張瑞東，黃 達(dá)，2

(1.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

巖石脆性破壞是一種常見(jiàn)的破壞模式，可分為拉伸破壞、拉伸剪切破壞和壓縮剪切破壞。在深部地下洞室、高陡巖質(zhì)邊坡中，常常因?yàn)殚_(kāi)挖或外層滑出而產(chǎn)生卸荷回彈現(xiàn)象，使巖體各部位出現(xiàn)差異變形，導(dǎo)致巖體內(nèi)部張拉應(yīng)力的出現(xiàn)。當(dāng)破裂面方向與張拉應(yīng)力方向呈較小夾角時(shí)，破裂性質(zhì)常常表現(xiàn)為拉-剪破裂模式[1-3]。因此，深入地認(rèn)識(shí)巖石拉-剪破裂性質(zhì)及力學(xué)特性，對(duì)正確評(píng)價(jià)巖體工程的穩(wěn)定性具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)拉伸剪切力學(xué)特質(zhì)的研究相對(duì)較少，并且大多是基于單面拉伸剪切試驗(yàn)進(jìn)行的[4-10]。由于試樣在水平方向荷載不共線(xiàn)，導(dǎo)致巖樣受到彎矩的作用，增大試樣的端部效應(yīng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。黃達(dá)[11]等發(fā)明了一種雙面拉伸剪切裝置，并通過(guò)該裝置對(duì)砂巖的拉剪破壞特性進(jìn)行了研究；Ramsey[4]等通過(guò)增加圍壓的方式，對(duì)中心對(duì)稱(chēng)的狗骨形大理石巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了張拉斷裂-混合斷裂-剪切斷裂的連續(xù)過(guò)渡模式，成功研究了大理巖的拉伸剪切斷裂行為；Aimone-Martin[5]等設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于MTS壓縮試驗(yàn)機(jī)上的對(duì)稱(chēng)四連桿輔助裝置，成功測(cè)量巖石變形與同軸電纜軸向嵌入芯內(nèi)響應(yīng)的相關(guān)性，但只適用于軸向和法向比例加載試驗(yàn)；周輝[6]等利用自行研制的巖石拉伸剪切試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)硬脆性大理巖進(jìn)行室內(nèi)拉伸剪切試驗(yàn)，建立了考慮張拉剪切破壞機(jī)制和應(yīng)力狀態(tài)影響的M-C準(zhǔn)則，但存在試驗(yàn)后破斷巖樣不易取出或取出不完整的問(wèn)題；黃達(dá)[12]等自制的雙面拉伸剪切裝置，試驗(yàn)過(guò)程中受力均勻，有效地克服了單面拉伸剪切試驗(yàn)存在的彎矩問(wèn)題，具備可獨(dú)立施加法向、切向應(yīng)力、巖樣制備方便、試驗(yàn)后破壞試塊易于取出、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

圖1 拉伸-雙面剪切裝置

玄武巖是一種常見(jiàn)的脆性硬巖，廣泛分布于我國(guó)各重大水利水電工程中[13-15]，如三峽庫(kù)區(qū)壩基巖體、白鶴灘和溪洛渡水電站的壩基巖體和部分坡體頂部。高內(nèi)水、土壓力引起的深埋壩基面拉裂問(wèn)題和坡體頂面滑動(dòng)面張拉破壞問(wèn)題是庫(kù)區(qū)穩(wěn)定性較為顯著的影響因素，其根本在于壩基巖體或邊坡在拉力和剪力的共同作用下變形或破壞[16]。基于此，本文對(duì)玄武巖開(kāi)展拉伸-雙面剪切試驗(yàn)研究，分析巖石的破壞形態(tài)，探究玄武巖在拉剪應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度特征和變形特征。

