劉 攀 林志南 馬戎榮 柯志強(qiáng)

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 2. 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心 河海大學(xué)， 南京 210098)

節(jié)理傾角對類巖石試樣力學(xué)特性影響試驗研究

劉 攀1，2林志南1，2馬戎榮1，2柯志強(qiáng)1，2

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 2. 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心 河海大學(xué)， 南京 210098)

白鶴灘水電站壩基巖體柱狀節(jié)理十分發(fā)育，巖體中存在許多復(fù)雜節(jié)理面，各向異性特性十分顯著．為了研究柱狀節(jié)理巖體的各向異性特性，采用模型試驗方法，考慮橫向貫通節(jié)理，制作具有不同柱體傾角(β=0～90°)的正四棱柱形試樣，通過單軸壓縮試驗得到柱狀節(jié)理巖體在不同節(jié)理傾角β下的單軸抗壓強(qiáng)度、變形模量和峰值應(yīng)變，分別分析了不同傾角下應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值強(qiáng)度、變形模量、峰值應(yīng)變及破壞類型的特性，得到以下結(jié)論:傾角β=0～15°以及75～90°范圍時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在多峰現(xiàn)象，β=30～60°范圍時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線以單峰為主；單軸抗壓強(qiáng)度在β=60°時取得最小值，β=90°時取得最大值，試件強(qiáng)度各向異性比Kc為11.12，屬于極高各向異性；變形模量在β=60°時取得最小值，β=90°時取得最大值；峰值應(yīng)變在β=60°時取得最小值，β=30°時取得最大值；試樣主要有沿材料的劈裂破壞和沿貫通節(jié)理面的滑移破壞兩種破壞模式．

柱狀節(jié)理巖體； 試件； 各向異性； 單軸壓縮試驗； 節(jié)理傾角

金沙江白鶴灘水電站作為一座千萬級巨型水電工程，其壩基巖體為柱狀節(jié)理發(fā)育的玄武巖，柱狀節(jié)理巖體是玄武巖內(nèi)發(fā)育的一種特殊構(gòu)造巖體．早在1875年R.Mallet[1]對玄武巖柱狀節(jié)理特征和形成機(jī)制就進(jìn)行了研究，后來MüLLER G等學(xué)者[2-4]也對柱狀節(jié)理的成因進(jìn)行了相關(guān)分析．柱狀節(jié)理巖體常常被多組節(jié)理切割成規(guī)則的多邊形長柱體，存在大量的結(jié)構(gòu)面，巖體在各個方向上表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性．因此柱狀節(jié)理巖體各向異性力學(xué)問題已成為該水電工程突出的巖石力學(xué)問題之一，引起了廣泛關(guān)注．國內(nèi)外學(xué)者對柱狀節(jié)理巖體各向異性特性進(jìn)行了許多研究．朱道建[5]等通過建立了整體力學(xué)屬性滿足Weibull分布的概率模型，并且使用Voronoi算法，對柱狀節(jié)理巖體的各向異性特性和尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究．劉海寧[6]等通過真三軸物理模擬試驗，研究了復(fù)合柱狀巖體在不同卸荷-加載應(yīng)力途徑下的破裂、破壞機(jī)制及不同方向三軸主應(yīng)力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及其強(qiáng)度特性．肖維民等[7-8]通過對傾角不同的圓柱形節(jié)理試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗獲得柱狀節(jié)理巖體在不同柱體傾角下的變形模量和單軸抗壓強(qiáng)度，同時研究了柱狀節(jié)理巖體側(cè)向變形特性，給出側(cè)向應(yīng)變比隨傾角β的變化規(guī)律．徐衛(wèi)亞等[9-11]通過數(shù)值模擬方法,研究了柱狀節(jié)理巖體在單軸和三軸數(shù)值試驗條件的變形和強(qiáng)度各向異性問題．前人的研究雖多，其研究方向要么側(cè)重于數(shù)值模擬，缺少實驗理論的支撐，要么是局限于僅考慮豎向貫通節(jié)理條件下試樣的物理實驗研究,故本文把橫向貫通節(jié)理作為試樣力學(xué)特性影響因素之一，在綜合考慮橫向和豎向貫通節(jié)理的基礎(chǔ)上,研究單軸壓縮條件下節(jié)理傾角對試樣力學(xué)特性的影響，從而對柱狀節(jié)理巖體各向異性進(jìn)行進(jìn)一步的研究．

