體中原有的裂隙擴(kuò)張、貫穿，甚至生成新的裂隙，巖體連通性增強(qiáng)，滲透性增加，抗拉強(qiáng)度急劇降低，巖體質(zhì)量迅速劣化。而工程中遇到的巖體均為含有不同級別裂隙的節(jié)理巖體，因此，必須研究含節(jié)理巖體的力學(xué)性態(tài)，才能比較真實(shí)地反映工程巖體的實(shí)際力學(xué)行為，節(jié)理巖體在卸荷條件下的力學(xué)性能、破壞機(jī)制及力學(xué)參數(shù)的研究具有非常重要的工程意義。

關(guān)于節(jié)理及結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，國內(nèi)外已有許多學(xué)者通過巖體試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值分析得到了有價值的成果[1－10]。Yang[11]、Nasseri等[12]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含節(jié)理巖體有3種不同的破壞形式，巖體按照何種方式破壞主要取決于頁巖層理面和最大主應(yīng)力夾角及圍壓大小。楊圣奇[13]研究了含斷續(xù)預(yù)制裂紋粗晶大理巖在不同圍壓下強(qiáng)度和變形特性。李建林等[14]結(jié)合三峽工程永久船閘高邊坡巖體，利用真三軸試驗(yàn)設(shè)備研究了不同幾何比尺、含不同傾角節(jié)理（8°、36°、52°、82°、90°）結(jié)構(gòu)面巖體的加、卸荷力學(xué)特性。研究結(jié)果表明，卸荷條件下，結(jié)構(gòu)面方向?qū)r力學(xué)性質(zhì)有很大影響。李宏哲[15]通過三軸壓縮試驗(yàn)，研究了含天然貫穿節(jié)理大理巖試件在不同圍壓下的破壞特征，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件有穿切節(jié)理面和沿節(jié)理面滑移兩種破壞形式，節(jié)理面與最大主應(yīng)力夾角大小對破壞方式有重要影響，而圍壓對破壞方式影響不明顯。王飛等[16]通過巖體三軸模擬試驗(yàn)對節(jié)理巖體在卸荷應(yīng)力狀態(tài)下的破壞特征進(jìn)行了研究，得到了卸荷速率、節(jié)理的傾角及參數(shù)對卸荷巖體強(qiáng)度的影響。

已有文獻(xiàn)研究表明，節(jié)理巖體的力學(xué)性質(zhì)主要受到巖體中所含節(jié)理、裂隙的方向、長度、充填物材料、閉合程度、連通率等的顯著影響。對于含貫通節(jié)理的裂隙巖體在卸荷狀態(tài)下的力學(xué)特性目前已有一定的研究，但對于含有斷續(xù)節(jié)理的巖體，由于其力學(xué)性態(tài)的復(fù)雜性，在卸荷狀態(tài)下的力學(xué)機(jī)制仍有值得進(jìn)一步探索的必要。本文將通過含2條不同間距預(yù)制斷續(xù)節(jié)理巖體的卸荷三軸試驗(yàn)，研究含有預(yù)制節(jié)理巖體在卸荷應(yīng)力條件下的應(yīng)力-應(yīng)變特征、強(qiáng)度、變形特征、破壞規(guī)律及節(jié)理間距對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件制備

試驗(yàn)所用巖塊為四川紅砂巖，質(zhì)地均勻細(xì)密，無風(fēng)化現(xiàn)象，無可見節(jié)理，總體連續(xù)性、完整性很好，為新鮮巖體，水平層理明顯，鉆樣方向均垂直于節(jié)理。巖樣按50 mm×100 mm（直徑×高度）圓柱體進(jìn)行制備。典型巖樣如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT–150C型巖石力學(xué)剛性伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體試驗(yàn)方案如下：

① 按靜水壓力條件逐步施加（加載速率為0.05 MPa/s）σ1=σ3至10 MPa；② 穩(wěn)定σ3，逐步增高σ1（加載速率為0.5 kN/s）至預(yù)定荷載；③保持σ1恒定，以0.05 MPa/s的速率逐步降低σ3至巖樣破壞。