1 試驗(yàn)方法

1.1 拉伸-雙面剪切裝置

拉伸-雙面剪切裝置為自行發(fā)明的輔助試驗(yàn)裝置，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。圖1中，F(xiàn)n、Fs和Ft分別代表法向壓荷載、剪切荷載和法向拉荷載。該裝置主要由2個(gè)“U”形框架和1個(gè)剪切裝置組成?！癠”形框架Ⅰ、Ⅱ共同組成了反力系統(tǒng)，確保“U”形框架Ⅰ能沿導(dǎo)向槽豎向移動(dòng)，并將試驗(yàn)機(jī)所受到的壓力轉(zhuǎn)換為試樣所受到的拉力。此外，巖樣上、下端部均采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠與拉頭粘結(jié)，拉頭與“U”形框架則是由異形螺栓進(jìn)行連接。通過(guò)該裝置可將試驗(yàn)機(jī)的壓力轉(zhuǎn)化為對(duì)試樣的拉力；在剪切方向有3個(gè)施力端，使得試樣出現(xiàn)2個(gè)剪切面，保證試樣的力矩平衡。試驗(yàn)中，試樣潛在斷裂面上的法向拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力可分別通過(guò)下式計(jì)算

(1)

(2)

式中，σt為試樣的法向拉應(yīng)力；τ為試樣的剪切應(yīng)力；S為試樣的橫截面積。

1.2 試樣制備與加載方式

本文選用三峽庫(kù)區(qū)某采區(qū)玄武巖，巖樣呈灰褐色，質(zhì)地堅(jiān)硬，表面無(wú)明顯的節(jié)理和裂隙，較為平滑，密度約2.7 g/cm3，峰值抗壓強(qiáng)度約150 MPa，彈性模量約50 GPa，泊松比大致范圍為0.2～0.25，粘聚力為53.24 MPa，內(nèi)摩擦角為36.4°。玄武巖試樣見(jiàn)圖2。

圖2 玄武巖試樣(單位：mm)

試驗(yàn)應(yīng)力路徑包括2步：施加法向拉應(yīng)力至目標(biāo)值，隨后施加剪應(yīng)力直至試樣破壞?；谛鋷r的單軸抗拉強(qiáng)度為8.89 MPa，本試驗(yàn)共設(shè)置1、2、3、4、5、6 MPa和7 MPa等7個(gè)法向拉應(yīng)力水平，每個(gè)法向拉應(yīng)力水平分別進(jìn)行3組試驗(yàn)。試樣法向采用力控制的加載方式，加載速度0.05 kN/s；剪向采用位移控制加載方式，加載速度為0.2 mm/min。

2 破壞形態(tài)

本研究選用3種典型的應(yīng)力水平，分別為1、3 MPa和6 MPa。玄武巖不同拉應(yīng)力水平下剪切破壞形態(tài)見(jiàn)圖3。圖3中，①、②為試樣破壞后形成的2個(gè)斷裂面。從圖3可知，拉應(yīng)力為1 MPa時(shí)，巖樣斷裂面附近有大面積的剪切脫落，上下斷裂面與水平面有明顯的傾角；拉應(yīng)力為3 MPa時(shí)，破裂面上的剪切脫落減少，破裂面傾角也在減??；拉應(yīng)力增大至6 MPa時(shí)，試樣破裂面上的剪切脫落很少，破裂面傾角近于0°。整體上來(lái)看，6 MPa相對(duì)于前兩者，上下斷裂面較為平整，沒(méi)有明顯的凹陷或凸起，并且存在少量的由于剪切破壞而產(chǎn)生的白色剪切擦痕；而3 MPa與1 MPa相比，斷裂面平整程度明顯減弱，但白色光滑剪切擦痕數(shù)量卻沒(méi)明顯差異。綜上所述，隨著法向拉應(yīng)力的增大，試樣的斷裂由拉剪斷裂轉(zhuǎn)化為拉伸斷裂，剪切脫落面積逐漸減小，破裂面傾角也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖3 玄武巖雙面拉伸剪切破壞形態(tài)

