孫 雪， 韓 陽(yáng)， 蔡舒凌， 王 健， 吳 兆， 紀(jì) 磊

(1.解放軍陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院， 江蘇南京 210007； 2. 南京城建項(xiàng)目建設(shè)管理有限公司, 江蘇南京 210006)

圍巖穩(wěn)定性是地下實(shí)驗(yàn)室及處置庫(kù)安全分析的重要內(nèi)容，除了要滿(mǎn)足一般地下工程穩(wěn)定性要求外，還必須滿(mǎn)足對(duì)高放廢物圈閉的特殊要求。圍巖在開(kāi)挖擾動(dòng)下引起的破裂與損傷會(huì)形成地下水流的通道，加速地下水與核素的接觸，在工程屏障失效后，地下水?dāng)y核素經(jīng)圍巖裂隙向生物圈遷移，處置庫(kù)喪失隔離功能，造成災(zāi)難性的后果。因此，為了保證地下實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)營(yíng)，并為地下巷道的合理施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)，采用試驗(yàn)手段合理預(yù)估花崗巖圍巖受荷作用下的強(qiáng)度和變形參數(shù)，已成為工程進(jìn)行必不可少的環(huán)節(jié)。

近年來(lái)，針對(duì)脆性巖石的破壞特征，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作，并取得重要研究成果[1-5]。Lajtai E Z認(rèn)為[6]花崗巖的變形主要有兩種形式：彈性和脆性變形，后者是由軸向微裂紋引起的；Carlsson B[7]證明了巖石的破裂形式主要由微裂縫模式和巖石成因決定；牛雙建等[8]對(duì)含有破裂面的巖樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和破裂特征做了系統(tǒng)的研究；曾澤民等[9]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)證明了加錨類(lèi)巖石較無(wú)錨類(lèi)巖石抗壓強(qiáng)度更高；陳邵杰等[10]對(duì)六種巖石進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并分析加載過(guò)程中巖石的彈性、塑性、破壞三種狀態(tài)；王景環(huán)[11]等利用能量原理模擬了單軸應(yīng)力條件下頁(yè)巖的損傷本構(gòu)方程，所建的模型力學(xué)參數(shù)能充分描繪頁(yè)巖單軸變形特征；朱澤奇[12]通過(guò)試驗(yàn)得到三峽花崗巖的起裂應(yīng)力一般在峰值應(yīng)力的25 %～50 %左右；王宇[13]等依據(jù)單軸抗拉、抗壓強(qiáng)度，驗(yàn)證了起裂應(yīng)力與脆性指標(biāo)的必然關(guān)系。

本文通過(guò)北山花崗巖的單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)各試件相應(yīng)的軸向與徑向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，得到了北山花崗巖的變形參數(shù)與應(yīng)力特征值，為地下實(shí)驗(yàn)室施工與運(yùn)營(yíng)階段的穩(wěn)定性評(píng)定打下了良好基礎(chǔ)。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

北山花崗巖為取自北山預(yù)選場(chǎng)址內(nèi)各類(lèi)巖石的統(tǒng)稱(chēng)，其包括英云閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖等。上述幾種巖石力學(xué)性質(zhì)較為接近，區(qū)別在其中石英、斜長(zhǎng)石等的含量不同。試驗(yàn)所用北山花崗巖為取自北山預(yù)選區(qū)舊井地段的英云閃長(zhǎng)巖。在坑探設(shè)施內(nèi)距離地表約60 m的巷道硐壁處鉆設(shè)水平孔，并由外徑122 mm、內(nèi)徑96 mm的鉆頭單管取得巖芯，共計(jì)43.5 m。挑選出其中具有代表性的完整巖芯并采用巖芯箱進(jìn)行封存，以避免遠(yuǎn)距離運(yùn)輸過(guò)程中的損壞。利用鉆石機(jī)、切割機(jī)以及打磨機(jī)將所取巖芯加工成滿(mǎn)足要求的圓柱形試件。其中，高徑比宜取2.0～2.5，直徑為48～54 mm，試件尺寸加工誤差不超過(guò)0.03 mm，兩端面不平整度不超過(guò)0.05 mm，端面與軸線(xiàn)垂直偏差不超過(guò)0.25°。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次北山花崗巖室內(nèi)試驗(yàn)均于四川大學(xué)水利水電學(xué)院國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MTS815 Flex Test GT系統(tǒng)上完成，巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)能滿(mǎn)足各類(lèi)溫度、滲透、超聲波以及多向加載等測(cè)試要求，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)功能最齊全、性能最優(yōu)異的巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)之一。MTS815系統(tǒng)可由計(jì)算機(jī)交互式編寫(xiě)試驗(yàn)程序，進(jìn)行自動(dòng)化控制與采集，從而實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確記錄各類(lèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中加壓系統(tǒng)可提供最大4 600 kN軸向荷載與140 MPa環(huán)向壓力。

