強(qiáng)少輝， 楊圣奇， 周傳濤， 陶 焱， 甄治國

(1. 中鐵二十局集團(tuán) 第四工程有限公司，山東 青島 266061; 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

巖體經(jīng)歷漫長的地質(zhì)構(gòu)造作用后，內(nèi)部產(chǎn)生各種規(guī)模的結(jié)構(gòu)面。隨著巖體尺寸的增加，巖體從完整巖石向節(jié)理裂隙化巖石轉(zhuǎn)化。巖體中存在各種形態(tài)、大小、間距、密度和方向不同的不連續(xù)面，使巖體具有不連續(xù)性和各向異性的特性，成為巖體結(jié)構(gòu)研究的難點(diǎn)之一。同時(shí)，在深部隧道開挖等地下工程過程中，巖體一側(cè)約束被解除，處于卸荷狀態(tài)。卸荷易引起巖爆、大變形等工程災(zāi)害，嚴(yán)重威脅地下工程的穩(wěn)定，所以充分認(rèn)識(shí)節(jié)理巖體卸荷力學(xué)行為對(duì)保障地下工程安全開挖具有重要的工程實(shí)踐意義。

針對(duì)節(jié)理巖體，一些研究學(xué)者[1-5]采用天然巖體開展了研究。Mcdermott et al[1]描述了節(jié)理試樣巖芯鉆取、原位保護(hù)、分離母巖及室內(nèi)加工的工藝過程，為后來的室內(nèi)試驗(yàn)提供了很好的借鑒。李宏哲等[2]對(duì)取自錦屏二級(jí)水電站節(jié)理傾角為29.3°～56.0°的大理巖試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，大理巖強(qiáng)度及變形破壞特征主要取決于節(jié)理面與最大主應(yīng)力夾角大小。夏才初等[3]開展了含貫通節(jié)理面花崗巖試件在不同加卸載應(yīng)力路徑下的變形特性三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，2種不同主應(yīng)力差卸載路徑對(duì)含節(jié)理巖石試件的變形特征有明顯影響。曹平等[4]選用甘肅金川礦區(qū)節(jié)理巖石在不同法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，研究其不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律和剪切前后節(jié)理表面形貌特征的變化情況。劉健等[5]開展了不同壓應(yīng)力條件下深部花崗巖中天然開啟節(jié)理剪切性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，不同壓應(yīng)力條件下，天然開啟節(jié)理的剪切變形特征具有一致性。鑒于獲取含天然節(jié)理巖石相對(duì)困難，國內(nèi)外學(xué)者[6-12]開始采用制備人工節(jié)理的方法來進(jìn)行研究。Li et al[7]對(duì)取自江西露天礦尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的硅化石灰?guī)r采用巴西劈裂法得到人工節(jié)理試樣，對(duì)節(jié)理試樣進(jìn)行了恒定法向載荷下直剪試驗(yàn)。Zhang et al[8]進(jìn)行了含節(jié)理大理巖的單軸壓縮試驗(yàn)，表明節(jié)理試樣破壞模式為單裂紋破壞和X型裂紋破壞。李樹忱等[9]以預(yù)制貫穿節(jié)理類巖石試件為研究對(duì)象，研究了傾角對(duì)貫穿節(jié)理類巖石試件峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線、破壞形式和殘余強(qiáng)度等的影響。劉泉聲等[10]探究了自然巖石材料在不同法向力及剪切力作用下的受力和變形特征，對(duì)比分析了巖性及節(jié)理面法向應(yīng)力等因素對(duì)加錨節(jié)理巖體剪切力學(xué)特性的影響規(guī)律。王桂林等[11]研究了不同傾角節(jié)理砂巖能量演化機(jī)制，分析了節(jié)理砂巖峰值點(diǎn)各能量指標(biāo)和峰前、峰后能量突變幅度的傾角效應(yīng)。蘇海健等[12]借助3D打印技術(shù)預(yù)制節(jié)理試樣，研究了節(jié)理粗糙度及圍壓對(duì)節(jié)理巖體強(qiáng)度、變形模量及破裂特征的影響。

