滲透壓力作用下巖石三軸壓縮過程變形特性分析*

肖偉晶，王曉軍, 2，李士超，于正興，黃廣黎, 閆　奇

(1.江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業工程重點實驗室， 江西 贛州 341000；3.中國安全生產科學研究院，北京 100012)

數字出版日期： 2017-12-19

0　引　言

巖石通常是能源儲存、核廢料處理、水利水電、地下交通和地下礦山等工程的主要介質和地質環境[1-2]，該類地下工程巖體受開挖擾動后，所處應力狀態遭到破壞，引起應力重新分布[3]，擾動后的圍壓將向臨空面發生位移變形，因此研究巖體變形特性對工程巖體災害分析與防治具有重要意義[4-6]。

近年來，國內外關于巖石變形及強度特性的研究從未間斷，也取得了豐碩的研究成果。劉俊新[7]等對頁巖展開了不同圍壓及不同應變速率下的三軸壓縮試驗，分析并研究了應變速率對強度、應變和彈性模量的影響；Bieniawshi等[8]和Peng等[9- 10]分別對細砂巖和凝灰巖等開展不同應變速率下的巖石力學試驗；馬建林等[11]對鹽巖展開三軸循環加、卸載試驗，研究了循環荷載對鹽巖變形演化的影響；K. Fuenkajorn等[12]通過對鹽巖進行單軸循環加卸荷試驗，研究周期荷載對鹽巖單軸抗壓強度、彈性及不可逆變形的影響，研究結果表明，巖石的變形模量和應變受循環次數的影響是有限的；楊春和等[13]對巖石展開單軸循環加、卸載力學試驗，研究了巖石的變形特性，研究結果表明循環加卸載能夠強化巖石的變形特性；此外，蘇承東[14]，楊圣奇[15]等分別對巖石展開三軸壓縮試驗，針對巖石三軸壓縮過程中的變形與能量特征進行了相關研究。綜上所述，已有的研究結論為深入探索巖石變形和強度特性奠定了基礎。但是，關于滲流-應力耦合作用下巖石的變形和強度特性的研究則鮮有報道。

基于此，筆者對紅砂巖展開了恒定圍壓不同滲壓下的三軸壓縮試驗，分析了不同滲透壓力作用下巖石三軸壓縮過程中軸向應變、徑向應變和變形模量的變化規律，研究結果為探討類似工程巖體滲透壓力作用下的變形特性提供參考。

1　試樣制備及方案

1.1　試樣制備

紅砂巖為第三系、白壟系內陸河湖相沉積巖，在我國華東(江西、安徽、福建) 和中南( 湖南、湖北、廣東) 及西南( 四川)等地區均有廣泛分布。該類巖石外觀呈紅色、深紅色或紅褐色，主要成分為石英、白云母、長石及少量礦物。本試驗選用贛南紅砂巖為試驗試樣，考慮到巖石性狀的離散性，為使各試樣的物理性質具有一致性和試驗結果的可比性，鉆取同一巖石上相鄰部位的巖芯進行加工，如圖1所示。根據《工程巖體試驗方法標準》(GB/T5026 6-2013)以及國際巖石力學學會(ISRM)推薦標準，加工成尺寸為φ50 mm×100 mm的圓柱形試樣，并采用巖石切割機和磨石機對試樣端面進切割和打磨，使試樣兩端不平整度小于0.02 mm。所有巖石試樣試驗前均用水進行飽和處理。

圖1　鉆孔取樣Fig.1　Bore-hole sampling

1.2　試驗設備和方案

采用英國GDS公司生產的GDS-VIS三軸流變儀進行滲透壓力作用下的三軸壓縮試驗，如圖2所示。該加載系統采用虛擬無限剛度荷載架，可進行單軸壓縮、三軸壓縮、流變試驗以及滲流-應力耦合試驗，最大軸向加載載荷為 400 kN,壓板最大有效位移行程為100 mm，實驗加載速率能夠通過計算機進行人為的設置。軸壓、圍壓和滲壓的加載分別由3套獨立的配套系統進行加載，由軸向和徑向LVDT位移傳感器分別測量應力加載過程中的軸向位移和徑向位移，試驗時全程精度達到了0.05%。

