河口村水庫壩肩灰?guī)r力學(xué)特性試驗研究

劉海寧， 張亞峰

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室,河南 鄭州 450001)

?

河口村水庫壩肩灰?guī)r力學(xué)特性試驗研究

劉海寧1,2， 張亞峰1

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室,河南 鄭州 450001)

從河口村水庫壩肩取樣制備完整的和含裂隙的灰?guī)r試樣，利用TAW-2000巖石三軸儀對制備的巖樣進(jìn)行不同圍壓下的巖石三軸壓縮試驗，得到了完整和裂隙灰?guī)r在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其變形、強(qiáng)度和破裂特性規(guī)律。試驗中，裂隙面與最大主應(yīng)力夾角為0°～80°，圍壓為5～15 MPa。試驗結(jié)果表明：完整灰?guī)r的峰值強(qiáng)度和變形模量隨圍壓的增大而增大，并且呈線性關(guān)系；裂隙灰?guī)r在三軸壓縮下有兩種破壞形態(tài)，分別為穿裂隙面破壞和沿裂隙面滑移破壞；裂隙灰?guī)r的強(qiáng)度和變形特性及破壞特征受裂隙面傾角θ的影響很大,當(dāng)θ> 60°時，沿裂隙面滑移破壞，當(dāng)θ≤ 60°時，穿裂隙面破壞；其中穿裂隙面破壞的灰?guī)r與完整灰?guī)r均為巖體材料的破壞，并且與完整灰?guī)r的破壞形態(tài)和強(qiáng)度變形特征相似。

三軸壓縮試驗；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；完整灰?guī)r；裂隙灰?guī)r；破裂特征

巖體在長期的地質(zhì)作用下所生成的不同類型的節(jié)理、裂隙及軟弱界面，使巖體成為不連續(xù)、非均勻、各向異性的介質(zhì)體[1]。巖體的破壞機(jī)制、強(qiáng)度和變形特性在很大程度上受這些不連續(xù)面的規(guī)模、密度及空間分布特性的影響。無論在加載或者卸荷條件下，節(jié)理和裂隙的形態(tài)分布等對于巖體強(qiáng)度和變形的影響都很大，因此對于裂隙巖體在加、卸荷狀態(tài)下力學(xué)特性的研究具有十分重要的意義。

李建林等[2-3]對高邊坡節(jié)理巖體卸荷非線性力學(xué)特性進(jìn)行了試驗研究，指出巖體卸荷時，結(jié)構(gòu)面方向?qū)π逗商匦杂兄苯拥挠绊?，不同的結(jié)構(gòu)面夾角對卸荷應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也有直接的影響。李宏哲等[4-9]開展了含節(jié)理巖石試件的變形特性試驗，對試驗后的巖樣破壞特征、強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了分析。肖桃李等[10]、路亞妮等[11]通過預(yù)制特定傾角和特定尺寸的單裂隙，進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮試驗，指出三軸壓縮條件下試樣的破裂模式有3種，即拉剪復(fù)合破壞、“X”型的剪切破壞和沿裂隙面的剪切破壞。

河口村水庫庫區(qū)位于沁河中游太行山峽谷段的南端，壩址位于太行山背斜的軸部、盤古寺斷層的上升盤，含有多條斷裂構(gòu)造帶[12]。由于受到地質(zhì)構(gòu)造作用和巖溶等自然風(fēng)化的影響，基巖中形成了各種產(chǎn)狀的節(jié)理和裂隙。本文所用試樣取自河口村水庫壩肩，主要通過室內(nèi)試驗手段對完整和裂隙巖體的力學(xué)特性進(jìn)行不同圍壓下的三軸加載試驗對比研究，分析三軸壓縮條件下完整灰?guī)r與裂隙灰?guī)r的變形、強(qiáng)度、破壞特征和影響因素。

1　試驗方案

1.1試樣制備

本試驗巖芯取自河口村水庫壩肩巖體，均為天然狀態(tài)下微風(fēng)化灰?guī)r。采用切割機(jī)將巖心制成高度為110 mm的巖樣，并用專業(yè)的磨樣機(jī)將試樣兩端磨平。

根據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，試件尺寸為50 mm×110 mm，巖樣直徑的誤差不超過0.3 mm，端面不平行度誤差不超過0.05 mm，端面與試件軸線間最大偏差均不大于0.25°，滿足試驗要求。所用試樣的天然容重為26.7～28.5 kN/m3。完整灰?guī)r試樣有4組，編號分別為1-1、1-2、1-3、1-4，裂隙灰?guī)r試樣有4組，編號分別為2-1、2-2、2-3、2-4。

