肖偉晶，王曉軍, 2，李士超，于正興，黃廣黎, 閆　奇

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點實驗室， 江西 贛州 341000；3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

數(shù)字出版日期： 2017-12-19

0　引　言

巖石通常是能源儲存、核廢料處理、水利水電、地下交通和地下礦山等工程的主要介質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境[1-2]，該類地下工程巖體受開挖擾動后，所處應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，引起應(yīng)力重新分布[3]，擾動后的圍壓將向臨空面發(fā)生位移變形，因此研究巖體變形特性對工程巖體災(zāi)害分析與防治具有重要意義[4-6]。

近年來，國內(nèi)外關(guān)于巖石變形及強(qiáng)度特性的研究從未間斷，也取得了豐碩的研究成果。劉俊新[7]等對頁巖展開了不同圍壓及不同應(yīng)變速率下的三軸壓縮試驗，分析并研究了應(yīng)變速率對強(qiáng)度、應(yīng)變和彈性模量的影響；Bieniawshi等[8]和Peng等[9- 10]分別對細(xì)砂巖和凝灰?guī)r等開展不同應(yīng)變速率下的巖石力學(xué)試驗；馬建林等[11]對鹽巖展開三軸循環(huán)加、卸載試驗，研究了循環(huán)荷載對鹽巖變形演化的影響；K. Fuenkajorn等[12]通過對鹽巖進(jìn)行單軸循環(huán)加卸荷試驗，研究周期荷載對鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性及不可逆變形的影響，研究結(jié)果表明，巖石的變形模量和應(yīng)變受循環(huán)次數(shù)的影響是有限的；楊春和等[13]對巖石展開單軸循環(huán)加、卸載力學(xué)試驗，研究了巖石的變形特性，研究結(jié)果表明循環(huán)加卸載能夠強(qiáng)化巖石的變形特性；此外，蘇承東[14]，楊圣奇[15]等分別對巖石展開三軸壓縮試驗，針對巖石三軸壓縮過程中的變形與能量特征進(jìn)行了相關(guān)研究。綜上所述，已有的研究結(jié)論為深入探索巖石變形和強(qiáng)度特性奠定了基礎(chǔ)。但是，關(guān)于滲流-應(yīng)力耦合作用下巖石的變形和強(qiáng)度特性的研究則鮮有報道。

基于此，筆者對紅砂巖展開了恒定圍壓不同滲壓下的三軸壓縮試驗，分析了不同滲透壓力作用下巖石三軸壓縮過程中軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變和變形模量的變化規(guī)律，研究結(jié)果為探討類似工程巖體滲透壓力作用下的變形特性提供參考。

1　試樣制備及方案

1.1　試樣制備

紅砂巖為第三系、白壟系內(nèi)陸河湖相沉積巖，在我國華東(江西、安徽、福建) 和中南( 湖南、湖北、廣東) 及西南( 四川)等地區(qū)均有廣泛分布。該類巖石外觀呈紅色、深紅色或紅褐色，主要成分為石英、白云母、長石及少量礦物。本試驗選用贛南紅砂巖為試驗試樣，考慮到巖石性狀的離散性，為使各試樣的物理性質(zhì)具有一致性和試驗結(jié)果的可比性，鉆取同一巖石上相鄰部位的巖芯進(jìn)行加工，如圖1所示。根據(jù)《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T5026 6-2013)以及國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)推薦標(biāo)準(zhǔn)，加工成尺寸為φ50 mm×100 mm的圓柱形試樣，并采用巖石切割機(jī)和磨石機(jī)對試樣端面進(jìn)切割和打磨，使試樣兩端不平整度小于0.02 mm。所有巖石試樣試驗前均用水進(jìn)行飽和處理。

圖1　鉆孔取樣Fig.1　Bore-hole sampling

1.2　試驗設(shè)備和方案

采用英國GDS公司生產(chǎn)的GDS-VIS三軸流變儀進(jìn)行滲透壓力作用下的三軸壓縮試驗，如圖2所示。該加載系統(tǒng)采用虛擬無限剛度荷載架，可進(jìn)行單軸壓縮、三軸壓縮、流變試驗以及滲流-應(yīng)力耦合試驗，最大軸向加載載荷為 400 kN,壓板最大有效位移行程為100 mm，實驗加載速率能夠通過計算機(jī)進(jìn)行人為的設(shè)置。軸壓、圍壓和滲壓的加載分別由3套獨立的配套系統(tǒng)進(jìn)行加載，由軸向和徑向LVDT位移傳感器分別測量應(yīng)力加載過程中的軸向位移和徑向位移，試驗時全程精度達(dá)到了0.05%。