開挖卸壓導(dǎo)致的損傷帶力學(xué)行為明顯區(qū)別于加載導(dǎo)致的損傷[13]，卸圍壓對(duì)巖石力學(xué)行為、破裂過程及破裂模式的影響已有不少試驗(yàn)研究成果[14-15]。He et al[16]研究了真三軸單面動(dòng)態(tài)卸壓過程中聲發(fā)射特征，結(jié)果表明隨著壓力的升高，聲發(fā)射信號(hào)的幅值逐漸增大。Zhao et al[17]進(jìn)行一系列不同速率卸圍壓試驗(yàn)，指出破壞過程中的強(qiáng)烈程度和聲發(fā)射能量釋放受卸圍壓速率的影響。Li et al[18-19]對(duì)長方體花崗巖和砂巖試樣進(jìn)行真三軸卸最小主應(yīng)力試驗(yàn)，表明試樣的強(qiáng)度、剛度、高寬比和第二主應(yīng)力的大小都會(huì)對(duì)試樣最終破裂模式產(chǎn)生影響。Zhou et al[20]使用核磁共振技術(shù)從細(xì)觀層面研究了卸圍壓過程中試樣的破裂演化特征，表明隨著卸圍壓速率的升高，小孔和大孔的個(gè)數(shù)、尺寸都會(huì)有所增加。Li et al[21]研究了花崗巖不同加載路徑下能量演化特征，結(jié)果表明在卸壓過程中環(huán)向應(yīng)變能增加速度大于軸向應(yīng)變能，同時(shí)更容易發(fā)生巖爆。Meng et al[22]研究了層狀砂巖不同高溫下卸圍壓破裂特征，結(jié)果表明當(dāng)閾值溫度在120～150 ℃之間，其后砂巖強(qiáng)度迅速降低、泊松比迅速上升，而30°時(shí)為最不利傾角。Dai et al[23]根據(jù)耗散能和切線模量定量研究卸圍壓過程中損傷演化，結(jié)果表明卸圍壓過程中損傷快速增加。李冰洋等[24]開展不同飽水系數(shù)試樣卸圍壓試驗(yàn)，研究水對(duì)頁巖卸荷力學(xué)特性的影響。楊永杰等[25]開展煤、砂巖不同圍壓和不同卸載速率三軸卸圍壓試驗(yàn)，并分析了聲發(fā)射信號(hào)，探討了波形型號(hào)的能量、頻譜特征及卸荷破壞前兆。

綜上所述，雖然過去針對(duì)節(jié)理巖體及完整巖體卸圍壓力學(xué)行為展開了不少研究，但關(guān)于節(jié)理巖體卸圍壓損傷破裂機(jī)理的研究不夠深入。因此，使用預(yù)制節(jié)理砂巖試樣，開展恒定軸向加載速率卸圍壓試驗(yàn)，探究節(jié)理傾角對(duì)巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強(qiáng)度及變形參數(shù)、破裂模式及聲發(fā)射特征的影響規(guī)律。

1 節(jié)理試樣制備及試驗(yàn)程序

1.1 節(jié)理試樣制備

試驗(yàn)所用試樣為綠砂巖，X射線衍射分析結(jié)果顯示,砂巖礦物組分主要為石英32.63%、鈣長石46.79%、鈉長石16.25%、高嶺石2.77%、伊利石1.54%(體積百分比)，孔隙率為0.307%。為了減少節(jié)理張開度、延展性、粗糙度及充填度等參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用人工制備節(jié)理，進(jìn)而突出節(jié)理傾角對(duì)砂巖卸荷力學(xué)行為的影響。首先,將砂巖巖塊切分成尺寸為80 mm×50 mm×100 mm的矩形塊體，并用金剛石鋸在矩形塊體50 mm×100 mm平面上切割出有不同角度且30 mm深的凹槽。然后，用V形錐劈裂巖石來產(chǎn)生貫通拉裂隙，裂隙傾角(α)分別設(shè)置為10°、20°、30°、40°及50°。最后，用金剛石鋸切割矩形塊體凹槽一側(cè)獲得具有單條張性節(jié)理的長方體試樣(50 mm×50 mm×100 mm)。根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，使用巖石研磨機(jī)拋光長方體的各個(gè)端面，加工得到含不同節(jié)理角度砂巖試樣如圖1所示。

