栗 青， 常兆榮， 高 陽， 張春生， 張傳慶， 周 輝

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所， 武漢 430071； 3. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 杭州 310014)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)和資源開發(fā)的快速發(fā)展，隧道建設(shè)、礦山開采、水電開發(fā)等巖體工程將進(jìn)一步向地下深部發(fā)展，使得深部高應(yīng)力下地下工程硬巖破壞與工程災(zāi)害問題無法避免.白鶴灘水電站地質(zhì)條件復(fù)雜，地下洞室在開挖過程中由于受到地質(zhì)條件與施工條件的影響，頻發(fā)圍巖失穩(wěn)破壞，隨著工程的掘進(jìn)和研究工作的深入，對(duì)白鶴灘玄武巖的研究尚不能滿足工程安全運(yùn)行的需要，玄武巖在不同圍壓下的強(qiáng)度特征、破裂演化等特征還沒有得到充分揭示.

本文針對(duì)白鶴灘隱晶質(zhì)玄武巖，在單軸及三軸壓縮條件下研究其脆性破壞特征，分析不同圍壓條件下玄武巖內(nèi)裂隙啟裂、損傷演化過程，測(cè)定其啟裂強(qiáng)度與損傷強(qiáng)度，同時(shí)分析啟裂強(qiáng)度、損傷強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系，揭示玄武巖破壞過程中的強(qiáng)度演化機(jī)制.

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)采用白鶴灘水電站取回的隱晶質(zhì)玄武巖巖塊，并按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266-1999)加工成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣，部分巖樣如圖1所示.

圖1 玄武巖試樣Fig.1 Basalt specimens

巖石的單軸壓縮試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)RMT-150C上進(jìn)行，采用位移控制方式加載，加載速率控制為0.06 mm/min，軸向變形采用LVDT監(jiān)測(cè)記錄.環(huán)向變形采用橫向LVDT監(jiān)測(cè)記錄.

三軸壓縮試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖石剛性壓力機(jī)MTS815上進(jìn)行，試驗(yàn)采用LVDT軸向位移伺服控制，加載速率為峰前0.02 mm/min，峰后0.06 mm/min，環(huán)向變形采用由鏈條連接的伸長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行測(cè)量.試驗(yàn)時(shí)先施加圍壓至預(yù)定值，之后再施加軸壓直至試件破壞.圍壓分別設(shè)定為10、20、30、50、70、90 MPa.每個(gè)圍壓條件下選取5個(gè)試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn).

2 啟裂強(qiáng)度與損傷強(qiáng)度的確定

目前，常用的確定啟裂應(yīng)力的方法為裂紋體積應(yīng)變模型法.根據(jù)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果，由于在試驗(yàn)過程中不可避免地捕捉到較多的噪音信號(hào)，裂紋啟裂瞬間的聲發(fā)射信號(hào)不容易被捕捉到，因此，本文主要根據(jù)裂紋體積應(yīng)變模型確定啟裂應(yīng)力.

圖2 典型巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Typical stress-strain curves of rock

根據(jù)Martin等[1]提出的裂紋體積應(yīng)變模型，巖石體積應(yīng)變由兩部分組成：1)巖石基質(zhì)在荷載作用下產(chǎn)生的彈性變形；2)巖石內(nèi)裂紋在加載過程中由于新裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展、貫通產(chǎn)生的體積變形.裂紋體積應(yīng)變可以表示為

(1)

εv≈ε1+2ε3

(2)

(3)

損傷強(qiáng)度標(biāo)志著巖石內(nèi)部裂紋大量連接、交匯，裂紋的不斷發(fā)育、擴(kuò)展、貫通導(dǎo)致試樣體積應(yīng)變急劇增大，其增大趨勢(shì)逐漸超過加載造成的彈性體積壓縮趨勢(shì)，體積應(yīng)變曲線逐漸出現(xiàn)拐點(diǎn)，將該點(diǎn)作為巖石的損傷強(qiáng)度，之后即使應(yīng)力不增加，裂紋也會(huì)不斷擴(kuò)展貫通.因此，損傷強(qiáng)度也被稱為裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展的起點(diǎn)、初始屈服點(diǎn)、巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度等.

