石 卉

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

水庫是調(diào)配水資源的重要基礎(chǔ)設(shè)施,在運(yùn)營過程中,其巖土體會(huì)受到不同程度的循環(huán)荷載作用,比如地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震作用、水庫水位升降等,影響著庫區(qū)邊坡的長期穩(wěn)定性[1]。由于花崗巖巖體的力學(xué)強(qiáng)度較大,但存在著不同尺度的裂隙、裂紋和結(jié)構(gòu)面,在復(fù)雜的地下應(yīng)力狀態(tài)時(shí),其變形和力學(xué)破壞規(guī)律表現(xiàn)為明顯的時(shí)變性,解釋其疲勞荷載下的力學(xué)行為顯得尤為重要,有助于建立花崗巖巖體的本構(gòu)關(guān)系,對(duì)于工程設(shè)計(jì)、施工安全和運(yùn)營加固都具有十分重要的意義[2-4]。

1 工程背景

1.1 工程概況

某擬建水庫位于“V”型山谷內(nèi),水庫主要建筑物有攔河壩、溢洪道及導(dǎo)流輸水隧洞,是一座以灌溉為主,兼顧人畜飲水的小(一)型水利工程。區(qū)內(nèi)地貌在形成過程中,構(gòu)造作用居主導(dǎo)地位,山脈走向與主干河流走向主要受北西向構(gòu)造制約,呈近北西向展布。而支流多受北東及近南北向構(gòu)造和巖性的控制。根據(jù)地貌成因,可分為侵蝕構(gòu)造中山地貌和侵蝕堆積河谷階地地貌兩類地貌[5]。侵蝕構(gòu)造中山地貌為淺切割中山、斜坡和陡坡地貌,測(cè)區(qū)內(nèi)廣泛分布,其中山麓為斜坡、陡坡地貌,山坡和谷坡為斜坡、陡坡,山頂?shù)匦屋^緩,多已被侵蝕成平緩坡地。

1.2 工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)工程地質(zhì)花崗巖屬于硬脆性材料,主要為中酸性侵入花崗巖,具有花崗結(jié)構(gòu)、半自形中粒粗狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造,巖體成分主要石英(無色,含量25.3%)、斜長石(無色,含量60.1%)、黑云母(棕褐色,含量5%)、角閃石(褐綠色,含量8.5%)、綠泥石(黃綠色,含量1.1%)。對(duì)場(chǎng)區(qū)花崗巖進(jìn)行取樣試驗(yàn),得到其物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 壩址區(qū)域巖土室內(nèi)試驗(yàn)物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

表2 不同加載工況條件下單軸循環(huán)荷載和三軸循環(huán)荷載花崗巖強(qiáng)度和變形測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2 材料與方法

在為了研究花崗巖在循環(huán)荷載作用下的變形和強(qiáng)度變化規(guī)律,在現(xiàn)場(chǎng)通過小擾動(dòng)的取樣方案,獲取弱風(fēng)化花崗巖的圓柱狀試驗(yàn),試驗(yàn)高度為150 mm,直徑為75 mm[6-8]。試驗(yàn)采用中國科學(xué)研究院生產(chǎn)的巖石RMT-159C型壓縮儀,該儀器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體單軸循環(huán)加載和三軸循環(huán)加載,軸向壓力最大可以達(dá)到2 000 kN,軸向位移可以最大測(cè)試200 mm,三軸循環(huán)加載時(shí)圍壓可以加到最大為15 MPa。

本研究采用單軸循環(huán)加載試驗(yàn)和三軸循環(huán)加載試驗(yàn)對(duì)比的方法,對(duì)花崗巖的應(yīng)力應(yīng)變過程和力學(xué)參數(shù)、變形參數(shù)進(jìn)行分析。按照循環(huán)加載的上限應(yīng)力σmax和循環(huán)加載的下限應(yīng)力σmin,將加載循環(huán)分為n次[9-10]。在單軸循環(huán)加載時(shí),圍壓設(shè)置為0,并設(shè)置3中不同的工況進(jìn)行對(duì)比,工況A:在第1個(gè)循環(huán)荷載時(shí),先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=5 MPa,隨后第2個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=35 MPa,在第3個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=50 MPa,隨后的第4,……,n個(gè)循環(huán)荷載的加載增量為15 MPa;工況B:在第1個(gè)循環(huán)荷載時(shí),先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=5 MPa,隨后第2個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=30 MPa,在第3個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=45 MPa,隨后的第4,……,n個(gè)循環(huán)荷載的加載增量為15 MPa;工況C:在第1個(gè)循環(huán)荷載時(shí),先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=5 MPa,隨后第2個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=30 MPa,在第3個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=50 MPa,隨后的第4,……,n個(gè)循環(huán)荷載的加載增量為15 MPa。

在三軸循環(huán)加載時(shí),圍壓設(shè)置為15 MPa,并設(shè)置3中不同的工況進(jìn)行對(duì)比,工況D:在第1個(gè)循環(huán)荷載時(shí),先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=15 MPa,隨后第2個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=150 MPa,在第3個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=200 MPa,隨后的第4,……,n個(gè)循環(huán)荷載的加載增量為30 MPa;工況E:在第1個(gè)循環(huán)荷載時(shí),先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=15 MPa,隨后第2個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=170 MPa,在第3個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=200 MPa,隨后的第4,……,n個(gè)循環(huán)荷載的加載增量為30 MPa;工況F:在第1個(gè)循環(huán)荷載時(shí),先將循環(huán)荷載加載到σmin,1=5 MPa,隨后第2個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=140 MPa,在第3個(gè)循環(huán)荷載加載到σmin,2=170 MPa,隨后的第4,……,n個(gè)循環(huán)荷載的加載增量為30 MPa。