圖1 不同節(jié)理角度砂巖試樣

1.2 試驗(yàn)程序

節(jié)理砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)所用儀器為GCTS RTX-4000高溫高壓動(dòng)態(tài)巖石三軸儀。該設(shè)備可采用應(yīng)力控制或者應(yīng)變控制，適用于巖石單軸、三軸、抗彎、抗拉、斷裂、蠕變以及其他壓縮測試。該設(shè)備軸向加載最大可達(dá)4 000 kN，最大圍壓可達(dá)140 MPa。軸向位移通過2個(gè)LVDT位移傳感器的平均值測定，另外2個(gè)LVDT用于記錄試驗(yàn)中長度和寬度方向的變形位移。同時(shí)試驗(yàn)過程加入Micro-Ⅱ Digital AE system聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射事件。

節(jié)理砂巖卸圍壓試驗(yàn)初始圍壓設(shè)置為30 MPa，卸載速率設(shè)置為3 MPa/min，砂巖試樣節(jié)理角度設(shè)置為完整、10°、20°、30°、40°、50°。具體加載步驟如下：①以應(yīng)力控制施加圍壓σ3至預(yù)定水平，加載速率為4 MPa/min，同時(shí)施加軸壓使試樣處于靜水平衡狀態(tài)(σ1=σ2=σ3)；②以應(yīng)變控制施加軸壓，加載速率0.04%/min，保持圍壓σ3不變，持續(xù)加載軸壓至預(yù)置的卸載點(diǎn)；③繼續(xù)加載軸向應(yīng)力，采用應(yīng)力控制圍壓卸載，以設(shè)定的圍壓卸載速率減小圍壓直到巖樣破壞。

圖2給出了卸圍壓試驗(yàn)中典型的應(yīng)力、應(yīng)變和圍壓隨時(shí)間的變化曲線，其中卸載點(diǎn)σ0為對(duì)應(yīng)常規(guī)三軸80%峰值偏應(yīng)力。

圖2 卸圍壓試驗(yàn)典型應(yīng)力-應(yīng)變時(shí)間曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同傾角節(jié)理砂巖試樣卸圍壓三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3給出了不同傾角節(jié)理砂巖試樣常規(guī)三軸及卸圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖3(a)可以看出常規(guī)三軸壓縮(σ3=30 MPa)條件下，節(jié)理傾角對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響主要體現(xiàn)在θ=50°，其強(qiáng)度明顯降低。在θ=30°和40°時(shí)，試樣發(fā)生脆性破壞。但峰后由于宏觀裂紋之間的摩擦力，峰后存在明顯的殘余強(qiáng)度，且不同傾角對(duì)峰后殘余強(qiáng)度影響較小。而卸圍壓條件下，節(jié)理傾角對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前特征的影響與常規(guī)三軸相似。但在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，由于圍壓持續(xù)下降，試樣發(fā)生緩慢破壞，峰后應(yīng)力緩慢降低。同時(shí)由于圍壓持續(xù)降低，宏觀剪切裂紋之間的摩擦力逐漸降低，導(dǎo)致試樣峰后不存在殘余強(qiáng)度。

圖3 不同傾角節(jié)理砂巖試樣常規(guī)及卸圍壓三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 不同傾角節(jié)理砂巖試樣卸圍壓三軸強(qiáng)度和變形規(guī)律

為了定量研究節(jié)理傾角對(duì)力學(xué)參數(shù)的影響，圖4～圖6給出了節(jié)理傾角對(duì)卸圍壓試樣強(qiáng)度及變形特征的影響。從圖4可看出,峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圍壓隨著節(jié)理傾角的增大不斷增大，一定程度上說明試樣破壞對(duì)應(yīng)的圍壓逐漸增大，試樣對(duì)卸圍壓的抵抗能力不斷降低。而峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變隨著傾角的增大呈先基本不變后逐漸降低趨勢，說明沿節(jié)理面滑移增加試樣承受軸向應(yīng)變的能力，而當(dāng)助裂紋沿節(jié)理滑動(dòng)時(shí)，可能會(huì)降低試樣承受軸向應(yīng)變的能力。從圖5可以看出，隨著傾角增大，節(jié)理試樣常規(guī)三軸及卸圍壓峰值強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先升高后降低，再升高后迅速降低的趨勢。卸圍壓峰值強(qiáng)度與常規(guī)三軸峰值強(qiáng)度隨節(jié)理傾角的變化趨勢相同，且不同傾角下兩者之間的差距相似。一定程度上說明節(jié)理傾角對(duì)試樣的峰值強(qiáng)度起到主要控制作用，同時(shí)卸圍壓路徑對(duì)不同傾角節(jié)理試樣的影響相同。