圖1 MTS815軸向加載系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方法

單軸壓縮試驗(yàn)主要過(guò)程為：

(1)測(cè)量試件尺寸，并在其兩端面涂抹潤(rùn)滑劑(凡士林)，以減小端部約束效應(yīng)；

(2)將試件置于試驗(yàn)機(jī)承壓板中心位置，手動(dòng)控制調(diào)節(jié)壓頭與試件接觸；

(3)安裝軸向與環(huán)向引伸計(jì)，以獲得加載過(guò)程中試件軸向與環(huán)形應(yīng)變；

(4)在試件與傳感器安裝完成并確認(rèn)無(wú)誤后，首先按30 kN/min進(jìn)行軸向加載，待試件進(jìn)入屈服階段后，采用環(huán)向位移控制，速率為0.02 mm/min，直至巖石破壞，試驗(yàn)停止。

2 變形特征分析

共進(jìn)行了一組3個(gè)巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)，各試件相應(yīng)的軸向與徑向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示(軸向壓應(yīng)變?yōu)檎?。從圖中軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)可以看出，各試件達(dá)到峰值應(yīng)力后，均無(wú)屈服平臺(tái)，呈現(xiàn)出脆性破壞特征。而徑向應(yīng)變?cè)诜搴蟪掷m(xù)增大，破壞前均在軸向應(yīng)變2倍以上，這是由于北山花崗巖在單軸壓縮條件下形成了平行于軸壓方向上的張拉裂紋，而在達(dá)到峰值強(qiáng)度后裂紋迅速擴(kuò)展，并縱向貫通，將巖石分為豎向塊體。由于在位移控制下巖塊尚具有一定承載力，因而軸向應(yīng)力在峰后并未即刻跌落而是逐漸降低。軸向曲線(xiàn)形式同Wawersik[14,15]所提出的II型曲線(xiàn)相一致，表明通過(guò)環(huán)向位移控制能夠緩慢釋放巖石內(nèi)積聚的應(yīng)變能，保證巖石穩(wěn)定破裂。

此外，圖中試件UC-1與UC-3峰前曲線(xiàn)近乎線(xiàn)性增大，表明試件原生裂隙等缺陷較少，受壓后很快由裂隙壓密階段進(jìn)入彈性變形階段，而峰前軸向應(yīng)力應(yīng)變非線(xiàn)性段較短，裂隙非穩(wěn)定發(fā)展階段同樣不明顯。試件UC-2軸向曲線(xiàn)在彈性加載階段出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，這可能是由于試件并非均質(zhì)而含有軟弱界面或雜質(zhì)。

依據(jù)我國(guó)巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程[16,17]，變形模量、彈性模量以及泊松比等巖石變形特征參數(shù)可通過(guò)以下方法獲得：

(1)變形模量取為峰值強(qiáng)度50 %處割線(xiàn)模量，即：

(1)

式中，E0為巖石變形模量，σ50與ε50分別為達(dá)到峰值強(qiáng)度50 %時(shí)的軸向應(yīng)力與應(yīng)變。

(a)UC-1

(b)UC-2

(c)UC-3圖2 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

(2)彈性模量取σ50前后一定范圍內(nèi)的線(xiàn)性段斜率，即：

(2)

具體方法為，對(duì)σ50附近10 MPa范圍內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作線(xiàn)性擬合，所得斜率即為彈性模量。

(3)泊松比取軸向與徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)斜率的比值，即：

(3)