將飽和試樣用高性能熱縮管包裹并安裝LVDT應(yīng)變傳感器，確定與試樣接觸良好后放入三軸儀的壓力室內(nèi)，試樣兩端用“O”形橡膠圈將試樣與壓頭箍緊，打開試樣頂端出水口閥門，并下放加載橫梁并擰緊固定；最后封閉壓力腔室，待預(yù)加載完成后，依次以1 MPa/min的速率加載圍壓和滲壓；待圍壓和滲壓穩(wěn)定后以0.1 kN/s的速率加載偏應(yīng)力，直至試樣破壞，試驗停止。本次試驗條件設(shè)置為恒定圍壓不同滲壓，因此各試樣固定圍壓8 MPa，設(shè)置滲壓依次為2，4，6，7 MPa。

圖2　GDS-VIS三軸流變儀全貌Fig.2　Total graph of GDS-VIS three axis rheometer

2　試驗結(jié)果分析

2.1　變形特性分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制各滲透壓力作用下巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3。分析圖3可知，滲透壓力作用下，紅砂巖三軸壓縮過程的軸向變形大致可分為4個階段：孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、非穩(wěn)定破裂階段及破裂后階段。隨著滲透壓力的增大，巖石峰值強(qiáng)度減小。

(圖中Pw值表示各滲壓大小)圖3　滲透壓力作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Stress strain curves under seepage pressure

分析軸向應(yīng)變可知，達(dá)到峰值應(yīng)力時，各滲壓下巖石的軸向應(yīng)變ε1c在2.30%～2.74%之間(依次為2.30%，2.74%，2.55%和2.62%)，且隨滲壓增加，ε1c呈逐漸增大的趨勢。與2 MPa滲壓相比，4，6，7 MPa滲壓下達(dá)到峰值應(yīng)力時軸向應(yīng)變分別增加了17.8%，10.9%，13.9%；分析徑向應(yīng)變可知，隨滲透壓力增加，達(dá)到峰值應(yīng)力時，各滲壓下巖石徑向應(yīng)變ε3c在-0.535%～-1.012%之間(依次為-1.012%，-1.010%，-0.767%和-0.535%，其中負(fù)號表示拉伸變形)，且隨滲透壓力增加ε3c逐漸減小。與2 MPa滲壓相比，4，6，7 MPa滲壓下達(dá)到峰值應(yīng)力時徑向應(yīng)變分別減小了0.2%，24.2%和47.1%。

由上述分析可知，與2 MPa滲壓相比，隨滲壓增大，達(dá)到峰值應(yīng)力時的軸向應(yīng)變的增加幅度在10.9%～17.8%之間，變化幅度較??；達(dá)到峰值應(yīng)力時徑向應(yīng)變減小幅度在0.2%～47.1%之間，與軸向應(yīng)變相比，變化幅度較大。由此表明，三軸壓縮的過程中，較之與軸向應(yīng)變相比，徑向應(yīng)變對滲透壓力變化的敏感性更強(qiáng)，變化幅度較大。

2.2　變形模量分析

由圖3可知，隨著滲透壓力的增大，巖石峰值強(qiáng)度減小，表明滲透水壓力的作用能夠弱化巖石強(qiáng)度，促進(jìn)巖樣內(nèi)部裂紋的發(fā)育和擴(kuò)展，誘發(fā)巖體失穩(wěn)。巖石在滲壓與應(yīng)力耦合作用下，產(chǎn)生軸向變形和徑向變形，同時變形模量也將隨滲透壓力的增加而發(fā)生改變，為研究各滲壓下巖石變形模量的變化規(guī)律，其中，變形模量的計算方法有多種，為此，筆者擬采用式(1)進(jìn)行計算如下[16]：

(1)

式中：E為變形模量，GPa；μ為泊松比；B為某應(yīng)力狀態(tài)下巖石的徑向應(yīng)變ε3與其對應(yīng)的軸向應(yīng)變ε1的比值；σ1，σ3分別為某應(yīng)力狀態(tài)下的軸壓和圍壓，MPa,本次試驗為恒定圍壓下的滲透試驗，故σ3取值為8 MPa。

根據(jù)式(1)計算得到各滲壓下峰值強(qiáng)度時徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比μc，并稱之為側(cè)脹系數(shù)；峰值強(qiáng)度時變形模量Ec、峰值強(qiáng)度50%時的變形模量E50和泊松比μ50，(見表1)，且隨滲壓增加，峰值強(qiáng)度、變形模量E50和Ec以及側(cè)脹系數(shù)μc均呈減小趨勢，分析可知：根據(jù)側(cè)脹系數(shù)的定義，隨滲壓增加側(cè)脹系數(shù)越小，說明達(dá)到破壞時巖石的徑向拉伸變形較軸向壓縮變形相比逐漸減小。由此表明，滲壓的增加能夠弱化圍壓的約束作用，減小巖石承受徑向變形的能力，促進(jìn)巖石發(fā)生失穩(wěn)破壞。

表1　巖石強(qiáng)度參數(shù)

(圖中Pw值表示各滲壓大小)圖4　不同滲壓下偏應(yīng)力、變形模量與應(yīng)變的關(guān)系Fig.4　Relationship between deviatoric stress, deformation modulus and strain under different seepage pressures