1.2試驗設(shè)備

本試驗在華北水利水電大學(xué)巖土與水工結(jié)構(gòu)重點實驗室的TAW-2000型微機(jī)伺服巖石高低溫三軸試驗機(jī)上進(jìn)行。該試驗系統(tǒng)主機(jī)為四柱式加載框架，油缸下置，控制系統(tǒng)采用進(jìn)口原裝德國DOLI全數(shù)字伺服控制器。該試驗機(jī)軸向最大荷載為2 000 kN，圍壓最大為60 MPa，活塞最大位移量為100 mm，徑向和軸向變形采用一體式傳感器，測試精度在±0.1%范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)巖石在不同圍壓和溫度下的巖石力學(xué)參數(shù)的確定，獲取巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及峰值和殘余強(qiáng)度。

為了防止試驗過程中液壓油浸入巖樣，試驗前先用熱縮管對巖樣進(jìn)行包裹。

1.3試驗方案

三軸試驗共設(shè)4級圍壓，即σ3分別為5、7、10、15 MPa。試驗步驟如下：①加圍壓時采用應(yīng)力控制，以0.05 MPa/s的速度增加圍壓達(dá)到預(yù)定值(5，7，10，15 MPa)，此時σ1=σ3；②保持圍壓在試驗過程中不變，為得到完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，采用變形控制方法施加軸向荷載，加載速率為0.02 mm/min，直到試樣破壞；③繼續(xù)以0.02 mm/min的加載速率施加軸向力，直到軸向應(yīng)力σ1不隨軸向應(yīng)變的增加而降低時，結(jié)束試驗，得到巖樣的殘余強(qiáng)度。記錄試驗全過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

完整和裂隙灰?guī)r試樣的加載試驗方案見表1。

表1　灰?guī)r加載試驗方案

2　完整灰?guī)r力學(xué)特性分析

2.1完整灰?guī)r強(qiáng)度和變形特征

不同圍壓下，完整灰?guī)r的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。完整灰?guī)r常規(guī)三軸試驗下的強(qiáng)度和變形參數(shù)見表2。

在表2中，彈性模量E為平均彈性模量，即加載過程中直線段的彈性模量；E50和μ50分別為峰值強(qiáng)度達(dá)到50%時對應(yīng)的變形模量和泊松比。按照廣義胡克定律，彈性模量E和泊松比μ的求解公式為：

(1)

圖1　不同圍壓下完整灰?guī)r的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2　完整灰?guī)r常規(guī)三軸試驗參數(shù)表

2.1.1強(qiáng)度參數(shù)分析

Mohr-Coulomb(簡稱M-C)強(qiáng)度準(zhǔn)則是巖土力學(xué)中應(yīng)用最廣泛的強(qiáng)度準(zhǔn)則之一，M-C強(qiáng)度準(zhǔn)則的表達(dá)式為

τ=c+σtanφ。

(2)

式中：τ、σ分別為剪切破壞面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力，MPa。對于三軸試驗，τ、σ可分別表示為：

(3)

σ1-σ3曲線可擬合為線性關(guān)系式：

σ1=mσ3+b。

(4)

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，得到線性擬合曲線，如圖2所示。

圖2　完整巖體抗壓強(qiáng)度隨圍壓變化的擬合曲線

由圖2的擬合曲線可以看出，加載條件下，峰值強(qiáng)度與圍壓呈良好的線性關(guān)系，通過擬合可以求出m=10.93，b=96.69，相關(guān)系數(shù)為0.996。

由m、b可以確定巖石的內(nèi)摩擦角和黏聚力，推導(dǎo)公式如下:

(5)

通過上式可推出：

(6)

根據(jù)表2可以計算出加載條件下完整灰?guī)r的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即：c=14.62 MPa，φ=56.30°。

2.1.2變形參數(shù)分析

從表2中可以看出，完整巖體彈性模量和變形模量隨圍壓的增大而增大，且大致呈線性關(guān)系，設(shè)E=kσ3+s，經(jīng)彈性模量與圍壓進(jìn)行線性擬合，得到擬合曲線，如圖3所示。

由圖3的擬合曲線可以看出，彈性模量與圍壓呈較好的線性相關(guān)，可以得出：

E=3.18σ3+23.66，

(7)

相關(guān)系數(shù)R2=0.992；

E50=2.24σ3+21.57，

(8)

