趙 楊

（江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330200）

水利工程中巖石類材料常常是水工建筑地基、襯砌結(jié)構(gòu)或支護(hù)體系的不可分割的主體[1，2]，研究巖石類材料力學(xué)特征，可為水利工程的建設(shè)提供重要基礎(chǔ)參照資料，極大豐富水利工程基礎(chǔ)研究成果[3，4]。為研究巖石材料力學(xué)特征，張榜等[5]、劉天為[6]、鄧華鋒等[7]利用離散元仿真手段，建立巖石的仿真模型，施加相應(yīng)的荷載條件，并更改巖石材料模型組成顆粒參數(shù)屬性，分析不同外荷載、不同顆粒參數(shù)下巖石試樣的力學(xué)穩(wěn)定性，揭示了巖石材料力學(xué)特征演化規(guī)律。當(dāng)然，對(duì)于工程建設(shè)來說，通常巖石材料的力學(xué)水平探知主要通過現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，較快地初步獲得巖體試樣的物理力學(xué)狀態(tài)，為工程調(diào)查提供重要基礎(chǔ)資料[8，9]。但不可忽視，現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)較為粗略，而仿真計(jì)算手段過于理想化，因而孟英峰等[10]、田芯宇等[11]、沈君等[12]采用室內(nèi)試驗(yàn)手段，設(shè)計(jì)開展了大理巖、砂巖等巖石材料的單、三軸力學(xué)加載試驗(yàn)，分析了巖石材料的常規(guī)力學(xué)特征；但對(duì)于巖石材料的多類型加載方式，例如分級(jí)加載、循環(huán)加載等[13，14]，限于試驗(yàn)條件等，研究涉及較少。本文根據(jù)贛江上游禾河擬建水利樞紐工程的引水隧洞灰?guī)r力學(xué)特征問題，設(shè)計(jì)開展了常規(guī)三軸與分級(jí)加載破壞試驗(yàn)，探討了灰?guī)r試樣力學(xué)特征與破壞特性，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)背景

為提升贛江下游地區(qū)防洪排澇能力，特別是避免出現(xiàn)鄱陽湖平原地區(qū)汛期水位過高威脅地區(qū)防洪安全，因而考慮在贛江上游建設(shè)一水利樞紐工程，從上游地區(qū)限制水資源流量，確保贛江支流及中下游城防安全性。該水利樞紐工程位于贛西南贛江的禾河支流上，設(shè)計(jì)蓄水位為55 m，最大防洪水位為59 m，包括引水工程、蓄水庫、攔水大壩以及溢洪道等工程，其中蓄水庫建設(shè)庫容為13 億m3，可滿足地區(qū)內(nèi)工業(yè)用水與生活用水需求，特別是可降低下游水位，最大防洪庫容超過6.8 億m3，按照100 a 一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)防洪堤壩與溢洪道等設(shè)施。溢洪道堰頂高程為55.5 m，出水渠段總長為78.5 m，采用預(yù)制水工擋土墻結(jié)構(gòu)作為兩翼，坡度為1∕2.5，溢流閘孔凈寬為4.6 m，底板厚度為0.6 m，每間隔3 m 布設(shè)1 個(gè)排水縫，縫寬為0.35 m，不論是出水渠還是泄槽邊坡均設(shè)置有防滲土工布，溢流閘門尺寸為3.6 m×4 m，整體溢洪道基礎(chǔ)均位于基巖上，沉降變形仿真計(jì)算可以滿足安全設(shè)計(jì)要求，不受隧洞開挖擾動(dòng)影響。引水工程乃是發(fā)電廠房承擔(dān)水力發(fā)電的重要水工建筑，禾河水利樞紐工程預(yù)計(jì)安裝45 萬kW 機(jī)組，年發(fā)電量超過10 億kW·h，最大引流量可超過150 萬m3，可滿足吉安市部分地區(qū)近1.67 萬hm2農(nóng)田灌溉，極大提升該樞紐工程水利功能。按照樞紐工程預(yù)計(jì)水利功能，需進(jìn)行引水隧洞開挖，采用襯砌支護(hù)形式，確保開挖對(duì)基巖擾動(dòng)影響降低至最小[15]。調(diào)查得知，隧洞內(nèi)基巖體分布以灰?guī)r與花崗巖為主，其中花崗巖完整性較好，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明微裂縫產(chǎn)生較小，受力擾動(dòng)影響較小。目前工程設(shè)計(jì)部門主要考慮問題是引水隧洞內(nèi)灰?guī)r力學(xué)穩(wěn)定性，其顆粒粒徑2～8 mm，局部有軟弱夾層，造成局部出現(xiàn)較大滑移裂紋，極大威脅著引水隧洞整體安全性。為此，本文針對(duì)禾河水利樞紐工程引水隧洞基巖體開展力學(xué)加載試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)以常規(guī)三軸與分級(jí)加載2 種方式為研究手段，探討灰?guī)r加載破壞力學(xué)特性。

