馮師，盛華，張海軍，包小華，沈俊

(1.上海隧道工程有限公司，上海 200032；2.武漢譽城建設集團有限公司，湖北 武漢 430060；3.深圳大學 土木與交通工程學院濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室，廣東 深圳市 518060)

0 引言

地下連續(xù)墻作為基坑支護等重要工程的必要結構，如何安全高效地開挖已成為工程師們關心的重點。當基坑開挖遇到硬巖層時，軟巖、高風化巖層等軟土軟巖性質的地層上開挖的方式出現(xiàn)明顯的不適用現(xiàn)象。目前針對硬巖層的最快速開挖方式是雙輪銑槽機開挖[1-2]，但該方法在遇到更為堅硬的微風化巖層時，巖層內的高強度高硬度花崗巖加快了機械磨損，減緩了銑削速度，有的甚至無法正常開挖，必須采取如高能激光破巖[3]、粒子射流輔助破巖[4]、液氮磨料射流破巖[5]、爆破等輔助措施，使巖層產(chǎn)生裂紋，再使用雙輪銑槽機銑削來進行施工開挖。

在巖石破壞條件以及破壞性質研究方面，有學者在超低溫（-100℃）條件下采用凍融循環(huán)試驗、核磁共振試驗、單軸抗壓強度試驗和電鏡掃描試驗得出巖樣在超低溫環(huán)境下的力學性質衰減規(guī)律[6]。有學者使用液氮對巖石進行凍融循環(huán)，監(jiān)測凍融循環(huán)前后巖石力學性質的變化，發(fā)現(xiàn)凍融低溫條件對巖石裂化明顯[7]。其中，在煤巖等軟巖上存在預制裂隙時，探究內部裂隙生成規(guī)律，通過Nano Voxel-3502E X 射線三維顯微鏡和原位加載系統(tǒng)進行煤樣試件的掃描，施加相應壓力值會改變內部裂隙狀態(tài)[8]。目前，裂隙巖體的研究在數(shù)值模擬方面，邱流潮等[9]采用有限元與離散元耦合數(shù)值方法開展巖石破碎過程可視化數(shù)值模擬，結果驗證了該數(shù)值方法分析脆性巖石變形與破壞過程的可行性。趙桐德等[10]采用離散元數(shù)值分析，對不同裂隙角度的巖石在單軸壓縮下的擴展規(guī)律及力學特性進行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)不同裂隙角度對裂隙在巖石中的擴展及破壞有較大影響。當裂隙角度較大時，裂隙擴展受應力分布影響較大，次生裂隙較多，主要沿裂隙角度方向擴展；根據(jù)裂隙傾角對峰值強度和劣化系數(shù)的影響曲線，通過擬合分別得到峰值強度和劣化系數(shù)與裂隙傾角間呈指數(shù)函數(shù)關系。

在試驗方面，周紀軍等[11]根據(jù)單軸卸載試驗,研究試樣相應的應力-應變曲線和軸向應變-徑向應變曲線，并將不同程度的損傷巖樣與完整的峰前曲線相比較，推斷不同損傷程度巖樣的卸載點所處的應力-應變曲線階段。張國凱等[12]采用MTS 巖石力學試驗裝置對單裂隙巖石進行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)隨裂隙傾角的增大，波速下降點的應力逐漸增大；裂紋長度擴展到臨界值時擴展速率會快速增大，裂紋臨界長度逐漸降低。裂隙傾角較小時，峰前裂紋發(fā)育程度高，峰前裂紋發(fā)育程度減弱，裂紋加速擴展、聚合向峰后轉移。董振興等[13]研究了裂隙水壓條件下的含貫穿裂隙試件，發(fā)現(xiàn)水壓的存在可以降低起裂應力和峰值強度，且在相同水壓情況下，雙裂隙試件比單裂隙試件所受破壞影響更大。湯雙臣等[14]利用MTS-815 巖石試驗裝置對完整巖石試樣、不同構型單裂隙和交叉裂隙巖石試樣進行單軸壓縮試驗，分析各構型試樣的力學參數(shù)及能量演化規(guī)律，并與完整巖石試樣力學參數(shù)進行對比，得出含單裂隙巖石試樣的強度和彈性模量相對較小，含交叉裂隙巖石試樣各項參數(shù)值最小，含交叉裂隙巖石試樣用于裂紋產(chǎn)生及發(fā)展的耗散能遠大于完整巖石試樣和含單裂隙巖石試樣。