白鶴灘水電站壩址區(qū)柱狀節(jié)理玄武巖巖心破碎，巖體整體結(jié)構(gòu)完整性較差，現(xiàn)場獲得節(jié)理發(fā)育較好的的完整巖石試樣較困難．鑒于此，本文使用類巖石材料制作不同節(jié)理傾角的規(guī)則柱狀節(jié)理巖體模型，研究單軸壓縮條件下模型試樣的破壞類型，單軸抗壓強(qiáng)度，峰值應(yīng)變以及變形模量隨節(jié)理傾角的變化規(guī)律，有利于把握柱狀節(jié)理玄武巖的工程特性，規(guī)避各向異性潛在的不利影響，對現(xiàn)場工程施工和建設(shè)具有參考和指導(dǎo)性意義．

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

實驗采用水泥，石英砂和水的混合物制作模型柱體，質(zhì)量比為2.4∶1.2∶1，攪拌過程中在混合物中添加適量的減水劑以提高混合物的和易性，同時可以有效地改善混合物的黏聚性和保水性，提高成型柱體的強(qiáng)度和耐久性．試樣材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1．

表1 試樣材料物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試樣制作

本試驗制作的柱狀節(jié)理巖體模型是由長度為50 mm和25 mm的正六棱柱體膠結(jié)而成，不同長度的正六棱柱體由截面邊長為10 mm，長為150 mm的正六棱柱體切割而成，正六棱柱體的制備工具為樹脂模具，如圖1所示．

圖1 正六棱柱體(150 mm)和樹脂模具

具體制備過程為：將試驗所用的樹脂模具涂抹凡士林后拼裝好，將按要求配好的混合物攪拌均勻后注入到模具之中，待其凝固，拆卸后將長為150 mm的正六棱柱體在恒溫恒濕的條件下養(yǎng)護(hù)30 d，養(yǎng)護(hù)完成后將其柱體切割成50 mm和25 mm的小棱柱體，并用水灰比為2∶1的白色硅酸鹽水泥膠結(jié)材料將小棱柱體膠結(jié)在一起，膠結(jié)過程中要控制好小棱柱體的拼接位置，以免影響成型柱狀節(jié)理巖體模型的力學(xué)性質(zhì)．將模型人工切割、打磨，得到與水平方向成不同傾角β的標(biāo)準(zhǔn)長方體試件，如圖2所示，左圖為60°傾角試樣，右圖中從右向左，試樣傾角依次為0°、15°、30°、45°、75°和90°．

圖2 不同角度的柱狀節(jié)理巖體試件

1.3 試驗加載

柱狀節(jié)理巖體試樣單軸壓縮試驗在巖石單軸壓縮試驗機(jī)上進(jìn)行，每個角度的試件均為3個，共21個試件．裝樣前，保持試件干燥整潔，表面無雜物，裝樣完畢后啟動試驗儀器保持緩慢加載，試件軸向應(yīng)變由軸向應(yīng)變測量系統(tǒng)記錄，加載速度保持在0.02 mm/min，當(dāng)試樣破壞完全時停止加載，取下破損試件后進(jìn)行下一試件的加載測量，傾角相同的的試件，需保持試驗條件一致．

1.4 試驗結(jié)果

將加工好的試樣在試驗儀器上進(jìn)行單軸壓縮試驗，在同一傾角試件的試驗結(jié)果中，比較各參數(shù)試驗值，去除比較離散的結(jié)果并保留中間值，以此作為該傾角試件最終的試驗結(jié)果．根據(jù)單軸壓縮試驗記錄結(jié)果整理不同節(jié)理傾角試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示，由單軸壓縮試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算試樣的單軸抗壓強(qiáng)度σ，彈性模量E以及峰值應(yīng)變ε等各項數(shù)據(jù)，同時記錄不同角度試件的破壞類型，整體見表2．

圖3 不同節(jié)理傾角試件單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

傾角/°峰值強(qiáng)度/MPa峰值應(yīng)變/10-2變形模量/MPa破壞模式021．7182．774575．714①1518．4921．810870．056①3021．8723．352565．948①453．4881．164304．257②602．7900．784297．119②755．1770．878476．528②9031．0122．0601427．986①

2 結(jié)果分析

分析不同傾角柱狀節(jié)理巖體試件的單軸壓縮試驗結(jié)果，明確各節(jié)理傾角試件各向異性力學(xué)特性，研究各向異性的具體表現(xiàn)形式．