式中，徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)斜率取值方法與彈性模量E相同。

基于上述方法，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得單軸壓縮條件下北山花崗巖力學(xué)與彈性特征參數(shù)如表1所示。由表可知，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度十分接近，且均在190 MPa以上，為典型硬巖。其中，試件UC-1與UC-3的各項(xiàng)參數(shù)較為相近，而試件UC-2的彈性參數(shù)較前兩者要小，且峰值應(yīng)變也有明顯差異，印證了前述基于應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的分析結(jié)果。

表1 北山花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)參數(shù)

3 破壞特征分析

C.D.Martin[18-20]基于對(duì)Lac du Bonnet花崗巖的單軸壓縮試驗(yàn)，深化了起裂應(yīng)力σci與裂紋損傷應(yīng)力σcd的概念，并將脆性巖石峰前應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)分為四個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 峰前裂隙演化特征示意

各階段由相應(yīng)特征應(yīng)力劃分如下：

(1)初始?jí)好茈A段：由于巖石的非均質(zhì)性，不可避免的存在一些原生微裂紋，從而在初始受壓下會(huì)發(fā)生閉合，這一階段曲線(xiàn)為非線(xiàn)性增長(zhǎng)，呈上凹趨勢(shì)。此外，根據(jù)初始裂隙密度與裂紋幾何形狀的不同，各類(lèi)巖石在該階段的表現(xiàn)程度也不同。

(2)彈性變形階段：當(dāng)原有裂隙全部閉合后，可認(rèn)為巖石是均質(zhì)的線(xiàn)彈性材料，因而在應(yīng)力水平較低時(shí)產(chǎn)生的為彈性變形，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈直線(xiàn)型，巖石彈性特征參數(shù)可從中獲得。該階段起始處應(yīng)力稱(chēng)為裂隙閉合應(yīng)力σcc。

(3)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段：隨著應(yīng)力增大，巖石原有裂隙發(fā)生擴(kuò)展并伴有新裂紋產(chǎn)生，進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段。這些裂紋主要與軸壓方向平行，因此軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)仍大致為線(xiàn)性，而徑向曲線(xiàn)呈現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，巖石整體則表現(xiàn)為擴(kuò)容趨勢(shì)。此階段的起始應(yīng)力即為起裂應(yīng)力σci，因標(biāo)志著巖石擴(kuò)容的開(kāi)始，也被稱(chēng)作擴(kuò)容點(diǎn)。

(4)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段：隨著巖石軸向應(yīng)力水平進(jìn)一步提高，裂紋開(kāi)始加速擴(kuò)展并相互連接以釋放能量，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)，最終在到達(dá)峰值應(yīng)力σc處形成宏觀(guān)破裂面，巖石破壞。巖石裂紋發(fā)展由穩(wěn)定向不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變時(shí)的應(yīng)力為裂紋損傷應(yīng)力σcd，此后裂隙相互連接貫通，巖石已產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性變化，因而其也被視為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。

在微應(yīng)變條件下，巖石試件的體積應(yīng)變可近似表達(dá)為：

εv≈ε1+2ε3

(4)

即可通過(guò)量測(cè)軸向應(yīng)變?chǔ)?與徑向應(yīng)變?chǔ)?獲得巖石體積應(yīng)變。由圖3可知，巖石裂紋損傷應(yīng)力處體積應(yīng)變發(fā)生轉(zhuǎn)折，因而通過(guò)確定巖石體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變曲線(xiàn)上的峰值點(diǎn)便可求得σcd。

起裂應(yīng)力σci標(biāo)志著巖石擴(kuò)容的開(kāi)始，這在體積應(yīng)變曲線(xiàn)上表示為直線(xiàn)段向曲線(xiàn)段偏離的點(diǎn)，然而體積應(yīng)變曲線(xiàn)直曲轉(zhuǎn)折點(diǎn)難以準(zhǔn)確獲得，因此 C.D.Martin建立了基于裂紋體積應(yīng)變模型的起裂應(yīng)力求取方法。

(5)

(6)

式中，σ1與σ3分別為軸向與徑向應(yīng)力，參數(shù)E與μ可由彈性曲線(xiàn)段求得。

(7)

按上述方法，求得各試件總體積應(yīng)變與裂紋應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示。