相關(guān)系數(shù)R2=0.976。

圖3　完整巖體彈性模量隨圍壓變化的擬合曲線

2.2完整灰?guī)r加載破裂特征

完整灰?guī)r的加載破壞和裂紋展開情況如圖4所示。三軸壓縮試驗在圍壓5～15 MPa的破壞形式分為劈裂破壞和剪切破壞兩種，其中試件1-1、1-2、1-4的破壞形式主要為劈裂破壞，產(chǎn)生了很多縱向和橫向的貫穿裂紋；而試件1-3的破壞形式主要為壓剪型破壞，剪切面與最大主應(yīng)力面夾角為75°左右，并且伴有局部劈裂，這與M-C準(zhǔn)則預(yù)測的破裂傾角(45°+φ/2)基本上一致。同時，完整灰?guī)r的加載破壞特征也說明了低圍壓下的破壞特征大都呈劈裂破壞。

圖4　完整灰?guī)r破壞和裂紋展開情況

3　裂隙灰?guī)r力學(xué)特性分析

3.1裂隙灰?guī)r強(qiáng)度和變形特征

3.1.1強(qiáng)度分析

在均質(zhì)巖體內(nèi)巖體破壞面和主應(yīng)力面總是呈一定的關(guān)系。當(dāng)剪切時，破裂面總是與大主應(yīng)力面(法線)成β角(β=45°+φ/2)?？墒牵?dāng)存在軟弱結(jié)構(gòu)面時，情況就不同了，剪切破壞時，破裂面與大主應(yīng)力面的夾角可能是45°+φ/2，但絕大多數(shù)情況破裂面就是軟弱結(jié)構(gòu)面(裂隙面)。當(dāng)節(jié)理面上的剪應(yīng)力τ達(dá)到節(jié)理面的抗剪強(qiáng)度τf時，節(jié)理面處于極限平衡狀態(tài)，即

τ=τf=cj+σtanφj。

(9)

通過結(jié)構(gòu)面極限平衡的方法，得到結(jié)構(gòu)面破壞準(zhǔn)則[1]：

(10)

式中:cj,φj為裂隙面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，均為常數(shù)；θ為裂隙面與最大主應(yīng)力的夾角。

假如σ3固定不變，則式(10)的(σ1-σ3)隨著θ而變化。當(dāng)θ→90°或θ→φj時，(σ1-σ3)→∞。這就表明，σ3固定不變，當(dāng)結(jié)構(gòu)面平行于最大主應(yīng)力時或者結(jié)構(gòu)面法線與σ1成φj時，σ1最大。

試驗中，裂隙面與最大主應(yīng)力夾角分別為30°、60°、0°、80°，圍壓分別為7、5、10、15 MPa。裂隙灰?guī)r常規(guī)三軸試驗參數(shù)見表3。試件最終破壞形式為沿裂隙面破壞和穿節(jié)理面破壞，試驗結(jié)果見表4。

表3　裂隙灰?guī)r常規(guī)三軸試驗參數(shù)

表4　裂隙灰?guī)r三軸試驗結(jié)果

由表4可知，穿裂隙面破壞的灰?guī)r的抗剪強(qiáng)度明顯大于沿裂隙面滑移破壞的灰?guī)r的抗剪強(qiáng)度。按照完整巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)計算穿裂隙面破壞試樣的強(qiáng)度，結(jié)果見表5。從表中可看出，試樣強(qiáng)度理論值和實測值相差很小。所以這類裂隙巖體的破壞可看作是巖體材料本身的破壞，裂隙對其強(qiáng)度無影響。

表5　穿裂隙面破壞的試樣強(qiáng)度的實測值與理論值比較

3.1.2變形分析

圖5為不同圍壓下裂隙灰?guī)r的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5可以明顯地看出：試件的變形特性受裂隙面位置的影響最大，沿裂隙面滑移破壞的試樣(2-1，2-4)都有較長的屈服臺階，并且在沿裂隙面滑移的過程中承載力幾乎保持不變，這可能與裂隙面材料塑性較強(qiáng)有關(guān)；而穿裂隙面破壞的試樣在5 ～15 MPa的圍壓下，大都沒有明顯的屈服臺階(試樣2-2出現(xiàn)了較短的屈服臺階)。

圖5　不同圍壓下裂隙巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2裂隙灰?guī)r破壞特征

裂隙灰?guī)r試樣破壞和破壞裂紋展開情況如圖6所示，其中紅色線條代表試樣加載前的天然裂隙。

圖6　裂隙灰?guī)r破壞和裂紋展開情況

由圖中可以看出：在三軸加載條件下，裂隙巖體的破壞形態(tài)主要受裂隙面角度的影響，試樣2-2(圍壓7 MPa)和2-3(圍壓10 MPa)的天然裂隙角度分別為30°和0°，它們均為穿裂隙破壞，其中試樣2-2的破壞形式為劈裂破壞，出現(xiàn)了3條約為90°的縱向裂紋；試樣2-3的破壞形式為穿裂隙面剪切破壞，與大主應(yīng)力面夾角約為75°，這與完整灰?guī)r(1-3)的破壞形態(tài)大致一致(破裂面傾角為45°+φ/2)。試樣2-1和2-4的天然裂隙角度分別為60°和80°，均為沿裂隙面滑移破壞。