圖4 傾角對(duì)砂巖峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)圍壓及軸向應(yīng)變影響

圖5 傾角對(duì)砂巖峰值強(qiáng)度影響

圖6 卸圍壓試驗(yàn)砂巖試樣側(cè)向各向異性變形

圖6給出了側(cè)向應(yīng)變隨節(jié)理傾角的變化，圖6中ε2及ε3分別代表平行節(jié)理方向及垂直節(jié)理方向的峰值側(cè)向應(yīng)變。從圖6中可以看出,平行節(jié)理方向的側(cè)向應(yīng)變明顯大于垂直節(jié)理方向，說明節(jié)理一定程度上增加了平行于節(jié)理方向的橫向變形。隨著節(jié)理增大，峰值橫向應(yīng)變整體呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，在θ=30°時(shí)達(dá)到最大值。節(jié)理傾角增大，一定程度上增加了橫向變形分量，同時(shí)降低了試樣的承載能力，對(duì)應(yīng)的峰值軸向應(yīng)變?cè)讦?30°時(shí)開始降低，進(jìn)而導(dǎo)致橫向變形呈先增加后降低趨勢。同時(shí)可以看出，隨著節(jié)理傾角增大，ε2及ε3差距逐漸增加，說明節(jié)理對(duì)試樣的橫向變形的差異性影響逐漸增加。

2.3 不同傾角節(jié)理砂巖試樣卸圍壓三軸破壞和聲發(fā)射特征

為了探究上述強(qiáng)度及變形參數(shù)隨節(jié)理傾角的演化機(jī)理，圖7給出了常規(guī)三軸及卸圍壓條件下節(jié)理砂巖試樣最終破裂模式。從圖7可以看出，完整試樣主要發(fā)生剪切破壞，三軸壓縮下存在1條主剪切裂紋，而在卸圍壓條件下存在3條剪切裂紋。常規(guī)三軸壓縮剪切裂紋平均破壞角為68°，而卸圍壓剪切裂紋平均破壞角為72.6°。卸圍壓過程中，側(cè)向變形增大，節(jié)理擴(kuò)展更加復(fù)雜，同時(shí)裂紋擴(kuò)展有向劈裂裂紋發(fā)展的趨勢。當(dāng)θ≤30°時(shí)，節(jié)理的存在對(duì)試樣的破裂模式影響較小，宏觀剪切裂紋直接貫穿節(jié)理，沿原有方向擴(kuò)展。同樣常規(guī)三軸剪切裂紋平均破壞角分別為65.72°、66°、64.5°，卸圍壓剪切裂紋平均破壞角分別為74.5°、70°、62.5°，總體上卸圍壓剪切裂紋平均破壞角較三軸壓縮大。卸圍壓條件雖然增加了裂紋分布的復(fù)雜程度，但未改變?cè)嚇映始羟衅茐牡默F(xiàn)實(shí)。而當(dāng)θ=40°時(shí)，剪切裂紋在3、4面的起裂點(diǎn)在節(jié)理處，而2面上的剪切裂紋穿過節(jié)理，并有一部分與節(jié)理重合。說明節(jié)理存在一定對(duì)剪切裂紋的起裂及擴(kuò)展產(chǎn)生影響。同樣，卸圍壓下剪切裂紋與節(jié)理重合部分更加明顯。根據(jù)摩爾庫侖準(zhǔn)則，三軸壓縮下試樣發(fā)生剪切破壞時(shí)，剪切破壞角可以通過β=45°+φ/2 計(jì)算，其中，φ為內(nèi)摩擦角。通過計(jì)算，完整試樣三軸壓縮剪切裂紋破壞角為67.5°，與室內(nèi)試驗(yàn)測得的結(jié)果68°接近。而當(dāng)剪切裂紋沿θ=40°節(jié)理面產(chǎn)生滑移時(shí)，其法向應(yīng)力分量明顯大于68°，所以導(dǎo)致剪切滑動(dòng)較困難，進(jìn)而導(dǎo)致θ=40°試樣峰值強(qiáng)度會(huì)有所升高。同樣由于節(jié)理面缺失黏聚力，其軸向應(yīng)變響應(yīng)減小。當(dāng)θ=50°時(shí)，三軸壓縮及卸圍壓下試樣主要產(chǎn)生沿節(jié)理面的滑移破壞。由于傾角增大，法向應(yīng)力分量減小，切向應(yīng)力分量增大，試樣較容易發(fā)生剪切滑移，導(dǎo)致試樣峰值強(qiáng)度明顯降低。同樣由于黏聚力缺失，軸向峰值應(yīng)變及側(cè)向峰值應(yīng)變明顯減小。

