輝綠巖單軸及常規三軸壓縮下力學特性試驗研究

沈 君，劉保國，程 寅，宋 宇，劉 浩，武 磊

(1.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

巖石或巖體在受力情況下的變形、屈服、破壞及破壞后的力學特征是巖石力學工程理論計算與設計的基礎。近年來，對于巖石力學特性的研究主要集中于巖石的強度、變形、破壞及本構關系等領域，采用的研究方法分別有：理論分析、室內或現場原位試驗和數值模擬，其中室內以巖樣的單軸、常規三軸壓縮試驗和剪切試驗等為主，為巖石力學與工程的設計、施工提供理論依據和工程指導。

在巖石工程領域中，如水利水電、邊坡、地下工程和采礦工程等，中外學者已經開展較為全面系統的試驗研究，并取得豐碩的研究成果。

在20世紀中葉，國外學者Wawersik等[1]針對脆性巖石開展室內壓縮試驗，主要分析脆性巖石在單軸壓縮試驗全過程曲線的兩個基本類型及巖石的基本力學特征，初步揭示脆性巖石的破壞過程及機理。由于工程中遇到的巖體大部分均處于三向應力狀態下，因而三向應力狀態下巖石的強度和變形特性備受關注，如：Gowd等[2]選取了砂巖為研究對象，在剛性試驗機上開展常規三軸壓縮試驗，得到砂巖的三軸脆-延轉化特性。

在中國，對于巖石力學特性的研究已有較多成果，吳玉山等[3]選取多種巖石試樣開展不同應變率條件下單軸壓縮試驗，主要分析巖石破壞后區的力學特性；文獻[4-5]主要以大理巖和紅砂巖試樣為對象開展室內常規三軸壓縮試驗，較為系統地研究大理巖全應力-應變過程中的力學特性及本構關系。眾多學者研究表明，巖石具有峰后殘余強度，這是無可爭辯的，它表示巖石破壞后，并不是完全喪失承載能力，而是仍然具有一定的強度，其中：陳慶敏等[6]選取某煤礦泥巖和砂巖為研究對象，開展室內常規三軸壓縮試驗，主要對巖石的殘余強度與變形特性進行了研究，得出結論有：巖石殘余強度是受結構控制的，隨圍壓的變化表現出較強的敏感性；巖石在殘余強度階段的體積急劇膨脹，主要原因是各種微裂隙之間已相互貫通,逐漸形成了較大的宏觀裂紋、裂隙并沿破裂面產生巖塊間的相對滑動而造成的。楊圣奇等[7]研究了大理巖常規三軸壓縮試驗下強度和變形特性，分別對中、粗顆粒大理巖進行常規三軸壓縮試驗，試驗結果表明：大理巖的峰值應變與圍壓成顯著正線性關系；殘余強度對圍壓的敏感性明顯高于峰值強度。徐松林等[8]對巖爆現象進行分析，開展了大理巖等圍壓三軸壓縮試驗和峰前、峰后卸圍壓試驗，分別對不同過程大理巖的強度和變形特性進行較為系統的研究，對于探明脆性巖石的破壞機理、巖爆產生等均有著重要的工程實踐意義。文獻[9-10]主要研究了具有垂直層理和水平層理巖樣的各向異性力學特征，開展了單軸壓縮、巴西劈裂及點荷載試驗，揭示了巖樣各向異性力學特性及破壞模式下力學機制。汪果等[11]分析英安巖的巖石力學特性及破裂損傷全過程中的聲發射特征，結果表明隨著圍壓的增大，其物理力學參數也增大，但未定量給出其增長規律關系。

因此，針對巖石力學參數隨圍壓之間的定量變化關系及其離散程度這一研究不足，選取輝綠巖為研究對象，開展了室內單軸及常規三軸壓縮試驗，較全面地研究了輝綠巖的變形和強度特性及其力學參數離散程度分析，以期為相關的巖石(巖體)工程的設計、施工與支護提供理論依據。

1 試驗準備

試驗采用巖石為輝綠巖，取自某礦山巷道圍巖，主要由輝石和基性長石組成，含少量橄欖石、黑云母、石英等。為保證巖石的完整性及一致性，所取巖樣均來自同一區域巖石，用塑料密封包裹并運回試驗室，巖樣在采取、運輸過程中未受到較大震動。利用室內搖臂鉆床及數控磨石機將取得的巖樣按照《工程巖體試驗方法標準》加工成高徑比(高度與直徑之比)為2的試件，即高為100 mm，直徑為 50 mm 的圓柱形試件。巖樣的加工精度滿足國際巖石力學學會建議試驗規范要求，加工完成的輝綠巖巖樣如圖1所示，用游標卡尺測量的巖樣尺寸如表1示。

圖1 輝綠巖巖樣

表1 巖樣尺寸

注：編號中D表示輝綠巖(diabase)；X表示試驗圍壓(MPa)；Y表示在X圍壓下進行的試件數目。

試驗采用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，如圖2所示。

圖2 TAW-2000巖石三軸試驗機

2 試驗數據分析

2.1 應力-應變關系曲線分析

利用Origin數據處理與繪圖軟件處理試驗記錄數據，繪制單軸及常規三軸壓縮條件下軸向應力-軸向應變、徑向應變-軸向應變及體積應變-軸向應變關系曲線。本試驗規定取軸向應變ε1、徑向應變ε2及體積應變εv壓縮為正值、膨脹為負值，體積應變εv由式(1)計算，關系曲線分別如圖3、圖4所示。