3 力學(xué)特性分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖4為軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。從圖4可知，施加剪應(yīng)力之前，各曲線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)較為一致，經(jīng)歷初始的應(yīng)力調(diào)整階段和后期的彈性拉伸變形階段，且各試樣表現(xiàn)出相近的張拉彈性模量(約為1.028 GPa)，這說(shuō)明了本試驗(yàn)中采用的試樣材料的離散性較小。施加剪應(yīng)力之后，各試樣表現(xiàn)為應(yīng)力不變而拉應(yīng)變?cè)诰徛黾樱@是由于水平施加荷載，使試樣在豎直方向產(chǎn)生相應(yīng)的變形，為泊松比效應(yīng)。隨著拉應(yīng)力水平的增大，試樣法向呈現(xiàn)出的泊松比變形逐漸減小，當(dāng)法向應(yīng)力大于6 MPa后，甚至不出現(xiàn)泊松比變形。試樣破壞階段，試樣法向應(yīng)力直線(xiàn)降低，說(shuō)明試樣呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的脆性破壞。

圖4 軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖5為不同法向拉應(yīng)力下剪切方向的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。從圖5可知，各曲線(xiàn)均由非線(xiàn)性階段和線(xiàn)性階段構(gòu)成：

(1)非線(xiàn)性階段。玄武巖作為一種非均質(zhì)材料，內(nèi)部具有細(xì)小的孔隙和裂隙。加載前期，缺陷在拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用下閉合或張開(kāi)，曲線(xiàn)較為平緩。

(2)線(xiàn)性階段。隨著剪切應(yīng)力不斷增大，巖石逐漸由非線(xiàn)性變?yōu)閺椥宰冃螤顟B(tài)，此時(shí)剪切應(yīng)力與剪切位移呈線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系。

圖5 不同法向拉應(yīng)力水平下剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3.2 強(qiáng)度特征

將本文不同拉應(yīng)力水平下玄武巖的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與H-B準(zhǔn)則、M-C準(zhǔn)則以及拋物線(xiàn)準(zhǔn)則[11]相比較，見(jiàn)圖6。從6圖可知，隨著法向拉應(yīng)力增大，剪切強(qiáng)度均值不斷減小，并且減小幅度不斷增大，直到法向拉應(yīng)力為7 MPa時(shí)，剪切強(qiáng)度迅速?gòu)?.87 MPa減小到3.15 MPa，這是由于巖樣在高拉應(yīng)力水平下已經(jīng)形成較多微裂隙，造成試樣內(nèi)部損傷，故而表現(xiàn)出的剪切強(qiáng)度迅速減小。另外，運(yùn)用擬合優(yōu)度R2值對(duì)3種準(zhǔn)則擬合效果進(jìn)行量化，通過(guò)擬合確定H-B準(zhǔn)則、M-C準(zhǔn)則和拋物線(xiàn)準(zhǔn)則的R2值分別為0.894、0.739和0.867。經(jīng)對(duì)比可知，H-B準(zhǔn)則和拋物線(xiàn)準(zhǔn)則擬合效果整體上遠(yuǎn)比M-C好，而H-B準(zhǔn)則相較于拋物線(xiàn)準(zhǔn)則更好。這說(shuō)明相比于其他強(qiáng)度準(zhǔn)則，H-B準(zhǔn)則能更好反映玄武巖拉剪強(qiáng)度變化特性。

圖6 剪切強(qiáng)度隨法向拉應(yīng)力變化

3.3 變形特性

3.3.1剪切模量

為探究剪切向各典型模量的相互關(guān)系及變化特征，以拉應(yīng)力為3 MPa時(shí)的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為例，對(duì)各模量進(jìn)行標(biāo)注。法向拉應(yīng)力為3 MPa時(shí)剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖7，圖7中，虛線(xiàn)L1、L2、L3的斜率分別代表總變形模量、非線(xiàn)性段變形模量和線(xiàn)性段切線(xiàn)模量。圖8為總變形模量、線(xiàn)性段切線(xiàn)模量和非線(xiàn)性段變形模量隨法向應(yīng)力變化。從圖8可以看出，同一法向拉應(yīng)力水平下，線(xiàn)性段切線(xiàn)模量大于總剪切模量，也大于非線(xiàn)性剪切模量；非線(xiàn)性變形模量和總變形模量變化趨勢(shì)相似，為先增大后減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在拉應(yīng)力為4～5 MPa之間，這是因?yàn)榉ㄏ蚶瓚?yīng)力較大時(shí)，初始法向加載段就對(duì)試樣造成了損傷，因此呈現(xiàn)先增后減規(guī)律；線(xiàn)性段切線(xiàn)模量變化趨勢(shì)與前兩者截然不同，在拉應(yīng)力為0～3 MPa范圍內(nèi)先緩慢減小，隨后平穩(wěn)增加，當(dāng)初始法向應(yīng)力超過(guò)6 MPa時(shí)，線(xiàn)性段切線(xiàn)模量迅速降低。