3 玄武巖單、三軸力學(xué)響應(yīng)規(guī)律

3.1 玄武巖單軸壓縮試驗(yàn)

圖3 單軸壓縮條件下玄武巖應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of basalt under uniaxial compression condition

3.1.2 單軸壓縮試驗(yàn)破壞特征

圖4為玄武巖單軸壓縮試樣破壞形態(tài).試驗(yàn)過程中，隱晶質(zhì)玄武巖巖樣破壞過程非常劇烈，有很多碎片或碎塊猛烈飛濺，伴隨巨大聲響，破壞后的碎片主要呈薄片狀，剩余部分呈塊狀，豎向的破裂面較為干凈，無粉末分布，表現(xiàn)為拉伸破壞模式.可以看出，破壞面與加載方向平行或近似平行，玄武巖脆性破壞特征顯著.圖5為破裂面斷口的電鏡掃描結(jié)果.可見斷裂面基本沒有顆粒附著，表面的裂紋呈不規(guī)則的臺(tái)階狀，粗糙度顯著，表明在單軸條件下，玄武巖試件破壞機(jī)制為拉伸破壞.

3.1.3 單軸壓縮試驗(yàn)強(qiáng)度特征

白鶴灘隱晶質(zhì)玄武巖單軸測(cè)試結(jié)果如表1所示.單軸壓縮條件下隱晶質(zhì)玄武巖試樣的啟裂強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的52.07%，相較于Lac Du Bonnet花崗巖[1]的40%～50%略高，而二者峰值強(qiáng)度基本相同，表明隱晶質(zhì)玄武巖相較于花崗巖顆粒間粘結(jié)強(qiáng)度更高，裂紋擴(kuò)展、發(fā)育需要更高的應(yīng)力水平.隱晶質(zhì)玄武巖損傷強(qiáng)度約為峰值強(qiáng)度的93.6%，基本接近峰值強(qiáng)度，說明巖樣在應(yīng)力臨近峰值強(qiáng)度時(shí)，試樣內(nèi)部迅速出現(xiàn)大量裂隙并擴(kuò)展貫通，此時(shí)，由于能量釋放過于集中，導(dǎo)致試樣發(fā)生劇烈的脆性破壞，出現(xiàn)碎塊狀炸裂現(xiàn)象，巖樣失去承載能力，無峰后殘余段.

圖4 單軸壓縮條件下玄武巖破壞形態(tài)Fig.4 Failure morphologies of basalt under uniaxial compression condition

圖5 單軸壓縮破裂面斷口電鏡掃描照片F(xiàn)ig.5 SEM images of fracture surface under uniaxial compression

表1 隱晶質(zhì)玄武巖單軸測(cè)試結(jié)果Tab.1 Results of uniaxial tests on aphanitic basalt

3.2 玄武巖三軸壓縮試驗(yàn)

圖6 三軸壓縮條件下玄武巖應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of basalt under triaxial compression condition

3.2.2 三軸壓縮試驗(yàn)破壞特征

圖7為三軸壓縮條件下隱晶質(zhì)玄武巖破壞形態(tài).試樣破壞時(shí)可以聽到清脆的破裂聲響，由破壞面的外觀形態(tài)可以看到，有圍壓作用時(shí)巖樣的破壞主要由一條斜向的宏觀主裂紋造成，當(dāng)圍壓增加到30 MPa以后，破裂面會(huì)出現(xiàn)一條或多條水平裂紋，而且隨著圍壓的增大，主裂紋的角度并沒有呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，高圍壓下仍是大角度斜向剪切破壞.圖8～9為圍壓30 MPa與90 MPa下破裂面斷口電鏡掃描結(jié)果.隨著圍壓增大，破壞面表面逐漸平緩，甚至出現(xiàn)剪切擦痕，且破壞面表面遍布巖粉，放大后可以看出破壞面微觀結(jié)構(gòu)層次感逐漸減弱，表明隨著圍壓增大，試樣的剪切破壞特征逐漸明顯，剪切破壞強(qiáng)度提高，破壞面巖粉顆粒減小，破壞面表面趨于光滑.

3.2.3 三軸壓縮試驗(yàn)強(qiáng)度特征

表2為不同圍壓下玄武巖啟裂強(qiáng)度與損傷強(qiáng)度.由于巖樣具有離散性，表2中數(shù)據(jù)為試驗(yàn)結(jié)果平均值.

