飽和花崗巖水-力耦合力學(xué)特性試驗(yàn)研究

朱其志，徐云霞*，季晶晶，閔中澤，張 瑨，余 健

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098；3.南京海澤房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，江蘇 南京 210012；4.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

巖石由于受到高應(yīng)力、地下水運(yùn)動(dòng)、人工開挖擾動(dòng)等多種因素的影響，處在水、熱、化學(xué)作用下的多場(chǎng)耦合環(huán)境中[1]。巖石的水-力耦合作用作為巖體多場(chǎng)耦合研究的一個(gè)重要組成部分，有助于深入了解復(fù)雜巖體多場(chǎng)耦合作用機(jī)理，從更高層次揭示巖石力學(xué)作用本質(zhì)[2-4]。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，外界施工、荷載、構(gòu)造擠壓等常會(huì)誘發(fā)巖石荷載速率的變化，對(duì)巖石的強(qiáng)度、變形、微裂紋的生長(zhǎng)與擴(kuò)展產(chǎn)生重要的影響[5-7]，因此研究加載速率對(duì)巖石力學(xué)特性的影響也是重要的研究課題之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖石的水-力耦合行為以及加載速率效應(yīng)方面做了大量的試驗(yàn)研究，并取得了一系列成果[8-12]。對(duì)于已有的研究成果而言，大多數(shù)學(xué)者僅僅考慮了水-力耦合或加載速率[13-14]，或是將加載速率與溫度、裂隙等因素進(jìn)行結(jié)合，分析其對(duì)巖石力學(xué)特性的影響[15-16]。然而可以預(yù)見的是，在水-力耦合作用下加載速率也必然會(huì)對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生不同的作用效果，因此開展巖石水-力耦合作用下不同加載速率試驗(yàn)具有重要的意義。

本文以甘肅北山花崗巖為研究對(duì)象，利用全應(yīng)力多場(chǎng)耦合三軸試驗(yàn)儀，開展了排水條件下不同圍壓、不同孔壓、不同加載速率的常規(guī)三軸壓縮緩慢加載試驗(yàn)，獲取了相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，探究了不同圍壓、不同孔壓以及不同加載速率對(duì)巖石強(qiáng)度、變形及破壞情況的影響。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用的儀器為法國(guó)TOP公司研制的多場(chǎng)耦合三軸試驗(yàn)儀，該試驗(yàn)系統(tǒng)加卸載過程已實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三軸壓力室、加壓系統(tǒng)及恒定穩(wěn)壓裝置，可以通過超聲波、水壓以及氣壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，加壓系統(tǒng)中的三個(gè)高壓泵能夠控制偏壓、圍壓、水壓的穩(wěn)定加載以及壓力的自動(dòng)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)、滲透試驗(yàn)以及溫度-流體-力學(xué)-化學(xué)等多場(chǎng)耦合試驗(yàn)，適用范圍廣，測(cè)量精度高。該試驗(yàn)儀設(shè)計(jì)的最大圍壓為150 MPa，最大孔壓為150 MPa，最大偏壓為400 MPa，如圖1所示。

圖1 全應(yīng)力多場(chǎng)耦合三軸試驗(yàn)儀Fig.1 Full stress and multi-field coupling triaxial apparatus

1.2 試樣制備

圖2所示為本文試驗(yàn)所選用的花崗巖，采自甘肅北山基地地面以下400～450 m，均取自同一個(gè)巖塊。試樣均勻性較好，巖性完整，是一種典型的準(zhǔn)脆性材料。巖石表面為灰白色，顆粒細(xì)致，無明顯節(jié)理，主要礦物成分為石英、鉀長(zhǎng)石和酸性斜長(zhǎng)石。現(xiàn)場(chǎng)采集巖樣利用實(shí)驗(yàn)室鉆石機(jī)，采用切割機(jī)將巖芯進(jìn)行切割，并加工成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣，實(shí)際加工后的試樣直徑范圍(50±2) mm，高度范圍(100±2) mm。觀察試樣表面無明顯裂隙，均質(zhì)性良好，平均密度為2.72 g/cm3。