1.2 試驗(yàn)介紹

本試驗(yàn)采用ST-RTS 巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)配備有液壓加載設(shè)備、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集設(shè)備以及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，如圖1 所示。該試驗(yàn)設(shè)備可適配不同尺寸、不同材質(zhì)的巖石類材料力學(xué)加載試驗(yàn)，耦合相應(yīng)的氣壓測(cè)試裝置或液體滲流裝置，可完成多場(chǎng)耦合力學(xué)加載試驗(yàn)。液壓加載設(shè)備可滿足該試驗(yàn)系統(tǒng)最大軸向荷載1 000 kN，圍壓量程上限為80 MPa，力傳感器量程與試驗(yàn)精度有關(guān)，最大荷載量程誤差不超過1%，加載平臺(tái)上可適應(yīng)徑高比為1∕2、1∕2.5、1∕3等類型的圓柱體試樣，也可以完成立方體類的混凝土試樣試驗(yàn)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括試驗(yàn)系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與外接傳感器監(jiān)測(cè)采集設(shè)備，其中系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)據(jù)設(shè)備可完成加載平臺(tái)位移、圍壓位移以及試樣體積位移等監(jiān)測(cè)，外接數(shù)據(jù)采集設(shè)備精度更高，常作為數(shù)據(jù)分析主體，軸向位移量程為-15～15 mm，環(huán)向位移為-10～10 mm，所有外接數(shù)據(jù)采集傳感器均在試驗(yàn)前完成標(biāo)定，最大誤差不超過0.5%。試驗(yàn)系統(tǒng)配備有程序?qū)崟r(shí)控制系統(tǒng)，可精確控制試驗(yàn)加載方式、加載進(jìn)程等，且通過控制平臺(tái)可對(duì)試樣力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)觀測(cè)試樣力學(xué)特征變化，為試驗(yàn)進(jìn)程提供參照。

試驗(yàn)所用樣品均取自工程現(xiàn)場(chǎng)，在室內(nèi)精加工、打磨后制備成直徑、高度分別為50、100 mm試樣，經(jīng)24 h養(yǎng)護(hù)后測(cè)定每個(gè)試樣的物理參數(shù)。本文試驗(yàn)分為兩部分，第一個(gè)類型試驗(yàn)為常規(guī)三軸加載，測(cè)定圍壓0、5、10、15 MPa 下灰?guī)r力學(xué)特征，試驗(yàn)全過程均采用軸向變形控制加載，速率為0.02 mm∕min；第二個(gè)類型試驗(yàn)為恒定圍壓分級(jí)加載試驗(yàn)，每個(gè)試樣在施加圍壓后，分級(jí)施加軸向荷載，第一級(jí)荷載為該圍壓常規(guī)三軸峰值應(yīng)力的60%，每一級(jí)荷載至目標(biāo)值后穩(wěn)定10 h，待環(huán)向變形穩(wěn)定后按第二、三、四級(jí)目標(biāo)峰值荷載的70%、80%、90% 加載，直至試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞，每一級(jí)荷載穩(wěn)定過程中均記錄軸向、環(huán)向變形變化過程。

2 常規(guī)三軸加載力學(xué)特性

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

對(duì)不同圍壓下試樣進(jìn)行加載，獲得典型試樣常規(guī)三軸加載下應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖2所示。

圖2 常規(guī)三軸加載下應(yīng)力應(yīng)變特征

從圖2可看出，4個(gè)圍壓試樣應(yīng)力應(yīng)變具有四階段特征，在第一階段壓密變形階段中，主要為試樣內(nèi)部原始裂紋的擠壓閉合，此階段軸向應(yīng)力具有“愈合”裂隙的作用，并不產(chǎn)生二次裂隙[16]。在彈性變形階段中，試樣應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榫€性上升，圍壓愈大，則試樣線彈性變形階段增長斜率愈大，即彈性模量與圍壓為正相關(guān)，圍壓5 MPa下試樣彈性模量為35 GPa，而圍壓10、15 MPa 下試樣彈性模量較前者分別增大了23.5%、43.2%，表明圍壓愈大可提高試樣線彈性變形能力。分析認(rèn)為，圍壓愈大，內(nèi)部裂隙在線彈性變形階段本質(zhì)上得到了束縛愈合作用，有利于巖體內(nèi)部裂隙的閉合，使試樣整體線彈性特征更具效果。當(dāng)超過線彈性變形階段試樣進(jìn)入塑性變形屈服階段后，應(yīng)力應(yīng)變逐漸有所凸出，本質(zhì)上與內(nèi)部裂隙發(fā)育狀況有關(guān)，塑性變形階段試樣裂紋的發(fā)生根源乃是內(nèi)部顆粒骨架的二次裂隙產(chǎn)生，力學(xué)加載造成的損傷作用具有不可逆性，內(nèi)部顆粒骨架逐步擠壓、摩擦，最終在峰值應(yīng)力處發(fā)生顆粒骨架的失穩(wěn)、破壞。單軸下灰?guī)r試樣的峰值應(yīng)力為124.5 MPa，而圍壓5、15 MPa 試樣峰值應(yīng)力較前者分別增長了23.1%、46.6%，即圍壓增大有促進(jìn)峰值應(yīng)力效果。在失穩(wěn)破壞階段，各試樣均發(fā)生應(yīng)力下跌現(xiàn)象，試樣均產(chǎn)生了貫穿性宏觀裂紋，無法滿足所需承載要求，進(jìn)而加載應(yīng)力降低。