根據(jù)式(1)計算得到巖石應(yīng)力-應(yīng)變過程中變形模量的演化規(guī)律，如圖4所示。分析圖4可知，在偏應(yīng)力加載初期，巖石處于空隙裂隙壓密階段，此階段內(nèi)的巖石變形大多是由空隙裂隙閉合所致，變形模量較??；隨著偏應(yīng)力不斷增加，空隙裂隙逐漸壓縮閉合，巖樣形變主要以巖石顆粒受力變形為主，變形模量逐漸增大；在彈性變形階段，隨巖石試樣被持續(xù)壓縮密實，變形模量減速增加并逐漸趨近于最大值，該最大值為此應(yīng)力條件下巖石的最大變形模量Emax；在非穩(wěn)定破裂及破裂后階段，由于巖石內(nèi)部非穩(wěn)定破裂持續(xù)發(fā)展和貫通，巖石變形快速增加，變形模量逐漸減小，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力后，變形模量呈現(xiàn)“斷崖式”下跌，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。

進(jìn)一步分析可知，巖石承載過程中變形模量隨偏應(yīng)力增加而增大，最大變形模量Emax出現(xiàn)在彈性變形階段后期，如圖4，達(dá)到屈服應(yīng)力后變形模量逐漸減小，超過峰值應(yīng)力后變形模量則驟減。與軸向應(yīng)變相比，變形模量隨徑向應(yīng)變的變化規(guī)律則有所差異：在變形模量增加的過程中，徑向變形始終較小，當(dāng)變形模量達(dá)到峰值并開始跌落后，徑向應(yīng)變明顯增加，表明與軸向應(yīng)變相比，徑向應(yīng)變則更能反映出巖石變形模量的減小和力學(xué)強(qiáng)度的降低。

圖5　變形模量與應(yīng)變的關(guān)系Fig.5　Relationship between deformation modulus and strain

為分析各滲壓下最大變形模量與應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，根據(jù)圖5，得到各滲壓下最大變形模量Emax及其對應(yīng)的軸向應(yīng)變εEmax，見表2。

表2　最大變形模量及其對應(yīng)的應(yīng)變

由表2分析可知，隨滲透壓力增加，最大變形模量對應(yīng)的軸向應(yīng)變隨滲壓增大而后移(如圖5中箭頭所示)。與此同時，滲壓越大，巖石承載過程中各變形階段的變形模量呈減小趨勢，其中，與2 MPa滲壓相比，4,6,7 MPa滲壓下最大變形模量分別降低了0.75， 0.85,1.0 GPa，由此表明，滲透壓力能夠降低巖石的變形模量。究其原因可知，水在滲透壓力作用下，能夠在裂隙表面產(chǎn)生潤滑作用并增強(qiáng)破裂面上的剪應(yīng)力效應(yīng)，同時水的滲入對巖石產(chǎn)生軟化、泥化作用，降低巖石力學(xué)強(qiáng)度，使巖石的變形模量隨滲壓增加而降低。

紅砂巖是工程實踐中常見的工程巖體，在我國有廣泛分布。基于本研究的相關(guān)結(jié)論，可通過實時監(jiān)測滲透壓力作用下巖體變形來分析以紅砂巖為主的工程巖體穩(wěn)定性狀況；同時，可根據(jù)各滲壓下巖石承載過程中變形模量的變化規(guī)律來判別不同水壓力條件下巖石的失穩(wěn)和破壞，為分析滲透壓力作用下類似巖性的地下工程穩(wěn)定性提供參考。

3　結(jié)論

1)隨著滲透壓力的增大，巖石峰值應(yīng)力減小，峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變量增加，徑向應(yīng)變量則減小，滲透壓力作用下巖石承受徑向變形的能力隨滲透壓力的增加而降低。

2)與2 MPa滲壓相比，4,6,7 MPa滲壓下達(dá)到峰值應(yīng)力時的軸向應(yīng)變增加幅度在10.9%～ 17.8%之間，徑向應(yīng)變減小幅度在0.2%～47.1%之間，變化幅度較大。表明，與軸向應(yīng)變相比，徑向應(yīng)變對滲透壓力變化的敏感性更強(qiáng)，變化幅度更大。

3)巖石承載過程中，隨變形模量的增大徑向應(yīng)變近乎不變，當(dāng)變形模量開始減小時徑向應(yīng)變則顯著增加，表明徑向應(yīng)變能夠更明顯的反映出巖石承載過程中變形模量的減小和力學(xué)強(qiáng)度的降低。

4)巖石承載過程中各變形階段的變形模量隨滲透壓力增大而減小。同時，與2 MPa滲壓相比，4,6,7 MPa滲壓下最大變形模量依次降低了1，0.85，0.75GPa，最大變形模量對應(yīng)的軸向應(yīng)變隨滲壓的增大有明顯后移趨勢。

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