圖7 常規(guī)三軸及卸圍壓三軸試驗(yàn)條件下節(jié)理砂巖試樣最終破裂模式

聲發(fā)射特征可以一定程度上反映試樣損傷破裂演化過程。圖8給出了不同傾角節(jié)理砂巖試樣卸圍壓試驗(yàn)聲發(fā)射特征，圖8中σ1～σ3代表偏應(yīng)力，AE代表聲發(fā)射事件數(shù)，AAE代表累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)。從圖8可以看出,在初始?jí)好茈A段，出現(xiàn)了少量的聲發(fā)射事件，主要是由于裂隙閉合過程晶粒調(diào)整導(dǎo)致的。而隨著節(jié)理傾角增大，初始?jí)好芏温暟l(fā)射事件越來越不明顯。主要由于隨著傾角增大，法向應(yīng)力分量逐漸降低，節(jié)理處的壓縮調(diào)整更加不明顯。而進(jìn)入彈性階段，聲發(fā)射事件不明顯，此時(shí)試樣內(nèi)裂紋擴(kuò)展較少。而進(jìn)入塑性段，當(dāng)θ≤30°時(shí)聲發(fā)射事件不明顯；而當(dāng)θ≥40°時(shí)，由于剪切裂紋會(huì)有部分沿節(jié)理滑移，峰前節(jié)理滑移同樣會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射事件。峰后聲發(fā)射事件總體上呈現(xiàn)持續(xù)緩慢增加，軸向應(yīng)力降低的劇烈程度相較于三軸壓縮較緩，說明卸圍壓峰后裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)放緩。常規(guī)三軸壓縮過程峰后彈性應(yīng)變能主要通過裂紋擴(kuò)展釋放，而卸圍壓過程中由于側(cè)向應(yīng)變做負(fù)功，一定程度上消耗了部分彈性應(yīng)變能，峰后試樣應(yīng)變能釋放劇烈程度降低。

圖8 不同角度節(jié)理砂巖試樣卸圍壓試驗(yàn)聲發(fā)射事件

3 結(jié)論

使用預(yù)制節(jié)理砂巖試樣，開展了含不同傾角節(jié)理試樣卸圍壓三軸試驗(yàn)，研究了節(jié)理傾角對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強(qiáng)度變形參數(shù)、破裂特征及聲發(fā)射特征的影響，主要得到如下結(jié)論：

(1) 卸圍壓對(duì)節(jié)理砂巖試樣峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征影響較小，主要受到節(jié)理傾角控制，而峰后卸圍壓使得殘余強(qiáng)度消失，應(yīng)力隨加載逐漸降低。

(2) 隨著節(jié)理傾角增大，試樣承受卸圍壓的能力逐漸降低；而峰值應(yīng)變隨著節(jié)理傾角呈先基本不變，后逐漸降低的趨勢。卸圍壓試樣峰值強(qiáng)度較常規(guī)三軸壓縮低，且隨節(jié)理傾角的變化趨勢相同，在θ=40°時(shí)出現(xiàn)異常，主要是節(jié)理存在導(dǎo)致剪切裂紋向節(jié)理偏移，而節(jié)理傾角此時(shí)明顯比完整巖體剪切裂紋破壞小，剪切應(yīng)力分量較小，而法向應(yīng)力分量較大。

(3) 壓密階段聲發(fā)射事件隨節(jié)理傾角增大越來越不明顯，彈性階段聲發(fā)射事件較少。而進(jìn)入塑性段，當(dāng)θ≤30°時(shí)聲發(fā)射事件不明顯；而當(dāng)θ≥40°時(shí)，由于剪切裂紋會(huì)有部分沿節(jié)理滑移，峰前節(jié)理滑移同樣會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射事件。峰后聲發(fā)射事件緩慢增加，主要是卸圍壓導(dǎo)致側(cè)向做負(fù)功，一定程度上降低了彈性應(yīng)變能釋放的劇烈程度。