4　結(jié)　語

1)加載條件下，完整灰?guī)r的峰值強(qiáng)度和彈性模量隨圍壓的增大而增大，并且呈線性關(guān)系。

2)完整灰?guī)r在不同圍壓下的破壞形式有兩種，分別為劈裂破壞和剪切破壞，并且在低圍壓下發(fā)生劈裂破壞的可能性更大。

3)裂隙灰?guī)r有兩種破壞形式：穿裂隙面破壞和沿裂隙面滑移破壞。當(dāng)裂隙面與最大主應(yīng)力夾角θ>60°時，發(fā)生沿裂隙面滑移破壞；當(dāng)θ≤60°時，發(fā)生穿裂隙面破壞。

4)穿裂隙面破壞為巖體材料自身的破壞，與完整灰?guī)r的破壞形態(tài)和強(qiáng)度變形特征相似，可見其與裂隙面的存在無關(guān)。

[1]夏才初，孫宗頎.工程巖體節(jié)理力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

[2]李建林,孟慶義.卸荷巖體的各向異性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2001,20(3):338-341.

[3]李建林,王樂華.節(jié)理巖體卸荷非線性力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(10):1968-1975.

[4]李宏哲,夏才初,王曉東,等.含節(jié)理大理巖變形和強(qiáng)度特性的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(10):2118-2123.

[5]黃達(dá),黃潤秋.卸荷條件下裂隙巖體變形破壞及裂紋擴(kuò)展演化的物理模型試驗[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(3):502-512.

[6]王在泉,張黎明,孫輝.含天然節(jié)理灰?guī)r加、卸荷力學(xué)特性試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(增刊1):3308-3313.

[7]夏才初,李宏哲,劉勝.含節(jié)理巖石試件的卸荷變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(4):697-704.

[8]Li C.A method for graphically presenting the deformation modulus of jointed rock mass[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2001，34(1)：67-75.

[9]Singh M，Singh B，Choudhar J B，et al.Constitutive equation for 3D anisotropy in jointed rocks and its effect on tunnel clouser[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(S1)：652-657.

[10]肖桃李,李新平,郭運(yùn)華.三軸壓縮條件下單裂隙巖石的破壞特性研究[J].巖土力學(xué),2012,33(11):54-59.

[11]路亞妮,李新平,肖桃李.三向應(yīng)力下裂隙巖石力學(xué)特性試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2013,35(9):91-95.

[12]劉慶軍,郭其峰,王耀軍.河口村水庫工程地質(zhì)條件綜述及評價[J].人民黃河,2011,33(12):136-138.

(責(zé)任編輯：喬翠平)

Experimental Research on Mechanical Properties of Limestone in Dam Abutment of Hekoucun Reservoir

LIU Haining1,2, ZHANG Yafeng1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China；2.State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, China)

Samples of completed and fracture limestone were taken from the dam abutment of Hekoucun Reservoir. By using TAW-2000 rock triaxial apparatus for rock triaxial compression test under different confining pressures, we obtained the stress-strain curve, deformation, strength, rupture regulation of completed limestone and fractured limestone under different confining pressures. In the experiment, the angle between the fractured surface and the major principal stress was 0°～80°, and the confining pressure was 5～15 MPa. Test results showed that the peak strength and deformation modulus of completed limestone increased while the confining pressures increased, and there was a linear relationship existed between them; the failure modes of the fractured limestone specimens under the condition of triaxial compression could be classified into two types, one was shearing-failure across the fractured surface, the other was sliding-failure along the fracture surface; the strength and deformation characteristics of the fractured limestone were deeply influenced by the angle of fracture planeθ, whenθ>60°, the failure pattern was sliding-failure along the fractured surface, whenθ≤60°, the failure pattern was shearing-failure across the fractured surface; the essence of the pattern of shearing-failure across the fractured surface was the damage of rock materials, and the failure modes of the completed limestone were similar to the characteristics of the strength and deformation of the completed limestone.

triaxial compression test; stress-strain curve; completed limestone; fractured limestone; fractured characteristics

2015-11-24

盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室開放基金資助項目；“863”計劃資助項目(2012AA041802)。

劉海寧(1978—)，男，山東泰安人，副教授，碩導(dǎo)，博士，主要從事巖土力學(xué)試驗、數(shù)值計算等方面的研究。E-mail:liuhaining@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.014

TV223.1;TU451

A

1002-5634(2016)01-0073-05