(a)UC-1

(b)UC-2

(c)UC-3圖4 總體積應(yīng)變與裂紋體積應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

從圖4可以看出，試件UC-1與UC-3對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)與典型脆性巖石體積應(yīng)變曲線(xiàn)極為相似，裂紋體積應(yīng)變曲線(xiàn)很好地體現(xiàn)了巖石裂隙由初始?jí)好艿綇椥院愣?，再到穩(wěn)定與非穩(wěn)定擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程。而試件UC-2裂紋體積應(yīng)變曲線(xiàn)并不符合脆性巖石漸進(jìn)破壞的四階段特征，其在初始?jí)好芎蠼?jīng)歷短暫的彈性段便出現(xiàn)了較小的裂紋體積膨脹，而后再次進(jìn)入小范圍彈性水平，緊接著產(chǎn)生二次壓密，最終裂紋體積應(yīng)變經(jīng)歷第三次較短水平后快速轉(zhuǎn)向膨脹。第一次與第二次彈性段之間的小范圍膨脹，可能是由于巖石內(nèi)部具有強(qiáng)度較低的雜質(zhì)，在應(yīng)力水平增大到一定值后其晶粒被擠壓破碎或產(chǎn)生滑移錯(cuò)動(dòng)，致使有少量微裂紋產(chǎn)生，進(jìn)而裂紋體積應(yīng)變出現(xiàn)膨脹，而后巖石進(jìn)入較短的彈性穩(wěn)定階段，隨著應(yīng)力增大此前所產(chǎn)生的微裂紋再次被壓密，從而曲線(xiàn)再次趨向壓縮方向，并進(jìn)入第三次彈性水平，最終在高應(yīng)力水平下裂紋快速發(fā)展貫通，形成宏觀(guān)破裂面。由此可見(jiàn)，由試件UC-2曲線(xiàn)可獲得兩個(gè)起裂應(yīng)力，其中一個(gè)為因軟弱雜質(zhì)而產(chǎn)生的少量裂紋擴(kuò)展，另一個(gè)則是花崗巖受壓后自身裂隙開(kāi)展的起始點(diǎn)。上述分析表明，裂紋體積應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)含有雜質(zhì)的巖石仍可以較好地反映出其裂隙演化的規(guī)律。考慮到試件UC-2不具有典型脆性巖石破壞特征，因此僅求取試件UC-1與UC-3的特征應(yīng)力，如表2所示。

由表2可知，在單軸壓縮條件下北山花崗巖起裂應(yīng)力為峰值應(yīng)力的49.1 %～52.4 %，裂紋損傷應(yīng)力在峰值應(yīng)力的83 %左右。

此外，依據(jù)裂紋體積應(yīng)變概念，同樣可將軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變分為裂紋應(yīng)變與彈性應(yīng)變，即：

(8)

表2 花崗巖單軸壓縮特征應(yīng)力

4 結(jié) 論

(1)北山花崗巖在單軸壓縮條件下形成了平行于軸壓方向上的張拉裂紋，而在達(dá)到峰值強(qiáng)度后裂紋迅速擴(kuò)展，并縱向貫通，將巖石分為豎向塊體，呈現(xiàn)出脆性破壞特征。

(2)將花崗巖石峰前應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)分為四個(gè)階段，初始?jí)好?、彈性變形、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段。應(yīng)用裂紋體積應(yīng)變模型求得各階段終止時(shí)分別對(duì)應(yīng)巖石的四個(gè)特征應(yīng)力值：起裂應(yīng)力、彈性應(yīng)力、損傷應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

(3)具有強(qiáng)度較低的雜質(zhì)的巖石，具有兩個(gè)起裂應(yīng)力。其中一個(gè)為因軟弱雜質(zhì)而產(chǎn)生的少量裂紋擴(kuò)展，另一個(gè)則是花崗巖受壓后自身裂隙開(kāi)展的起始點(diǎn)。

(4)依據(jù)裂紋體積應(yīng)變概念，將軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變分為裂紋應(yīng)變與彈性應(yīng)變，提出可以通過(guò)比較軸向與徑向裂紋應(yīng)變間的大小來(lái)確定其起裂方向。