圖2 花崗巖試樣Fig.2 Granite sample

1.3 試驗(yàn)方案

為了研究花崗巖在不同圍壓、不同孔隙水壓力以及不同加載速率作用下的力學(xué)特性，本試驗(yàn)圍壓選取10、15、20、25、30、35、40 MPa，孔壓選取0、5、10 MPa，即有效圍壓為10、20、30 MPa。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 飽和花崗巖三軸壓縮試驗(yàn)方案Tab.1 Triaxial compression test scheme of saturated granite

采用1.2節(jié)中的方法對(duì)花崗巖進(jìn)行制樣，為了充分了解巖石在水-力耦合狀態(tài)下的力學(xué)特性，在試驗(yàn)前先對(duì)花崗巖進(jìn)行飽水試驗(yàn)。根據(jù)《GBT 50266-2013工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于真空抽氣法飽和試樣的方法，在試驗(yàn)前首先將試樣放入真空桶中，利用真空泵對(duì)組合體試樣進(jìn)行4 h以上的干抽，干抽結(jié)束后打開真空桶進(jìn)氣閥，吸入適量的蒸餾水，直至水面沒過組合體試樣的上表面1 cm左右關(guān)閉進(jìn)氣閥，再開啟真空泵對(duì)組合體試樣進(jìn)行4 h以上的濕抽，直至無氣泡溢出為止。濕抽結(jié)束后再將試樣放在真空桶內(nèi)對(duì)組合體進(jìn)行4 h以上的浸泡，使組合體試樣處于充分飽水狀態(tài)。試樣安裝完成后如圖3所示。

圖3 試樣安裝示意圖Fig.3 Installation of sample diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)1.3節(jié)的試驗(yàn)方案對(duì)試樣開展水-力耦合三軸壓縮排水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到了花崗巖分別在不同圍壓、不同孔壓、不同加載速率下的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量等主要巖石力學(xué)參數(shù)，具體結(jié)果見表2。

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分析

2.1.1 相同有效圍壓(相同圍壓、相同孔壓)、不同加載速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線

花崗巖在水-力耦合三軸壓縮排水試驗(yàn)過程中，受到圍壓、孔壓以及偏壓加載速率的影響，由于有效圍壓可用圍壓與孔壓的差值進(jìn)行表示，即花崗巖受到有效圍壓和偏壓加載速率兩種因素的影響。本文首先研究花崗巖試樣SY4—SY7在有效圍壓相同的作用下，偏壓加載速率對(duì)其力學(xué)特性的影響，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，繪制出相同圍壓、相同孔壓、不同偏壓加載速率的花崗巖試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。

由圖4可見：相同圍壓、相同孔壓、不同加載速率應(yīng)力應(yīng)變曲線依次經(jīng)歷了非線性壓密階段、彈性階段、屈服階段和峰后階段。隨著偏應(yīng)力的增加巖樣的變形發(fā)展較快，巖石內(nèi)部的微裂紋及孔隙開始逐漸被壓密閉合，所以非線性壓密階段曲線呈上凹型。而飽和花崗巖的壓密階段較短，這是由于水充滿了巖石的初始孔隙和微裂紋，且液態(tài)水受壓不易產(chǎn)生變形，所以水壓的存在抑制了微裂紋和節(jié)理面的閉合。此外，隨著加載速率的增加應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸向上移動(dòng)，表明在相同圍壓相同孔壓的條件下，花崗巖的峰值強(qiáng)度隨著加載速率的增加而增大。可以解釋為：當(dāng)偏應(yīng)力加載速率相對(duì)較高時(shí)，使得花崗巖試樣內(nèi)部更加致密，密度增加，使其承載能力增加；當(dāng)偏壓加載速率相對(duì)較低時(shí)，微裂紋充分?jǐn)U展，導(dǎo)致巖樣的累積損傷程度越來越大。因此，加載速率較小的峰值強(qiáng)度低于加載速率較大的峰值強(qiáng)度。

表2 飽和花崗巖水-力耦合三軸壓縮試驗(yàn)主要力學(xué)參數(shù)Tab.2 Main mechanical parameters of triaxial compression test of saturated granite under hydro-mechanical coupling