圖1 典型巖樣示意圖Fig.1 Sketches of typical rock samples

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變和分析

圖2為含斷續(xù)節(jié)理巖體在初始圍壓10 MPa下的典型卸荷破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，相比于完整巖樣，節(jié)理巖樣加載壓密段變形更大；逐漸卸除圍壓時，ε1不斷增大，巖體有較明顯的軸向塑性流動階段；從峰后曲線來看，節(jié)理巖樣卸荷破壞時從峰值強(qiáng)度跌落至殘余強(qiáng)度過程中軸向應(yīng)變較大，為完整巖體的3～4倍，說明由于節(jié)理巖體在荷載不斷增大的過程中，預(yù)制節(jié)理面附近由于應(yīng)力集中首先產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展貫通，最終導(dǎo)致巖體破壞，使得巖體在破壞時不如完整巖體那樣劇烈和突然。相比而言，節(jié)理巖體破壞時脆性特征不如完整巖體明顯，破壞發(fā)出比較沉悶的響聲。由于卸荷破壞時采用應(yīng)力控制，巖樣破壞后軸壓立即下跌至殘余強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖2 卸荷破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves under unloading failure

表1 卸荷破壞試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of unloading failure

3.2 變形特征分析

3.2.1 變形模量變化規(guī)律

圖3為圍壓卸荷過程中巖樣的變形模量變化曲線。從圖中可以看出，卸荷過程中巖體變形模量隨圍壓降低而逐漸減小。在卸荷初期階段，變形模量變化并不明顯，變化幅度也較小，在應(yīng)力差約為屈服強(qiáng)度時，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，巖樣破壞后近似直線降低。與完整巖樣相比，節(jié)理巖體屈服后變形模量急劇降低的趨勢更加明顯。

圖3 卸荷過程中變形模量變化曲線Fig.3 Change curves of deformation modulus during unloading process

表2 卸荷破壞模量變化特征Table 2 Modulus variation characteristics of unloading failure

由圖3及表2可以看出，節(jié)理巖體卸荷破壞時，變形模量有較大幅度的降低，其降低程度是同條件下完整巖體的6～7倍；節(jié)理間距較小時，巖體變形模量減小量很接近，均為42%，節(jié)理間距較大時，巖體變形模量減小量較大，為52%，可見節(jié)理間距越大，變形模量降低程度越大；變形模量隨圍壓的變化規(guī)律和完整巖體類似，都可以分為3個階段，每個階段中變形模量和圍壓關(guān)系接近線性。在卸荷初期，即卸荷量在30%以內(nèi)時，變形模量降低量為1%～5%；當(dāng)卸荷量達(dá)到 30%～80%左右時，變形模量降低量為6%～14%；當(dāng)卸荷量達(dá)到總卸荷量的80%～100%左右時，變形模量有較大幅度降低，降低量為42%～52%?？梢姽?jié)理巖體接近屈服后，變形模量有大幅度的降低，巖體質(zhì)量劣化程度比完整巖體更大。

3.2.2 巖體變形特征分析

表3列出了節(jié)理巖體卸荷破壞過程中各巖樣的變形特征。從表中可以看出，相比完整巖樣，節(jié)理間距較小節(jié)理巖樣卸荷過程中發(fā)生的變形及峰值變形和完整巖樣接近，而節(jié)理間距較大時巖樣變形明顯大于完整巖樣；節(jié)理巖樣屈服-峰值應(yīng)變差值明顯大于完整巖樣，說明節(jié)理巖樣屈服后，變形的發(fā)展要快于完整巖樣，屈服后更容易破壞；從完整巖樣和節(jié)理巖樣破壞后達(dá)到殘余強(qiáng)度之間發(fā)生的變形來看，含節(jié)理巖樣的脆性特征不如完整巖樣明顯，巖樣達(dá)到殘余強(qiáng)度前發(fā)生的變形明顯大于完整巖樣。

表3 卸荷破壞變形特征分析Table 3 Analysis of the variation characteristics under unloading failure

圖4為卸荷過程中軸向變形隨圍壓的變化規(guī)律。可以看出，卸荷過程中，巖體軸向變形的增加和變形模量的降低有相似的規(guī)律。隨著圍壓不斷下降，巖體變形不斷增加，在開始卸荷階段增加較慢，當(dāng)卸荷量達(dá)到一定值后，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，變形突然增大，相比于完整巖體卸荷破壞，節(jié)理巖體的拐點(diǎn)更加明顯，說明節(jié)理巖體屈服后很快就達(dá)到破壞強(qiáng)度而產(chǎn)生較大變形。