εv=ε1+2ε2

(1)

圖3 單軸壓縮條件下輝綠巖軸向應力-軸向應變關系曲線

由圖3、圖4可知，軸向應力-軸向應變關系曲線在軸向應力較小時均出現上凹趨勢，隨著軸向應力的逐漸增大變為直線上升，在達到峰值時均出現應力驟降，實驗過程中可以聽見清脆響亮的聲音，說明巖樣發生宏觀上明顯破裂，且峰后曲線均呈現出明顯的臺階式跌落，同時由于圍壓的限制，第一次峰值應力跌落之后巖樣不會直接喪失其承載能力，最終表現出應力值隨軸向應變的增加而趨近于穩定值，即達到殘余強度階段。從徑向應變和體積應變與軸向應變關系曲線可知，在巖樣達到峰值強度之前，徑向應變和體積應變變化特別小，但在峰值破壞瞬間出現了陡增，說明此刻巖樣發生宏觀破壞，最終穩定在體積應變大約為徑向應變的2倍，其中，在圍壓為20 MPa時，體積應變和徑向應變的值均較小，表明高圍壓條件下對巖樣的側向膨脹約束較好，證明了通過提高徑向應力(圍壓)加固松散破裂圍巖的方法是可行的。

圖4 常規三軸壓縮條件下輝綠巖軸向應力、徑向應變及體積應變與軸向應變關系曲線

2.2 基本物理力學參數計算

從應力-應變關系曲線中提取輝綠巖基本物理力學參數并進行計算整理，詳見表2所示。由于在圍壓為1、3、5、10 MPa條件下各進行了3個試件，故取平均值來表征輝綠巖的物理力學參數，詳見表3所示。

表2 輝綠巖基本物理力學參數

表3 輝綠巖基本物理力學參數平均值

由表2、表3可知，輝綠巖的峰值強度、峰值應變、殘余強度、殘余應變、彈性模量、變形模量和泊松比整體上均呈現出隨圍壓的增大而增大的趨勢。彈性模量的最小值為60.4 GPa，最大值為64.9 GPa，變形模量的最小值為49.4 GPa，最大值為63 GPa，泊松比的最小值為0.28，最大值為0.42，其中彈性模量和變形模量的最小值均出現在圍壓為1 MPa，而通過實驗計算的泊松比值較地勘報告給出的泊松比大的原因主要是在試驗時測量徑向應變的鏈式引伸計置于試件的中間位置所致。

2.3 試樣離散性分析

為了更加準確地分析輝綠巖在圍壓為1、3、5、10 MPa時力學參數的離散程度，故定義描述輝綠巖基本物理力學參數的離散程度用指標δ表征，具體計算式為

(2)

考慮到工程中常用到的巖石力學參數，此處僅計算輝綠巖峰值強度、殘余強度、彈性模量和變形模量的離散程度，計算結果如表4所示。

表4 輝綠巖力學參數離散程度

由表4可知，輝綠巖在圍壓為10 MPa時，其峰值強度最大離散程度的值約為9%，在圍壓3 MPa時達到最小值為0.33%，其值越大表示偏離平均值越大，離散性越強。殘余強度的最大離散程度值為26.44%，最小值為0%，分別出現在圍壓為3 MPa和1 MPa時，主要原因是巖石的殘余強度不僅與圍壓有關，更大程度上取決于試驗時巖石破裂狀態，是否能在圍壓的限制下破裂面進一步咬合繼續承載，故巖石的瞬時破壞具有較強的隨機性從而導致殘余強度值存在較大的離散性。輝綠巖的峰值強度和殘余強度具有不同程度的離散性，其中彈性模量的離散指標值較小，在0.27%～3.49%范圍之間波動，故離散性較小，能較好地表征輝綠巖的變形特性。在圍壓為1 MPa時，變形模量的離散程度均較大，其最大值為13.64%，在圍壓為5 MPa時值最小，其最小值為1.06%。

整體而言，試驗選取的輝綠巖離散程度較小，且符合基本的物理現象及規律，為研究其力學特性提供了可靠、有利的理論支撐。

3 輝綠巖變形特征分析

為了清楚地描述輝綠巖在不同圍壓條件下的變形規律，選取彈性模量、變形模量和泊松比為變形指標進行繪制曲線、擬合公式，并分析峰值應變和殘余應變與圍壓的關系。

圖5 彈性模量與圍壓的關系

通過對表2、表3中輝綠巖基本物理力學參數離散性較大的數據剔除，并以圍壓為橫坐標，彈性模量、變形模量、泊松比、峰值應變和殘余應變為縱坐標，繪制散點圖并擬合曲線，分別如圖5～圖9所示。