注：其中有效圍壓為圍壓與孔壓之差，最大主應(yīng)力為圍壓與峰值強(qiáng)度之和，峰值應(yīng)變?yōu)榉逯祻?qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，彈性模量即偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線彈性階段的直線段斜率。

圖4 相同圍壓、相同孔壓、不同加載速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves under the same confining pressure,the same pore pressure and different loading rates

2.1.2 不同有效圍壓(不同圍壓、相同孔壓)、相同加載速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在偏壓加載速率相同的條件下，研究不同有效圍壓對(duì)花崗巖試樣的力學(xué)特性影響。本文開展了控制孔壓相同、圍壓不同的水-力耦合三軸壓縮排水試驗(yàn)，孔壓分別為0 MPa(試樣編號(hào)SY1—SY3)、5 MPa(試樣編號(hào)SY10—SY12)、10 MPa(試樣編號(hào)SY5、SY8、SY9)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

由圖5可知：不同有效圍壓、相同加載速率應(yīng)力應(yīng)變曲線依次經(jīng)歷了非線性壓密階段、彈性階段、屈服階段和峰后階段。在偏壓加載初期，由初始微裂紋和孔隙逐漸閉合引起的非線性段比較明顯，而隨著圍壓的升高非線性壓密階段逐漸消失，因?yàn)樵谳^高的圍壓條件下，大部分初始微裂紋和孔隙在圍壓的施加過程中已經(jīng)基本閉合。隨著初始孔隙和微裂紋壓密之后，巖石進(jìn)入線彈性階段，由于花崗巖的致密性較高，不易發(fā)生變形，因而應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段較長(zhǎng)且相對(duì)平滑。隨著偏壓的繼續(xù)增加，曲線進(jìn)入屈服和峰后階段，孔壓作用于試樣結(jié)構(gòu)內(nèi)部，孔隙水壓力對(duì)試樣內(nèi)部裂紋的劈裂作用逐步明顯，促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，巖石呈現(xiàn)出明顯的脆—延性轉(zhuǎn)化的過程。例如在40 MPa 高圍壓下，相應(yīng)的曲線呈現(xiàn)明顯的凸型屈服狀態(tài)，說明高圍壓能夠有效保護(hù)巖石的直接劈裂破壞。

對(duì)于應(yīng)變而言，在孔壓相同的條件下，軸向峰值應(yīng)變呈現(xiàn)出隨著圍壓的升高不斷增加的規(guī)律，可以解釋為：當(dāng)圍壓較大、孔隙水壓力相對(duì)較小時(shí)，孔隙水壓力的作用得以削弱，而施加的軸向應(yīng)力和圍壓對(duì)喉道的壓縮作用明顯，使得巖樣的孔隙率減小，喉道變窄。

2.2 峰值強(qiáng)度與加載速率、有效圍壓的關(guān)系

2.2.1 峰值強(qiáng)度與加載速率

這家大概主要靠門市外賣，只裝著寥寥幾個(gè)卡位，雖然陰暗，情調(diào)毫無。靠里有個(gè)冷氣玻璃柜臺(tái)裝著各色西點(diǎn)，后面一個(gè)狹小的甬道燈點(diǎn)得雪亮，照出里面的墻壁下半截漆成咖啡色，亮晶晶的凸凹不平；一只小冰箱旁邊掛著白號(hào)衣，上面近房頂成排掛著西崽脫換下來的線呢長(zhǎng)夾袍，估衣鋪一般。

本文選取在圍壓20 MPa、孔壓10 MPa條件下，研究偏應(yīng)力的加載速率與峰值強(qiáng)度的變化規(guī)律。圖6所示為不同加載速率的對(duì)數(shù)形式與峰值強(qiáng)度的關(guān)系曲線，以及相應(yīng)的擬合關(guān)系式。由圖可知，飽和花崗巖的峰值強(qiáng)度隨著加載速率對(duì)數(shù)的增加呈二次多項(xiàng)式增加，表明加載速率對(duì)飽和花崗巖的峰值強(qiáng)度有較為密切的影響，擬合系數(shù)R2達(dá)到0.987 7，擬合效果較好。加載速率為0.04、0.1、0.2、0.5 MPa/min對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度分別為247.617、256.690、280.835、307.906 MPa，較上一級(jí)增加比例分別為3.7 %、9.4 %、9.6 %，增長(zhǎng)比例逐漸增大，即表明偏壓加載速率的增大對(duì)于飽和花崗巖的強(qiáng)度具有明顯的強(qiáng)化效果，與本文2.1.1節(jié)中的分析一致。