將飽和試樣用高性能熱縮管包裹并安裝LVDT應變傳感器，確定與試樣接觸良好后放入三軸儀的壓力室內，試樣兩端用“O”形橡膠圈將試樣與壓頭箍緊，打開試樣頂端出水口閥門，并下放加載橫梁并擰緊固定；最后封閉壓力腔室，待預加載完成后，依次以1 MPa/min的速率加載圍壓和滲壓；待圍壓和滲壓穩定后以0.1 kN/s的速率加載偏應力，直至試樣破壞，試驗停止。本次試驗條件設置為恒定圍壓不同滲壓，因此各試樣固定圍壓8 MPa，設置滲壓依次為2，4，6，7 MPa。

圖2　GDS-VIS三軸流變儀全貌Fig.2　Total graph of GDS-VIS three axis rheometer

2　試驗結果分析

2.1　變形特性分析

根據試驗數據繪制各滲透壓力作用下巖石應力-應變曲線，如圖3。分析圖3可知，滲透壓力作用下，紅砂巖三軸壓縮過程的軸向變形大致可分為4個階段：孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、非穩定破裂階段及破裂后階段。隨著滲透壓力的增大，巖石峰值強度減小。

(圖中Pw值表示各滲壓大小)圖3　滲透壓力作用下應力-應變曲線Fig.3　Stress strain curves under seepage pressure

分析軸向應變可知，達到峰值應力時，各滲壓下巖石的軸向應變ε1c在2.30%～2.74%之間(依次為2.30%，2.74%，2.55%和2.62%)，且隨滲壓增加，ε1c呈逐漸增大的趨勢。與2 MPa滲壓相比，4，6，7 MPa滲壓下達到峰值應力時軸向應變分別增加了17.8%，10.9%，13.9%；分析徑向應變可知，隨滲透壓力增加，達到峰值應力時，各滲壓下巖石徑向應變ε3c在-0.535%～-1.012%之間(依次為-1.012%，-1.010%，-0.767%和-0.535%，其中負號表示拉伸變形)，且隨滲透壓力增加ε3c逐漸減小。與2 MPa滲壓相比，4，6，7 MPa滲壓下達到峰值應力時徑向應變分別減小了0.2%，24.2%和47.1%。

由上述分析可知，與2 MPa滲壓相比，隨滲壓增大，達到峰值應力時的軸向應變的增加幅度在10.9%～17.8%之間，變化幅度較小；達到峰值應力時徑向應變減小幅度在0.2%～47.1%之間，與軸向應變相比，變化幅度較大。由此表明，三軸壓縮的過程中，較之與軸向應變相比，徑向應變對滲透壓力變化的敏感性更強，變化幅度較大。

2.2　變形模量分析

由圖3可知，隨著滲透壓力的增大，巖石峰值強度減小，表明滲透水壓力的作用能夠弱化巖石強度，促進巖樣內部裂紋的發育和擴展，誘發巖體失穩。巖石在滲壓與應力耦合作用下，產生軸向變形和徑向變形，同時變形模量也將隨滲透壓力的增加而發生改變，為研究各滲壓下巖石變形模量的變化規律，其中，變形模量的計算方法有多種，為此，筆者擬采用式(1)進行計算如下[16]：

(1)

式中：E為變形模量，GPa；μ為泊松比；B為某應力狀態下巖石的徑向應變ε3與其對應的軸向應變ε1的比值；σ1，σ3分別為某應力狀態下的軸壓和圍壓，MPa,本次試驗為恒定圍壓下的滲透試驗，故σ3取值為8 MPa。

根據式(1)計算得到各滲壓下峰值強度時徑向應變與軸向應變之比μc，并稱之為側脹系數；峰值強度時變形模量Ec、峰值強度50%時的變形模量E50和泊松比μ50，(見表1)，且隨滲壓增加，峰值強度、變形模量E50和Ec以及側脹系數μc均呈減小趨勢，分析可知：根據側脹系數的定義，隨滲壓增加側脹系數越小，說明達到破壞時巖石的徑向拉伸變形較軸向壓縮變形相比逐漸減小。由此表明，滲壓的增加能夠弱化圍壓的約束作用，減小巖石承受徑向變形的能力，促進巖石發生失穩破壞。