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

分析不同節(jié)理傾角試件單軸壓縮試驗結(jié)果的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可知：傾角β=0～15°以及75～90°時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在典型的多峰現(xiàn)象，而在β=30～60°范圍時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線以單峰為主；當(dāng)β從0°變化到60°時，試件單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變變形曲線線彈性部分斜率逐漸變小，可知各試件材料的延性逐漸增強(qiáng)，脆性逐漸降低，在相同壓力作用下，試件軸向變形變大．而β從60°變化到90°時，試件單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變變形曲線線彈性部分斜率逐漸變大，可知各試件材料的延性逐漸降低，脆性逐漸增強(qiáng)，在相同壓力作用下，試件軸向變形變?。?/p>

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度

試件單軸抗壓強(qiáng)度隨試件節(jié)理傾角的變化趨勢如圖4所示，可知：當(dāng)試件傾角β=0～30°范圍時，其單軸抗壓強(qiáng)度先降低后增加，整體上保持在一個較高的水平值；當(dāng)傾角β=30～60°范圍時，試件單軸抗壓強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)降低趨勢，并在β=60°時取得最小值；而當(dāng)試件傾角β=60～90°范圍時，其單軸抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)增長趨勢并在β=90°時取得最大值；試件單軸抗壓強(qiáng)度在傾角β=45～75°之間保持在一個較低的水平值．

圖4 柱狀節(jié)理巖體試件單軸抗壓強(qiáng)度各向異性曲線

2.3 變形模量

試件變形模量隨試件節(jié)理傾角的變化趨勢如圖5所示，可知：當(dāng)傾角β=0～60°范圍時，試件變形模量變化趨勢為先增大后減小，在β=15°時達(dá)到較大值，在β=60°時取得最小值，當(dāng)試件節(jié)理傾角β=60～90°范圍時，試件變形模量逐漸變大并在β=90°時取得最大值．整體上，試樣變形模量在β=45～60°范圍時取得較小水平值，在β=90°附近取得較大水平值．

圖5 柱狀節(jié)理巖體試件變形模量各向異性曲線

2.4 峰值應(yīng)變

試件峰值應(yīng)變隨試件節(jié)理傾角的變化趨勢如圖6所示，可知：當(dāng)傾角β=0～30°范圍時，試樣峰值應(yīng)變變化趨勢為先增大后減?。划?dāng)傾角β=30～60°范圍時，試樣峰值應(yīng)變逐漸降低；當(dāng)節(jié)理傾角β=60～90°范圍時，試樣峰值應(yīng)變逐漸增大．整體上，試樣峰值應(yīng)變在β=0～30°范圍以及β=90°附近取得較大水平值并在β=30°時取得最大值，而在β=45～75°范圍內(nèi)取得較小水平值并在β=60°時取得最小值．

圖6 柱狀節(jié)理巖體試件峰值應(yīng)變各向異性曲線

2.5 破壞類型

單軸壓縮條件下不同傾角柱狀節(jié)理巖體試件主要有兩種典型破壞類型：①主要為沿試件材料的劈裂破壞(如圖7所示)，即軸向壓力引起完整模型材料的張拉破壞，在試件內(nèi)部形成張拉裂隙；②為滑移破壞(如圖8所示)，即在軸向壓力作用下，試件貫通節(jié)理面兩側(cè)柱體相互錯動滑移，節(jié)理面上的剪應(yīng)力逐漸超過抗滑力，試件不斷發(fā)生變形并最終破壞．

圖7 試件沿材料的劈裂破壞

圖8 試件沿貫通節(jié)理面的滑移破壞

3 結(jié)果討論

3.1 試件強(qiáng)度各向異性分析

由于貫通節(jié)理構(gòu)造的切割作用，且貫通節(jié)理傾角β同時也在發(fā)生著變化，柱狀節(jié)理巖體試件單軸抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的各向異性，其直觀表現(xiàn)為單軸抗壓強(qiáng)度σ值隨著β的變化而變化．巖石單軸抗壓強(qiáng)度各向異性程度水平可由T.Ramamurthy[12-13]理論定量評價，以Kc為各向異性比，Kc可通過公式σrmax/σrmin計算得出．根據(jù)各向異性比Kc取值范圍，各向異性等級分類見表3．由圖可知，本次實驗采用的柱狀節(jié)理巖體試件各向異性比Kc為11.12，屬于極高各向異性．