圖5 相同孔壓相同加載速率不同圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves under the same pore pressure,the same loading rate and different confining pressures

圖6 峰值強(qiáng)度σc和加載速率對(duì)數(shù)lgV對(duì)應(yīng)的關(guān)系Fig.6 Relation between the peak strength and the logarithm of loading rates

2.2.2 峰值強(qiáng)度與有效圍壓

圖7所示為在相同加載速率0.1 MPa/min下，有效圍壓對(duì)峰值強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線。由圖可知，在相同有效圍壓條件下，巖石的峰值強(qiáng)度大致相等。該現(xiàn)象可以解釋為：在圍壓和孔隙水壓力的共同作用下，巖石內(nèi)部裂紋逐漸擴(kuò)展、演化，圍壓的增加使得巖石內(nèi)部孔隙壓密，從而提高了巖石的承載力，但由于水對(duì)巖石的軟化作用，降低了巖石的摩擦力，從而與圍壓提供的承載力相抵消。因此，飽和花崗巖在有效圍壓相等的情況下，抵抗外界荷載的能力大致相同。其次，當(dāng)孔壓相同時(shí)，巖石的峰值強(qiáng)度隨著有效圍壓的增加而不斷增大，即峰值強(qiáng)度與施加的圍壓呈正相關(guān)關(guān)系，表明在孔壓一定時(shí)，圍壓能夠強(qiáng)化巖石的強(qiáng)度。

圖7 峰值強(qiáng)度σc和有效圍壓對(duì)應(yīng)的關(guān)系Fig.7 Relation between the peak strength and the effective confining pressure

2.3 峰值應(yīng)變與加載速率、有效圍壓的關(guān)系

2.3.1 峰值應(yīng)變與加載速率

圖8所示為加載速率的對(duì)數(shù)形式與峰值應(yīng)變的關(guān)系曲線，曲線擬合為二次多項(xiàng)式，擬合系數(shù)R2為0.994 8。由圖可知，在緩慢加載條件下飽和花崗巖的峰值應(yīng)變表現(xiàn)出加載速率強(qiáng)化效應(yīng)，即峰值應(yīng)變隨加載速率的增加而增大。其次，四個(gè)加載速率所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變分別為6.765‰、7.356‰、7.507‰、7.560‰，分別較上一級(jí)增加比例為8.7%、2.1%、0.7%，增長(zhǎng)比例逐漸減小，即加載速率對(duì)于峰值應(yīng)變的強(qiáng)化效果是有限的。

圖8 峰值應(yīng)變?chǔ)與和加載速率lgV對(duì)應(yīng)的關(guān)系Fig.8 Relation between the peak strain and the logarithm of loading rates

2.3.2 峰值應(yīng)變與有效圍壓

由圖9可知：在相同有效圍壓條件下，隨著圍壓和孔壓的同步增長(zhǎng)，其峰值應(yīng)變也呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。以有效圍壓10 MPa為例，孔壓0、5、10 MPa所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變分別為6.383‰、6.951‰、7.356‰。但隨著有效圍壓的繼續(xù)增加，不同圍壓、不同孔壓對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變之間的差值逐漸縮小。其次，在相同孔壓條件下，峰值應(yīng)變隨著有效圍壓的增加而不斷增加。以孔壓10 MPa為例進(jìn)行分析，圍壓20、30、40 MPa(即有效圍壓分別為10、20、30 MPa)下對(duì)應(yīng)試樣的峰值軸向應(yīng)變分別為7.356‰、8.600‰、10.230‰。可以得出：當(dāng)孔壓相同時(shí)，峰值應(yīng)變與圍壓呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

圖9 峰值應(yīng)變?chǔ)與和有效圍壓對(duì)應(yīng)的關(guān)系Fig.9 Relation between the peak strain and the effective confining pressure