3.3 強(qiáng)度特征分析

圖5顯示了巖體β角與破壞圍壓之間的關(guān)系。從圖2～5可以看出，含節(jié)理巖體的極限強(qiáng)度明顯低于完整巖體，也就是說，節(jié)理巖體的破壞圍壓要高于完整巖體。圖中空心點(diǎn)表示相同應(yīng)力條件下完整巖樣卸荷破壞時的破壞圍壓，其值接近0 MPa，而含節(jié)理巖體最低破壞圍壓為2.130 MPa（巖樣號為3-23上），最高破壞圍壓為5.474 MPa（巖樣號為4-7上）。說明含節(jié)理巖體卸圍壓時更加容易破壞。節(jié)理間距和巖體強(qiáng)度之間沒有明顯的規(guī)律，說明卸荷破壞對節(jié)理巖體的影響因素是極為復(fù)雜的。

圖4 卸圍壓時圍壓-應(yīng)變變形曲線Fig.4 Confining pressure-strain deformation curves under unloading confining pressure

圖5 β -破壞圍壓關(guān)系Fig.5 Relationship between β and confining pressure

3.4 破壞特征分析

圖6展示了含預(yù)制斷續(xù)節(jié)理砂巖三軸卸荷典型破壞形式。圖中h為兩條預(yù)制節(jié)理間距。

從圖可以看出，巖體卸荷破壞時表現(xiàn)出沿卸荷方向強(qiáng)烈擴(kuò)容破壞特征，巖體產(chǎn)生明顯的側(cè)向膨脹，側(cè)面中部向外鼓出呈鼓狀，預(yù)制節(jié)理間距較小時，特別是預(yù)制節(jié)理分布在巖樣中部時（h =10 mm和h =0 mm），鼓狀特征更加明顯（如圖6(b)、6(c)所示）；與含預(yù)制節(jié)理巖樣三軸加載試驗(yàn)結(jié)果相比[17]，節(jié)理巖體卸荷條件下破壞程度更為強(qiáng)烈，除剪切破裂面外，沿最大主應(yīng)力方向分布的不同級別的張性裂隙非常發(fā)育，巖體破碎程度高，從三軸室取出時已破碎為很多塊，破碎后表面有部分卸荷剝落的張性碎落片，破壞面之間含有許多巖粉及碎裂巖塊；由于加載時預(yù)制節(jié)理端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，巖體首先從預(yù)制裂紋端部開始發(fā)生破壞，產(chǎn)生沿著垂直預(yù)制節(jié)理方向擴(kuò)展的裂紋，沿著最大主應(yīng)力方向向上及向下擴(kuò)展，這一點(diǎn)與加載破壞特征相似，但卸荷破壞時還伴隨有眾多貫穿預(yù)制節(jié)理的張性破裂面。預(yù)制節(jié)理的間距對巖體破壞形態(tài)影響不大。與完整巖體卸荷破壞特征不同的是，預(yù)制節(jié)理巖體卸荷破壞時，很少產(chǎn)生平行于卸荷方向的環(huán)向拉裂面，而這正是完整巖體卸荷破壞的顯著特征，其原因可能是由于預(yù)制節(jié)理方向亦平行于卸荷方向，并且節(jié)理處強(qiáng)度最低，破壞時首先從節(jié)理面處破壞，而其他地方強(qiáng)度較高，不會形成環(huán)向裂紋。

圖6 巖樣三軸卸荷破壞特征Fig.6 Triaxial failure characteristics of rock samples

4 結(jié) 論

（1）相比完整巖體，節(jié)理巖體卸荷破壞時從峰值強(qiáng)度跌落至殘余強(qiáng)度過程中軸向應(yīng)變較大，為完整巖體的3～4倍。巖體在破壞時不像完整巖體那樣劇烈和突然，極限強(qiáng)度明顯低于完整巖體，脆性特征不如完整巖體明顯。

（2）節(jié)理巖體卸荷破壞時，變形模量有較大幅度的降低，其降低程度是同條件下完整巖體的6～7倍；節(jié)理間距越大，變形模量降低程度越大；變形模量隨圍壓的變化規(guī)律與完整巖體類似，都可以分為3個階段，每個階段中變形模量和圍壓關(guān)系接近線性。

（3）與含預(yù)制節(jié)理巖樣三軸加載試驗(yàn)結(jié)果相比，節(jié)理巖體卸荷條件下破壞程度更為強(qiáng)烈，除剪切破裂面外，沿最大主應(yīng)力方向分布的不同級別的張性裂隙非常發(fā)育，巖體破碎程度高，破碎后表面有部分卸荷剝落的張性碎落片，破壞面之間含有許多巖粉及碎裂巖塊；預(yù)制節(jié)理的間距對巖體破壞形態(tài)影響不大。

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