表3 各向異性等級分類[14]

T.Ramamurthy理論同時指出，巖石單軸抗壓強(qiáng)度可以用經(jīng)驗公式(1)來進(jìn)行預(yù)測:

式中，σ(β)為柱體傾角為β時的柱狀節(jié)理巖體試件單軸抗壓強(qiáng)度，βm為單軸抗壓強(qiáng)度最小時的傾角，此處βm取60°；A和D均是待定常數(shù)，式中A和D的值可利用傾角β=0°、60°和90°時的試件單軸抗壓強(qiáng)度值來確定．

分析過程中為了方便表述，以試件的單軸抗壓強(qiáng)度和完整試樣的單軸抗壓強(qiáng)度之比σcr作為歸一化的無量綱值代替σ進(jìn)行分析，則歸一化的單軸抗壓強(qiáng)度的理論預(yù)測曲線表達(dá)式為

柱狀節(jié)理巖體試件單軸抗壓強(qiáng)度理論預(yù)測曲線和試件單軸壓縮試驗結(jié)果對比如圖9所示．

圖9 試件單軸抗壓強(qiáng)度理論預(yù)測曲線和試驗值對比

通過兩者的比較可知：節(jié)理傾角β=30°時，曲線理論預(yù)測值與試驗實際測量值偏差比較大，曲線理論預(yù)測值遠(yuǎn)小于試件的單軸抗壓強(qiáng)度值，而在其它傾角時理論預(yù)測值與試驗實際測量值偏差較小．

3.2 水泥膠結(jié)材料影響分析

柱狀節(jié)理巖體試件制作過程中，正六棱柱體通過白色硅酸鹽水泥膠結(jié)而粘合在一起．單個六棱柱體制作過程中存在實驗誤差，不可能做到十分規(guī)則，因而成型試件中柱體間的水泥漿存在一定的厚度．當(dāng)節(jié)理傾角β=0～15°和75～90°時，軸向荷載并不完全是由柱體材料單獨(dú)承擔(dān)，水泥漿膠結(jié)材料構(gòu)成的膠結(jié)層也分擔(dān)了部分荷載，故節(jié)理巖體試件單軸抗壓強(qiáng)度實際測量值要大于理論預(yù)測曲線的計算值．同時觀察破壞后的試件可知，試件都是沿柱體材料或者水泥漿石膏交界面破壞，很少有沿水泥漿膠結(jié)層發(fā)生破壞，故膠結(jié)層厚度基本不影響預(yù)制試件的破壞類型．總體上，水泥膠結(jié)材料對試驗結(jié)果的影響不是很明顯．

4 結(jié) 論

1)柱狀節(jié)理巖體試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征主要表現(xiàn)為：傾角β=0～15°和75～90°范圍時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有多峰現(xiàn)象，β=30～60°范圍時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線以單峰為主．β=0～60°范圍時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率變小，試件材料延性增強(qiáng)，脆性降低，而β=60～90°范圍時，分析結(jié)果與之相反．

2)柱狀節(jié)理巖體試件強(qiáng)度各向異性主要表現(xiàn)為：單軸抗壓強(qiáng)度隨節(jié)理傾角的變化曲線在β=30°時呈現(xiàn)凸起狀態(tài)，變化趨勢整體類似“U”型，單軸抗壓強(qiáng)度在β=60°時取最小值，β=90°時取最大值，試件強(qiáng)度各向異性比Kc的值為11.12，屬于極高各向異性．

3)柱狀節(jié)理巖體試件變形各向異性主要表現(xiàn)為：變形模量隨節(jié)理傾角的變化曲線在β=15°時呈現(xiàn)凸起狀態(tài)，峰值應(yīng)變隨傾角的變化曲線在β=30°時呈現(xiàn)凸起狀態(tài)，變化趨勢整體都類似“U”型．變形模量在β=60°時取得最小值，β=90°時取得最大值；峰值應(yīng)變在β=60°時取得最小值，β=30°時取得最大值．

4)柱狀節(jié)理巖體試件有兩種破壞類型：劈裂破壞和滑移破壞．

[1] Mallet R. On the Origin and Mechanism of Production of the Prismatic(or Columnar) Structure of Basalt[J]． Philosophical Magazine,1875, 4(50):122-135, 201-226．

[2] MüLLER G. Experimental Simulation of Basalt Columns[J]． Journal of Volcanology and Geothermal Research, 1998, 86(1/4):93-96．