分析4 個(gè)圍壓下試樣變形特征可知，低圍壓下試樣出現(xiàn)脆性破壞特征，各個(gè)試樣均出現(xiàn)應(yīng)力快速跌落，但圍壓超過15 MPa 后出現(xiàn)延塑性破壞特征，峰值應(yīng)力后應(yīng)力下跌過程具有較長的塑性變形過程。從試樣環(huán)向變形特征可看出，各圍壓下環(huán)向應(yīng)變?cè)诜逯祽?yīng)力前均低于軸向應(yīng)變，以圍壓10 MPa 下為例，在加載應(yīng)力100 MPa 時(shí)其對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.002 5，而環(huán)向應(yīng)變較前者降低了52%；當(dāng)處于該圍壓峰值應(yīng)力時(shí)試樣軸向應(yīng)變?yōu)?.005 7，而環(huán)向應(yīng)變相比前者為增大趨勢(shì)，增幅為30.2%，即環(huán)向應(yīng)變超過軸向應(yīng)變時(shí)試樣臨近失穩(wěn)破壞。筆者認(rèn)為巖石顆粒的破壞本質(zhì)上是內(nèi)部顆粒骨架的失穩(wěn)，而主骨架的失穩(wěn)來自于礦物顆粒的膨脹與擠壓破裂，而三軸壓縮中軸向應(yīng)力對(duì)巖石試樣的破壞主要產(chǎn)自膨脹變形，此種膨脹狀態(tài)在變形測(cè)量中即是環(huán)向位移，故當(dāng)環(huán)向位移超過軸向位移時(shí)，顆粒發(fā)生破裂，此時(shí)試樣即進(jìn)入破壞階段。

2.2 力學(xué)特征參數(shù)

根據(jù)對(duì)常規(guī)三軸應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)處理，獲得不同圍壓下試樣三軸抗壓強(qiáng)度、最大應(yīng)變以及峰值應(yīng)變參數(shù)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 試樣強(qiáng)度、應(yīng)變參數(shù)變化關(guān)系

從圖3 可看出，抗壓強(qiáng)度與圍壓具有正相關(guān)，圍壓每增大5 MPa，強(qiáng)度平均增長13.8%。分析2 個(gè)應(yīng)變參量與圍壓關(guān)系可知，除單軸壓縮下應(yīng)變參數(shù)具有非一致性，三軸試驗(yàn)中3個(gè)圍壓試樣的最大應(yīng)變、峰值應(yīng)變均隨圍壓為遞增變化，圍壓5、10、15 MPa下試樣的最大應(yīng)變分別為0.005 8、0.006 3、0.014，而峰值應(yīng)變分別為0.004 8、0.005 7、0.009 2，表明圍壓對(duì)灰?guī)r試樣應(yīng)變參量亦具有正相關(guān)促進(jìn)作用。

3 分級(jí)加載力學(xué)特性

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

根據(jù)分級(jí)加載試驗(yàn)結(jié)果獲得不同圍壓下試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，典型試樣在圍壓5、15 MPa 下應(yīng)力應(yīng)變特征如圖4所示。