3 結(jié)果與分析

圖1～圖3為單軸循環(huán)荷載下工況A、工況B和工況C的花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出,3種不同加載工況的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律較為一致,大致可以分為2個(gè)階段,在峰值強(qiáng)度前的非線性增加階段和峰值強(qiáng)度后者迅速減小階段。在荷載加載初期,由于花崗巖內(nèi)部存在各種各樣的微小裂隙和微小節(jié)理,因此受到壓力作用后被壓緊、閉合,導(dǎo)致其塑性應(yīng)變明顯大于加載后期在同一應(yīng)力增量條件下的塑性應(yīng)變。3種不同的加載方式并沒有改變峰值強(qiáng)度前的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系,總體表現(xiàn)為單調(diào)上升的趨勢(shì);而在峰值強(qiáng)度后不同加載方式改變了其應(yīng)力應(yīng)變曲線,在工況A條件下,應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為單調(diào)下降,表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變軟化特征,而在工況B條件下,應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力平臺(tái),表現(xiàn)為應(yīng)力軟化特征減弱,在工況C條件下,應(yīng)力應(yīng)變曲線甚至出現(xiàn)了一定程度的升高,表明循環(huán)荷載作用使得花崗巖的力學(xué)性質(zhì)造成了一定的劣化,循環(huán)荷載使得花崗巖原生的微小裂隙、微小節(jié)理得以擴(kuò)張、貫通和發(fā)育,切割了巖塊的整體完整性,花崗巖試驗(yàn)的承載力得到大幅度的降低,在持續(xù)的循環(huán)加載過程中,裂隙之間的黏聚力喪失,荷載的抵抗主要由裂隙之間的巖塊表面摩擦力提供,并且摩擦力在不斷地適應(yīng)和調(diào)整應(yīng)力狀態(tài),以適應(yīng)新的外力條件,達(dá)到新的平衡后可以繼續(xù)承載,表現(xiàn)為存在一定的殘余強(qiáng)度(曲線出現(xiàn)應(yīng)力平臺(tái)和微弱上升)。由常規(guī)的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可知,花崗巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線在峰值強(qiáng)度后表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂破壞,在極短的時(shí)間內(nèi)失去承載力,應(yīng)力斷崖式下跌,而經(jīng)過單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)的花崗巖則表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象,峰值強(qiáng)度過后試件仍具有一定的承載力和變形能力。

圖1 工況A單軸循環(huán)荷載作用下花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 工況C單軸循環(huán)荷載作用下花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 工況E三軸循環(huán)荷載作用下花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4～圖6為三軸循環(huán)荷載下工況D、工況E和工況F的花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出,與單軸循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變一致,3種不同三軸循環(huán)荷載加載工況的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律較為一致,大致可以分為2個(gè)階段,在峰值強(qiáng)度前的非線性增加階段和峰值強(qiáng)度后迅速減小階段。在峰值強(qiáng)度前,應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為非線性單調(diào)增加,而在峰值強(qiáng)度后這表現(xiàn)為曲線下降,并出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。

對(duì)工況A～工況F的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表1所示。從表1中可以看出,在單軸循環(huán)加載時(shí),按照工況A、工況B和工況C的順序,花崗巖的峰值強(qiáng)度不斷減小,減小幅度范圍為7.95%～18.01%,而按工況B、工況A和工況C的順序,總應(yīng)變、泊松比和彈性模量與峰值應(yīng)變不斷增加,峰值應(yīng)變的增加幅度為14.57%～29.53%,由此表明,在前幾次的循環(huán)荷載加載方式可以明顯改變花崗巖的強(qiáng)度和變形特征;三軸循環(huán)加載時(shí),按照工況D、工況E和工況F的順序,峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、總應(yīng)變、泊松比和彈性模量均不斷減小,峰值強(qiáng)度的減小幅度為11.08%～32.55%,而峰值應(yīng)變的減小幅度為24.64%～41.65%,由此表明,在前幾次的循環(huán)荷載加載方式可以明顯改變花崗巖的強(qiáng)度和變形特征,加載增量越大,峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的減小幅度也越大。相比于單軸循環(huán)荷載試驗(yàn),三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)得到的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變顯著增加,增加約3.0倍,表明圍壓可以明顯增加巖體的抗變形和抗剪切破壞的能力,且三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)的強(qiáng)度和變形受前幾次循環(huán)荷載的加載方式影響更為顯著。

4 結(jié)語

以某水庫為研究對(duì)象,運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)的方法,對(duì)場(chǎng)區(qū)弱風(fēng)化花崗巖進(jìn)行單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)和三軸循環(huán)荷載試驗(yàn),研究其應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1)單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)和三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律較為一致,均可分為2個(gè)變形階段,即應(yīng)變?cè)诜逯祻?qiáng)度前的非線性增加階段和峰值強(qiáng)度后者迅速減小階段;

(2)常規(guī)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到花崗巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線為在峰值強(qiáng)度后表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂破壞,在極短的時(shí)間內(nèi)失去承載力,應(yīng)力斷崖式下跌,而經(jīng)過單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)的花崗巖則表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象,峰值強(qiáng)度過后試件仍具有一定的承載力和變形能力。

(3)前幾次的循環(huán)荷載加載方式可以明顯改變花崗巖的強(qiáng)度和變形特征,相比于單軸循環(huán)荷載試驗(yàn),三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)得到的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變?cè)黾蛹s3.0倍,表明圍壓可以明顯增加巖體的抗變形和抗剪切破壞的能力,且三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)的強(qiáng)度和變形受前幾次循環(huán)荷載的加載方式影響更為顯著。