但處在地下硬巖層上的巖石產(chǎn)生裂隙時，往往不會處于特殊狀態(tài)，而只有在使用其他方式使巖層破碎時，才會出現(xiàn)超低溫（液氮等）、超高溫（激光等）情況。目前，針對巖石不同裂隙角度影響巖石體力學性質的研究較少，能給實際工程應用提供參考的研究結論更是少見[15]。在實際地下連續(xù)墻開挖時，無論用到何種輔助破巖方式，其目的是加快開挖速度，也就是提升機械銑削巖層的速度。那么，輔助破巖方向上一個重要的因素是巖層內巖石裂隙對巖石強度的影響。巖層內的巖石裂隙方向是否會影響巖石的單軸抗壓強度、彈性模量等力學性質是本文研究的重點。

1 試驗設計

1.1 試驗理論依據(jù)

1.1.1 單軸抗壓試驗理論

帶預制裂隙巖石的單軸壓縮試驗遵循標準試驗原理，試驗試件為標準試件，按式（1）計算單軸抗壓強度：

式中，f為巖石單軸抗壓強度，MPa；P為試件破壞荷載，N；A為標準試件承壓面積，mm2。

若取試件平均值、標準值、變異系數(shù)時，按式（2）、式（3）計算：

式中，fk為巖石單軸抗壓強度標準值，MPa；fm為巖石單軸抗壓強度平均值，MPa；γ為統(tǒng)計修正系數(shù)；n為試件數(shù)量；δ為變異系數(shù)。

1.1.2 裂隙巖石能量耗散與強度聯(lián)系

施加外力時，預制裂隙巖石遵循能量耗散原則，外力做功產(chǎn)生的能量只能在無預制裂隙的巖體內留存，預制裂隙部分由于無能量載體，不具備存儲能量的條件。由熱力學第二定律可知，能量耗散不可逆，外界流入的能量在裂隙部分也會完全耗散。因此，與完整巖石相比，帶預制裂隙巖石存儲能量的能力變弱，承壓能力變弱，強度降低。

1.2 試驗過程

本文依托深圳市媽灣月亮灣項目，媽灣項目的硬巖層中存在大量青砂巖，為項目開挖帶來巨大挑戰(zhàn)。青砂巖的抗壓強度在50～100 MPa 之間，抗壓強度與彈性模量、縱波速度之間有良好的數(shù)學關系并且不易破損，在保護樣品與試驗數(shù)據(jù)準確性上更可靠，因此青砂巖的取樣具有較好的完整性。

試驗前先對巖樣進行超聲波篩選，選出的縱波速度在3700 m/s 左右，保證所取的巖樣抗壓強度在70 MPa 左右，進一步對巖樣做預制裂隙處理，分別制作未經(jīng)處理無預制裂隙，0°、30°、45°、60°、90°預制裂隙，其中，預制裂隙的角度是以水平線和預制裂隙之間取順時針方向的夾角。試驗采用的設備為30 t 微機控制試驗機，試驗巖樣分組見圖1。

圖1 巖石試樣

1.3 試驗結果

試驗設每3 個巖樣為一組，測得所有巖樣的單軸抗壓強度Rc和彈性模量E，取平均值，并選擇45°預制裂隙角度下的巖樣以80%荷載強度下循環(huán)加載10～50 次，得出單軸抗壓強度和彈性模量的變化情況。以巖石抗壓強度試驗標準，取巖樣破壞時的單軸抗壓強度，并取巖樣彈性階段的終點、起點應力的差與終點、起點應變的差的比值為巖石彈性模量。試驗結果見表1。