圖4 試樣分級(jí)加載下應(yīng)力應(yīng)變特征

從圖4 可看出，當(dāng)加載荷載處于較低水平時(shí)，如位于第一級(jí)—第三級(jí)荷載時(shí)，灰?guī)r試樣整體應(yīng)力應(yīng)變效果并不理想，處于較低水平，圍壓15 MPa 下前三級(jí)荷載共產(chǎn)生應(yīng)變量0.002 2，占試樣總軸向變形量的32.7%，即表明試樣的破壞大部分是由于峰值應(yīng)力的90% 后荷載產(chǎn)生的。從環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變對(duì)比可知，在加載級(jí)數(shù)處于較低水平時(shí)，兩應(yīng)變參數(shù)隨圍壓變化關(guān)系并不顯著，但加載級(jí)數(shù)接近峰值應(yīng)力的80% 后，當(dāng)圍壓增大后，試樣環(huán)向應(yīng)變?cè)鏊俑哂谳S向應(yīng)變，圍壓5 MPa 下加載等級(jí)為峰值應(yīng)力80% 時(shí)，穩(wěn)定階段內(nèi)試樣環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L量為0.000 46，增幅為19.6%，而圍壓15 MPa 下同一等級(jí)環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L量為0.011 2，增長幅度為69.6%；與此同時(shí)，圍壓5、15 MPa 下該等級(jí)穩(wěn)定階段中軸向應(yīng)變?cè)龇謩e為9.7%、77.3%。筆者認(rèn)為，當(dāng)圍壓增大后，試樣在接近峰值破壞應(yīng)力時(shí)，塑性變形量在顆粒體橫向方向上更為顯著，導(dǎo)致試樣環(huán)向變形增量高于軸向變形。

3.2 分級(jí)加載特征

根據(jù)對(duì)各級(jí)加載應(yīng)力階段應(yīng)變分析，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得各級(jí)荷載下試樣應(yīng)變時(shí)間效應(yīng)，兩圍壓下各級(jí)荷載施加過程中應(yīng)變特征如圖5所示。

圖5 分級(jí)加載下試樣應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖5 可知，在較低加載應(yīng)力水平下，試樣的變形僅為“初始應(yīng)變—穩(wěn)定應(yīng)變”兩階段特征，在圍壓5 MPa、加載應(yīng)力115.2 MPa 荷載以下，均出現(xiàn)了應(yīng)變穩(wěn)定階段，此時(shí)應(yīng)變速率為常數(shù)，直至加載級(jí)數(shù)為應(yīng)力129.6 MPa 時(shí)，出現(xiàn)了“初始應(yīng)變—穩(wěn)定應(yīng)變—加速應(yīng)變”三階段效應(yīng)，表明低圍壓下試樣出現(xiàn)加速應(yīng)變階段更為滯后，造成了前期試樣積累變形量會(huì)在后期加速變形階段發(fā)生劣化效應(yīng)[17]。圍壓15 MPa 下試樣在第三個(gè)應(yīng)力等級(jí)即應(yīng)力160.2 MPa時(shí)就會(huì)出現(xiàn)加速應(yīng)變，表明圍壓愈大試樣可承受分級(jí)加載數(shù)量減弱，試樣內(nèi)部承擔(dān)穩(wěn)定應(yīng)變裂隙發(fā)育的能力亦降低。在破壞應(yīng)力加載等級(jí)中，試樣環(huán)向應(yīng)變均接近或超過軸向應(yīng)變，圍壓15 MPa 下最后一個(gè)等級(jí)應(yīng)力中環(huán)向應(yīng)變達(dá)0.028 7，高于軸向應(yīng)變0.002 84，進(jìn)而試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞。筆者認(rèn)為，在分級(jí)加載應(yīng)力試驗(yàn)中，環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變間關(guān)系亦是評(píng)判試樣穩(wěn)定性的重要指標(biāo)參量。

4 結(jié)論

（1）常規(guī)三軸加載下灰?guī)r試樣的彈性模量、峰值應(yīng)力均與圍壓具有正相關(guān)關(guān)系，圍壓10、15 MPa 下試樣彈性模量較圍壓5 MPa 下分別增大了23.5%、43.2%；低圍壓下灰?guī)r試樣峰值應(yīng)力為脆性破壞特征，而在圍壓15 MPa 下為延塑性破壞特征；試樣最大應(yīng)變、峰值應(yīng)變均隨圍壓增大遞增，圍壓5、10、15 MPa下試樣的最大應(yīng)變分別為0.005 8、0.006 3、0.014。

（2）分級(jí)加載破壞試驗(yàn)中試樣變形產(chǎn)生主要來自于破壞加載應(yīng)力等級(jí)階段，當(dāng)圍壓增大后，加載等級(jí)在峰值應(yīng)力80% 后的試樣環(huán)向應(yīng)變?cè)鏊俑哂谳S向應(yīng)變；較低加載應(yīng)力等級(jí)中無加速應(yīng)變階段，圍壓5 MPa 在129.6 MPa 荷載下才出現(xiàn)，圍壓增大后試樣可承受累計(jì)加載損傷減弱。

（3）在常規(guī)三軸加載與分級(jí)加載試驗(yàn)中，試樣失穩(wěn)破壞之時(shí)環(huán)向應(yīng)變均接近或高于軸向應(yīng)變，此兩應(yīng)變參量關(guān)系可作為評(píng)判試樣穩(wěn)定性的重要指標(biāo)參量。