表1　巖石強度參數

(圖中Pw值表示各滲壓大小)圖4　不同滲壓下偏應力、變形模量與應變的關系Fig.4　Relationship between deviatoric stress, deformation modulus and strain under different seepage pressures

根據式(1)計算得到巖石應力-應變過程中變形模量的演化規律，如圖4所示。分析圖4可知，在偏應力加載初期，巖石處于空隙裂隙壓密階段，此階段內的巖石變形大多是由空隙裂隙閉合所致，變形模量較小；隨著偏應力不斷增加，空隙裂隙逐漸壓縮閉合，巖樣形變主要以巖石顆粒受力變形為主，變形模量逐漸增大；在彈性變形階段，隨巖石試樣被持續壓縮密實，變形模量減速增加并逐漸趨近于最大值，該最大值為此應力條件下巖石的最大變形模量Emax；在非穩定破裂及破裂后階段，由于巖石內部非穩定破裂持續發展和貫通，巖石變形快速增加，變形模量逐漸減小，當達到峰值應力后，變形模量呈現“斷崖式”下跌，隨后逐漸趨于穩定。

進一步分析可知，巖石承載過程中變形模量隨偏應力增加而增大，最大變形模量Emax出現在彈性變形階段后期，如圖4，達到屈服應力后變形模量逐漸減小，超過峰值應力后變形模量則驟減。與軸向應變相比，變形模量隨徑向應變的變化規律則有所差異：在變形模量增加的過程中，徑向變形始終較小，當變形模量達到峰值并開始跌落后，徑向應變明顯增加，表明與軸向應變相比，徑向應變則更能反映出巖石變形模量的減小和力學強度的降低。

圖5　變形模量與應變的關系Fig.5　Relationship between deformation modulus and strain

為分析各滲壓下最大變形模量與應力和應變的關系，根據圖5，得到各滲壓下最大變形模量Emax及其對應的軸向應變εEmax，見表2。

表2　最大變形模量及其對應的應變

由表2分析可知，隨滲透壓力增加，最大變形模量對應的軸向應變隨滲壓增大而后移(如圖5中箭頭所示)。與此同時，滲壓越大，巖石承載過程中各變形階段的變形模量呈減小趨勢，其中，與2 MPa滲壓相比，4,6,7 MPa滲壓下最大變形模量分別降低了0.75， 0.85,1.0 GPa，由此表明，滲透壓力能夠降低巖石的變形模量。究其原因可知，水在滲透壓力作用下，能夠在裂隙表面產生潤滑作用并增強破裂面上的剪應力效應，同時水的滲入對巖石產生軟化、泥化作用，降低巖石力學強度，使巖石的變形模量隨滲壓增加而降低。

紅砂巖是工程實踐中常見的工程巖體，在我國有廣泛分布。基于本研究的相關結論，可通過實時監測滲透壓力作用下巖體變形來分析以紅砂巖為主的工程巖體穩定性狀況；同時，可根據各滲壓下巖石承載過程中變形模量的變化規律來判別不同水壓力條件下巖石的失穩和破壞，為分析滲透壓力作用下類似巖性的地下工程穩定性提供參考。

3　結論

1)隨著滲透壓力的增大，巖石峰值應力減小，峰值應力對應的軸向應變量增加，徑向應變量則減小，滲透壓力作用下巖石承受徑向變形的能力隨滲透壓力的增加而降低。

2)與2 MPa滲壓相比，4,6,7 MPa滲壓下達到峰值應力時的軸向應變增加幅度在10.9%～ 17.8%之間，徑向應變減小幅度在0.2%～47.1%之間，變化幅度較大。表明，與軸向應變相比，徑向應變對滲透壓力變化的敏感性更強，變化幅度更大。

3)巖石承載過程中，隨變形模量的增大徑向應變近乎不變，當變形模量開始減小時徑向應變則顯著增加，表明徑向應變能夠更明顯的反映出巖石承載過程中變形模量的減小和力學強度的降低。

4)巖石承載過程中各變形階段的變形模量隨滲透壓力增大而減小。同時，與2 MPa滲壓相比，4,6,7 MPa滲壓下最大變形模量依次降低了1，0.85，0.75GPa，最大變形模量對應的軸向應變隨滲壓的增大有明顯后移趨勢。

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