圖7 法向拉應(yīng)力為3 MPa時(shí)剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖8 變形模量隨法向拉應(yīng)力變化

3.3.2線(xiàn)性剪切應(yīng)變占比

線(xiàn)性剪切應(yīng)變占比為剪切應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系線(xiàn)性階段對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)變值與總剪切應(yīng)變值之比。圖9為線(xiàn)性剪切應(yīng)變占比隨法向拉應(yīng)力變化規(guī)律及擬合直線(xiàn)，擬合方程為y=0.02x2+0.25(R2=0.873)。

從圖9可知，線(xiàn)性剪切應(yīng)變占比隨法向拉應(yīng)力的增加而呈線(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，非線(xiàn)性階段應(yīng)變變化量占總應(yīng)變變化量的比例超過(guò)60%。起初，隨著法向拉應(yīng)力水平的增加，巖樣內(nèi)部孔隙由于拉應(yīng)力而不斷變小，試驗(yàn)過(guò)程中巖石很容易通過(guò)剪切應(yīng)力達(dá)到臨界點(diǎn)P0，因此非線(xiàn)性階段位移減小?？偽灰谱兓堪蔷€(xiàn)性和線(xiàn)性階段應(yīng)變變化量，且其受到剪切應(yīng)力的影響而減小，但是由于孔隙閉合而引起的非線(xiàn)性位移變化量減小是較為突出的，因此前期會(huì)出現(xiàn)線(xiàn)性剪切應(yīng)變占比增高的現(xiàn)象。隨著拉應(yīng)力的不斷增大，巖樣內(nèi)部出現(xiàn)了一些的微裂隙，再加上較高應(yīng)力情況下剪切應(yīng)力的影響，對(duì)非線(xiàn)性剪切應(yīng)變的影響更加顯著，這也導(dǎo)致線(xiàn)性剪切應(yīng)變占比的增加。

圖9 線(xiàn)性剪切應(yīng)變占比隨法向拉應(yīng)力變化

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)不同法向拉應(yīng)力水平下的玄武巖進(jìn)行拉伸-剪切試驗(yàn)，分析其破壞形態(tài)和力學(xué)特性，得出以下結(jié)論。

(1)隨著法向拉應(yīng)力的增大，試樣的斷裂由拉-剪斷裂轉(zhuǎn)化為拉伸斷裂，斷裂面傾角逐漸減?。粠r石剪切方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)包含初始非線(xiàn)性變形階段和后期的線(xiàn)性變形階段；隨著拉應(yīng)力的增大，巖石的抗剪強(qiáng)度逐漸減小。

(2)通過(guò)H-B準(zhǔn)則、M-C準(zhǔn)則和拋物線(xiàn)準(zhǔn)則對(duì)(σt，τf)散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，H-B準(zhǔn)則吻合最好。

(3)剪切方向上，線(xiàn)性段切線(xiàn)模量>總變形模量>非線(xiàn)性段變形模量。隨著拉應(yīng)力水平的增大，非線(xiàn)性變形模量和總變形模量先緩慢增大后平穩(wěn)減小，而線(xiàn)性段切線(xiàn)模量則在拉應(yīng)力為0～3 MPa范圍內(nèi)先緩慢減小，隨后平穩(wěn)增加。當(dāng)初始法向應(yīng)力超過(guò)6 MPa時(shí)，線(xiàn)性段切線(xiàn)模量迅速降低。線(xiàn)性剪切應(yīng)變占比隨拉應(yīng)力增大呈增加的趨勢(shì)。