圖6 變形模量與圍壓的關系

圖7 巖樣泊松比與圍壓的關系

圖8 峰值應變與圍壓的關系

圖9 殘余應變與圍壓的關系

由圖5～圖7可知，隨著圍壓的增大，輝綠巖的彈性模量、變形模量及泊松比均表現出較明顯的非線性增長關系，均可以用冪函數形式進行擬合，當圍壓大于20 MPa時，輝綠巖的彈性模量和變形模量的差異逐漸減小，這主要是由于巖樣微裂隙在高圍壓作用下逐漸閉合所致。但輝綠巖的彈性模量、變形模量和泊松比并不會隨著圍壓的增大而無限增大，而是趨于一個穩定值。這一規律為隧道工程中不同地應力條件下準確選取彈性模量、泊松比等巖石力學參數提供了理論依據。

由圖8、圖9可知，此處的峰值應變和殘余應變是指巖樣在達到峰值強度和殘余強度時所對應的軸向應變。圍壓越大，輝綠巖峰值(殘余)應力附近峰值(殘余)應變也越大，呈現顯著正線性關系，線性公式擬合相關系數較高，可達到0.99。

4 輝綠巖強度特征分析

巖石的黏聚力C和內摩擦角φ是工程設計中十分重要的力學參數，關系著巖石工程設計與施工是否科學、安全，經濟是否合理，同時也是分析巖石強度特征的兩個關鍵指標。

利用庫侖(Coulomb)強度準則進行回歸分析，從而確定巖石的黏聚力C和內摩擦角φ。該準則中以最大主應力σ1f和圍壓σ3表示，具體公式(3)：

σ1f=b+aσ3

(3)

式(3)中：a和b均是強度準則參數，公式表征一個給定的巖樣能夠承載的最大軸向應力σ1f與圍壓σ3呈線性關系。a和b與黏聚力C和內摩擦角φ的關系如下：

(4)

(5)

通過對表2、表3中輝綠巖峰值強度和殘余強度離散性較大的數據剔除，并以圍壓為橫坐標，峰值強度和殘余強度為縱坐標，繪制散點圖并擬合曲線，分別如圖10、圖11所示。

圖10 峰值強度與圍壓的關系

圖11 殘余強度與圍壓的關系

由圖10、圖11可知，隨著圍壓的增大，輝綠巖的峰值強度和殘余強度均呈現出較顯著的正線性增長關系，均可以用一次函數形式進行擬合。巖樣的實際單軸壓縮強度為235 MPa比庫侖準則中擬合的強度參數b=255 MPa(當圍壓為0時)稍微偏低，因此，為了得到更為真正圍壓對巖樣強度特征影響規律，建議最好不使用單軸壓縮強度的數據。通過殘余強度-圍壓擬合的線性公式，不能表征圍壓為0時的殘余強度值，因為在單軸壓縮試驗峰后破壞過程較為迅速，殘余強度近似跌落至0。

由式(4)、式(5)計算得到輝綠巖的黏聚力C和內摩擦角φ，計算結果如表5所示。

表5 輝綠巖強度參數

由表5可知，在峰值強度處計算得到的黏聚力和內摩擦角分別為45.6 MPa、50.6°；在殘余強度處計算得到的黏聚力顯著低于由峰值強度計算得到的數值，僅為13.1 MPa，約為峰值時黏聚力的28%，內摩擦角為42.6°，約為峰值時內摩擦角的84%，主要是由于巖樣在進入殘余強度階段已形成貫穿的宏觀破裂面，此時黏聚力較低，但內摩擦角并沒有顯著減小，原因是：此處內摩擦角主要由沿巖樣斷裂面的多條粗糙不平整裂隙之間的咬合摩擦及巖樣礦物顆粒自身提供承擔。

5 結論

(1)輝綠巖的峰值應變、殘余應變、彈性模量、變形模量和泊松比整體上均呈現出隨圍壓增大而增大的趨勢。其中，峰值應變和殘余應變均呈顯著的線性增長關系，可采用一次函數形式擬合；彈性模量、變形模量和泊松比均表現出較明顯的非線性增長關系，可采用冪函數形式進行擬合，但并不會隨著圍壓的增大而無限增大，而是趨于一個穩定值。這一規律為實際工程中不同地應力條件下準確選取彈性模量、泊松比等參數提供理論基礎。

(2)定義描述輝綠巖基本物理力學參數的離散程度，分別計算輝綠巖峰值強度、殘余強度、彈性模量和變形模量的離散程度指標，其中：彈性模量的離散指標值較小，在0.27%～3.49%波動，離散性較低，能較好地表征輝綠巖的變形特性。

(3)隨著圍壓的增大，輝綠巖的峰值強度和殘余強度均呈現出較顯著的正線性增長關系，可采用一次函數形式擬合。在峰值強度處的黏聚力和內摩擦角分別為45.6 MPa、50.6°，在殘余強度處的黏聚力顯著低于由峰值強度計算得到的數值，僅為13.1 MPa，約為峰值時黏聚力的28%，內摩擦角為42.6°，約為峰值時內摩擦角的84%，黏聚力在峰后殘余階段降低顯著，也是影響巖體穩定性的重要原因。