2.4 彈性模量與加載速率、有效圍壓的關(guān)系

2.4.1 彈性模量與加載速率

彈性模量是巖石材料的重要力學(xué)參數(shù)，是反映巖體彈性變形的指標(biāo)。圖10為在圍壓20 MPa、孔壓10 MPa條件下，飽和花崗巖彈性模量E隨偏壓加載速率的對(duì)數(shù)形式的變化曲線。從圖中看出，在圍壓和孔壓相同條件下，彈性模量隨著加載速率的增加呈二次多項(xiàng)式增長(zhǎng)。

圖10 彈性模量E和加載速率對(duì)數(shù)lgV對(duì)應(yīng)的關(guān)系Fig.10 Relation between the elastic modulus (E) and the logarithm of loading rates (lgV)

2.4.2 彈性模量與有效圍壓

圖11所示為飽和花崗巖在緩慢加載速率0.1 MPa/min條件下彈性模量與有效圍壓的關(guān)系。從圖中可以看出，在相同有效圍壓條件下，試樣的彈性模量隨著圍壓和孔壓的同步增長(zhǎng)而呈降低趨勢(shì)。由于孔壓越大越容易降低巖石礦物成分之間的膠結(jié)程度，更容易被擠壓變形，因此孔壓越大，巖石的壓縮變形量越大，從而導(dǎo)致巖樣的彈性模量越小。且當(dāng)孔壓相同時(shí)，花崗巖的彈性模量隨著有效圍壓的增大而增大，也可表示為彈性模量和圍壓呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，這再次驗(yàn)證了圍壓對(duì)巖石材料有強(qiáng)化效果的結(jié)論。

圖11 彈性模量E和有效圍壓對(duì)應(yīng)的關(guān)系Fig.11 Relationship between the elastic modulus (E) and the effective confining pressures

3 結(jié)論

1)相同有效圍壓不同加載速率、不同有效圍壓相同加載速率的應(yīng)力應(yīng)變曲線均依次經(jīng)歷了非線性壓密階段、彈性階段、屈服階段和峰后階段。在相同加載速率條件下，偏壓加載初期由初始微裂紋和孔隙逐漸閉合引起的非線性段比較明顯，而隨著圍壓的升高非線性壓密階段逐漸消失；由于花崗巖的致密性較高，不易發(fā)生變形，因而曲線的彈性階段較長(zhǎng)且相對(duì)平滑；在屈服和峰后階段，孔隙水壓力對(duì)于試樣內(nèi)部裂紋的劈裂作用逐漸明顯，巖石呈現(xiàn)出明顯的脆—延性轉(zhuǎn)化的過程。

2)在圍壓和孔壓均相同條件下，飽和花崗巖的峰值強(qiáng)度隨著加載速率的增加而增大，加載速率為0.04、0.1、0.2、0.5 MPa/min對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度分別為247.617、256.690、280.835、307.906 MPa。當(dāng)有效圍壓相同時(shí)，巖石的峰值強(qiáng)度大致相等，抵抗外界荷載的能力大致相同；而巖石的峰值強(qiáng)度與外界施加的圍壓呈正相關(guān)關(guān)系，即圍壓能夠強(qiáng)化巖石的強(qiáng)度。

3)緩慢加載條件下飽和花崗巖的峰值應(yīng)變表現(xiàn)出加載速率強(qiáng)化效應(yīng)，加載速率為0.04、0.1、0.2、0.5 MPa/min所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變分別為6.765‰、7.356‰、7.507‰、7.560‰，表明加載速率對(duì)于峰值應(yīng)變的強(qiáng)化效果是有限的。在相同有效圍壓條件下，隨著圍壓和孔壓的同步增長(zhǎng)，峰值應(yīng)變也呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)；而當(dāng)孔壓一定時(shí)，峰值應(yīng)變與圍壓呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

4)彈性模量隨著加載速率的增加呈二次多項(xiàng)式增長(zhǎng)。在相同有效圍壓條件下，試樣的彈性模量隨著圍壓和孔壓的同步增長(zhǎng)而呈降低趨勢(shì)；當(dāng)孔壓相同時(shí)，花崗巖的彈性模量隨著圍壓的增大而增大，這再次驗(yàn)證了圍壓對(duì)巖石材料有強(qiáng)化效果的結(jié)論。