[3] MüLLER G. Starch Columns: Analog Model for Basalt Columns[J]．Journal of Geophysical Research,1998,103(B7):15 239-15 253．

[4] TORAMARU A, MATSUMOTO T. Columnar Joint Morphology and Cooling Rate:a Starch-water Mixture Experiment[J]． Journal of Geophysical Research,2004, 109(B02):B02205．

[5] 朱道建，楊林德，蔡永昌. 柱狀節(jié)理巖體各向異性特性及尺寸效應(yīng)研究[J]． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(7):1 405-1 414．

[6] 劉海寧，王俊梅，王思敬.白鶴灘柱狀節(jié)理巖體真三軸模型試驗研究[J]． 巖土力學(xué)，2010，31(增1):163-171．

[7] 肖維民，鄧榮貴，付小敏，等. 柱狀節(jié)理巖體側(cè)向變形特性單軸壓縮試驗研究[J]． 地下空間與工程學(xué)報，2014，10(5):1047-1052．

[8] 肖維民，鄧榮貴，付小敏，等. 單軸壓縮條件下柱狀節(jié)理巖體變形和強(qiáng)度各向異性模型試驗研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33(5):957-963．

[9] 徐衛(wèi)亞，鄭文棠，寧 宇，等. 柱狀節(jié)理壩基巖體三維各向異性數(shù)值分析[J]． 巖土力學(xué)，2010，31(3):949-955．

[10] 寧 宇，徐衛(wèi)亞，鄭文棠，等. 柱狀節(jié)理巖體隨機(jī)模擬及其表征單元體尺寸研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27 (6):1202- 1208．

[11] 孟國濤.柱狀節(jié)理巖體各向異性力學(xué)分析及其工程應(yīng)用[D]．南京:河海大學(xué)，2007．

[12] RAMAMURTHYT.Strength and Modulus Responses of Anisotropic Rocks[C]． Comprehensive Rock Engineering. Translated by BROWNE T. Oxford:Pergamon Press, 1993:313-329．

[13] KWASNIEWSKI M A. Mechanical Behavior of Anisotropic Rocks[C]． Comprehensive Rock Engineering. BROWN E T ed. Oxford:Pergamon Press,1993:285-312．

[14] 張學(xué)民. 巖石材料各向異性特征及其對隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究[D]．長沙:中南大學(xué)， 2007:1-10．

ExperimentalStudyofInfluenceofJointInclinationsonMechanicalPropertiesofRock-likeSamples

Liu Pan1,2Lin Zhinan1,2Ma Rongrong1,2Ke Zhiqiang1,2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai Univ., NanJing 210098, China; 2. Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

In the dam foundation of Baihetan Hydropower Station, the columnar jointed rock mass is the main composition and there are many complicated joint planes in it; therefore, it exhibits remarkable anisotropy peculiarity. In order to investigate the anisotropy peculiarity of columnar jointed rock mass, using model test method, taking transverse joint into account, making right square prism columnar jointed samples with different inclination (β) ranges from 0° to 90° for uniaxial compression tests. Through uniaxial compression tests, the compressive strength, deformation modulus and peak strain are obtained. Meanwhile, the paper analyzes the characteristics of stress-strain curve, peak strength, deformation modulus, peak strain and failure mode of samples. The results show that: whenβis between 0° and 15°, 75°and 90°, stress-strain curve has a multi-peak phenomenon; whenβis between 30°and 60°, stress-strain curve is unimodal; the uniaxial compression strength has the minimum value atβ=30°; and it reaches the maximum value atβ= 90°; the anisotropy ratio of the strength is as high as 11.12, which belongs to extremely high anisotropy. The deformation modulus has the minimum value atβ=60; and it reaches the maximum value atβ= 90°; the peak strain has the minimum value atβ=60°, and it reaches the maximum value atβ=30°. There are two main failure modes of samples, which are the splitting failure of the material and the sliding failure which is along the joint surface.

columnar jointed rock mass; sample; anisotropy； uniaxial compression test; joint inclination

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.009

2017-02-15

國家自然科學(xué)基金項目資助(50911130366)

劉 攀(1992-)，男，碩士研究生，從事巖石力學(xué)與工程方面的研究．E-mail：1980896466@qq.com

TV223

A

1672-948X(2017)05-0043-05

[責(zé)任編輯王迎春]