表1 試驗結果

2 試驗分析

2.1 應力應變分析

對無預制裂隙的巖樣和預制裂隙為0°、30°、45°、60°、90°的巖樣做單軸抗壓強度測試，得出應力曲線和應變曲線，如圖2 和圖3 所示。

圖2 不同預制裂隙角度下的應力

圖3 不同預制裂隙角度下的應變

從圖2 和圖3 可以看出，最左側的無預制裂隙的巖樣的彈性階段的應力應變會明顯高于有預制裂隙的巖樣，其中，應力相差更是明顯，但在預制裂隙0°時處于最低階段，也就是相比無預制裂隙時的應力下降最多，而后隨著預制裂隙角度增加，應力變化趨勢變得平緩，從總體變化趨勢上來說，預制裂隙的存在很大程度上降低了青砂巖的應力。如圖4 所示，在應變變化上也是0°時降低最多，說明預制裂隙對青砂巖的彈性階段產(chǎn)生很大影響。有裂隙的存在時，彈性階段的應力應變都在下降，應力應變有相似變化情況，兩者的下降，表明巖樣的彈性階段有前移的變化，在應力-應變曲線峰前段的分為裂隙壓密，巖石單軸壓縮時受擠壓，巖樣內的孔隙被擠密，單位應變存儲的應變能增多[16]，巖石提前出現(xiàn)彈性階段。

2.2 單軸抗壓強度和彈性模量

含不同角度預制裂隙的青砂巖單軸抗壓強度和彈性模量如圖4 和圖5 所示。

圖4 不同預制裂隙角度下的單軸抗壓強度

圖5 不同預制裂隙角度下的彈性模量

由圖4 和圖5 可知，帶有預制裂隙的巖樣相比無預制裂隙巖樣其單軸抗壓強度Rc和彈性模量E都下降，其中，預制裂隙90°時的Rc下降最少，為12.38%，預制裂隙為0°和30°時，Rc下降最多，分別為59.32%和62.01%。E的變化也有相似之處，在0°和30°預制裂隙條件下，E下降最多，分別為50.35%和49.12%。45°、60°和90°預制裂隙下的下降幅度相近，都在25%左右。此時，90°預制裂隙下的E與Rc的下降趨勢有所變化，因為90°預制裂隙在巖樣豎直方向上存在裂隙，豎向應力在傳遞時會有一部分缺失，減小豎向壓縮的壓應力，但該情況對應變的影響不大，所以60°～90°預制裂隙對巖樣的E有較大影響，而對巖樣Rc影響不大。

2.3 綜合分析

綜合分析各巖樣的應力-應變曲線，如圖6 所示，從各組數(shù)據(jù)取出的均值曲線與期望曲線一致，分為壓密階段、彈性階段、塑性階段、破壞階段。從整體上能看出0°、30°、45°的預制裂隙的應力-應變曲線相近且相似，如圖7 所示，在達到破壞應力前，有一段突然下降過程，即應力突然降低，而應變持續(xù)升高階段，應力-應變曲線變化的拐角處，在試驗過程中能聽到一聲清脆的輕微響聲，這是因為預制裂隙的角度傾斜，裂隙上下兩個相距非常近的截面上，上下都受力，達到一定壓力的瞬間，裂隙被擠壓瞬時靠近，聲音也是此時上下面碰撞發(fā)出。并且，這3 個角度的破壞強度相比無預制裂隙的條件下降較大。即在承受相同加載力的情況下，這3 種角度的預制裂隙在破壞之前已經(jīng)承受不住壓力，提前表現(xiàn)出破壞的征兆。如圖8 所示，無預制裂隙、60°、90°的應力-應變曲線也是相近相似，60°和90°的預制裂隙條件下，破壞強度沒有隨著角度的增加而降低，相比無預制裂隙條件的應力，下降很少。