圖7 三軸壓縮條件下玄武巖破壞形態(tài)Fig.7 Failure morphologies of basalt under triaxial compression condition

圖8 圍壓30 MPa下破裂面斷口電鏡掃描照片F(xiàn)ig.8 SEM images of fracture surface under confining pressure of 30 MPa

圖9 圍壓90 MPa下破裂面斷口電鏡掃描照片F(xiàn)ig.9 SEM images of fracture surface under confining pressure of 90 MPa

由表2可知，三軸壓縮條件下試樣的啟裂強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的48.4%～53.1%，損傷強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的92.4%～96.6%.隨著圍壓不斷升高，巖石的啟裂強(qiáng)度與損傷強(qiáng)度隨之增加，但二者與峰值強(qiáng)度的比值無明顯變化，巖樣中的裂隙在峰值強(qiáng)度附近迅速出現(xiàn)并擴(kuò)展，在宏觀主裂紋擴(kuò)展的同時(shí)，兩側(cè)的巖塊發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成水平裂紋的產(chǎn)生，巖樣發(fā)生破壞.

表2 隱晶質(zhì)玄武巖三軸測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of triaxial tests on aphanitic basalt

3.3 強(qiáng)度參數(shù)

利用上述試驗(yàn)測(cè)得的隱晶質(zhì)玄武巖在不同圍壓條件下的強(qiáng)度特征值，進(jìn)行強(qiáng)度參數(shù)擬合.圖10為起裂強(qiáng)度、損傷強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系.表3為隱晶質(zhì)玄武巖的強(qiáng)度參數(shù).

在圍壓作用下，巖樣的內(nèi)部初始裂隙被壓密，處于閉合狀態(tài)，隨著壓力的增大，新生的裂隙在擴(kuò)展前需要克服裂隙面上的摩擦作用.由擬合的強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果可以看出，隱晶質(zhì)玄武巖峰值階段的內(nèi)摩擦角φ明顯大于啟裂階段的內(nèi)摩擦角φ0.這是由于巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到啟裂應(yīng)力時(shí)，雖有微裂隙的萌生擴(kuò)展，但裂隙面間并沒有大規(guī)模的相對(duì)滑移，因此，摩擦強(qiáng)度并未起到明顯的作用，其強(qiáng)度主要來源于裂隙面張開所需要的粘聚力，其內(nèi)摩擦角φ0較小.

圖10 啟裂強(qiáng)度、損傷強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系Fig.10 Relationship between cracking strength，damage strength，peak strength and confining pressure

表3 隱晶質(zhì)玄武巖的強(qiáng)度參數(shù)Tab.3 Strength parameters of aphanitic basalt

巖石強(qiáng)度達(dá)到啟裂強(qiáng)度之后，巖石微裂隙啟裂擴(kuò)展，損傷逐步累積，巖石裂隙面出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到損傷強(qiáng)度時(shí)，巖樣體積變形由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹，巖樣內(nèi)部微裂紋開始大規(guī)模擴(kuò)展，裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展需要克服接觸面間的摩擦阻力，此時(shí)巖石的摩擦強(qiáng)度逐步發(fā)揮，內(nèi)摩擦角也逐步增大到φ1=39.11°.

隱晶質(zhì)玄武巖損傷階段到峰值階段的裂紋擴(kuò)展非常迅速，裂紋擴(kuò)展伴隨著粘聚力的損失，巖樣內(nèi)部裂紋規(guī)模達(dá)到加載過程中的最大值，裂紋相互貫通形成宏觀破壞面，導(dǎo)致峰值應(yīng)力下巖樣的脆性破壞，其粘聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度均得到最大發(fā)揮.

4 結(jié) 論

2) 通過對(duì)單軸及三軸條件下的破壞特征進(jìn)行分析，單軸時(shí)隱晶質(zhì)玄武巖巖樣破壞過程非常劇烈，破壞后的碎片主要成薄片狀，豎向的破裂面較為干凈，無粉末分布，表現(xiàn)為拉伸破壞模式.三軸壓縮條件下，有圍壓作用時(shí)巖樣的破壞主要由一條斜向的宏觀主裂紋造成，且主裂紋的角度并沒有呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性.

3) 通過裂紋體積應(yīng)變模型，計(jì)算得到了單軸及三軸條件下巖樣的啟裂強(qiáng)度與損傷強(qiáng)度，相較于花崗巖(啟裂強(qiáng)度40%，損傷強(qiáng)度80%)略高，尤其是隱晶質(zhì)玄武巖的損傷強(qiáng)度基本接近峰值強(qiáng)度.

4) 利用M-C準(zhǔn)則進(jìn)行參數(shù)擬合，可以看到隨著圍壓的增大，隱晶質(zhì)玄武巖的啟裂強(qiáng)度與損傷強(qiáng)度不斷增大，啟裂階段的內(nèi)摩擦角φ0=23.32°，損傷階段的內(nèi)摩擦角φ1=39.11°，與峰值階段接近，揭示了玄武巖破壞過程中強(qiáng)度的演化機(jī)制.