圖6 不同角度預制裂隙的應力-應變曲線

圖7 預制0°、30°、45°裂隙的應力-應變曲線

圖8 預制無角度、60°、90°裂隙應力-應變曲線

如圖9 所示，試驗連續(xù)進行，中途不改變試驗裝置的設置以及試驗樣品的位置等，1～10 次循環(huán)的應力-應變曲線在應變?yōu)?.2 以前出現(xiàn)一段靠近0應力的平滑曲線，因為在無循環(huán)加載時，第一次單軸加壓會使巖石內部擠密，也就是巖樣已經(jīng)經(jīng)過了擠密階段，且擠密階段不可逆，后面再進行循環(huán)加載時，和初始巖樣相比少一個階段，所以實際對比分析取的1～10 次試驗數(shù)據(jù)。在預制裂隙45°循環(huán)10 次條件下，1～10 次循環(huán)的應力-應變曲線幾乎重合，變化不大，但相比無循環(huán)時的應力應變曲線，上升趨勢相同。

圖9 預制裂隙45°下10 次循環(huán)應力-應變曲線

在多次調整循環(huán)、各種預制裂隙角度和循環(huán)加載條件后，發(fā)現(xiàn)無循環(huán)加載條件下的80%左右加載應力時，巖樣不會在循環(huán)次數(shù)以內破壞，而且循環(huán)后的各項力學性質變化明顯。同理，試驗得出45°預制裂隙條件下循環(huán)加載的巖樣各項力學性質變化明顯，利于分析對比。以無循環(huán)加載條件下的80%均值單軸抗壓強度為循環(huán)加載點，分別對45°預制裂隙巖樣循環(huán)加載10 次、20 次、30 次、40 次、50 次，如圖10 和圖11 所示，循環(huán)加載后的應力應變相比0 次（未循環(huán)加載）時要低，但在循環(huán)加載后，10～20 次循環(huán)加載下的應力應變都有小幅上升，應力在30 次循環(huán)加載后變化很小，應變變化也相對平緩。如圖12 所示，單軸抗壓強度Rc在開始循環(huán)加載后，持續(xù)上升，循環(huán)次數(shù)達到30 次時，上升趨于平緩。如圖13 所示，彈性模量E隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，但都比未循環(huán)加載下的要小，因為開始循環(huán)加載后，壓縮應力會使巖樣擠密，導致E的各個階段前移，但應力未引起較大變化。而達到30 次循環(huán)加載時，Rc趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這也是擠密的結果。不斷的循環(huán)加載使得巖樣內孔隙變小，變得密實，循環(huán)達到一定次數(shù)就不再增加。這也說明巖樣不僅在完好無裂隙下受壓縮應力時會擠密使其強度小幅上升，在有預制裂隙存在的情況下受壓也會使其強度小幅上升。

圖10 預制裂隙45°下10～50 次循環(huán)的應力

圖11 預制裂隙45°下10～50 次循環(huán)的應變

圖12 預制裂隙45°下10～50 次循環(huán)單軸抗壓強度

圖13 預制裂隙45°下10～50 次循環(huán)的彈性模量

3 結論

本文通過對無預制裂隙的巖樣和預制裂隙角度為0°、30°、45°、60°、90°的巖樣開展單軸壓縮實驗和循環(huán)加載試驗，分析應力應變、單軸抗壓強度Rc和彈性模量E之間的變化規(guī)律，得出如下結論。

（1）無裂隙巖樣由試驗得出Rc和E符合最初篩選標準，青砂巖的Rc和E與縱波速度有良好的數(shù)學關系，正常試驗條件下，Rc的變化曲線和E的變化曲線相似，但預制裂隙角度達到45°以上時，相比無預制裂隙情況的Rc比E的降低率更低。

（2）0°、30°預制裂隙巖樣的Rc和E大幅下降，相比其他裂隙角度下降最多，其中，0°預制裂隙為水平裂隙，為橫向受力狀態(tài)，適合豎向巖體可在側向制造裂隙的情況；30°預制裂隙適合橫向無法制造裂隙，在豎向施加壓力。

（3）0°、30°和45°預制裂隙下，巖樣在破壞前有應力突變、具有這3 種裂隙角度的巖石，其承受軸向壓力最不利；

（4）45°裂隙下巖樣循環(huán)加載30 次以下時，Rc和E都逐漸增大，循環(huán)加載30 次以上時，Rc和E的變化趨于穩(wěn)定，且循環(huán)加載次數(shù)對應力應變單獨變化影響不大。