玄武巖拉伸-雙面剪切破壞特性的試驗研究

張瑞東，黃 達，2

(1.重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045；2.河北工業大學土木與交通學院，天津 300401)

0 引 言

巖石脆性破壞是一種常見的破壞模式，可分為拉伸破壞、拉伸剪切破壞和壓縮剪切破壞。在深部地下洞室、高陡巖質邊坡中，常常因為開挖或外層滑出而產生卸荷回彈現象，使巖體各部位出現差異變形，導致巖體內部張拉應力的出現。當破裂面方向與張拉應力方向呈較小夾角時，破裂性質常常表現為拉-剪破裂模式[1-3]。因此，深入地認識巖石拉-剪破裂性質及力學特性，對正確評價巖體工程的穩定性具有重要意義。

國內外學者對拉伸剪切力學特質的研究相對較少，并且大多是基于單面拉伸剪切試驗進行的[4-10]。由于試樣在水平方向荷載不共線，導致巖樣受到彎矩的作用，增大試樣的端部效應，對試驗結果造成影響。黃達[11]等發明了一種雙面拉伸剪切裝置，并通過該裝置對砂巖的拉剪破壞特性進行了研究；Ramsey[4]等通過增加圍壓的方式，對中心對稱的狗骨形大理石巖樣進行試驗，實現了張拉斷裂-混合斷裂-剪切斷裂的連續過渡模式，成功研究了大理巖的拉伸剪切斷裂行為；Aimone-Martin[5]等設計了一種可應用于MTS壓縮試驗機上的對稱四連桿輔助裝置，成功測量巖石變形與同軸電纜軸向嵌入芯內響應的相關性，但只適用于軸向和法向比例加載試驗；周輝[6]等利用自行研制的巖石拉伸剪切試驗系統對硬脆性大理巖進行室內拉伸剪切試驗，建立了考慮張拉剪切破壞機制和應力狀態影響的M-C準則，但存在試驗后破斷巖樣不易取出或取出不完整的問題；黃達[12]等自制的雙面拉伸剪切裝置，試驗過程中受力均勻，有效地克服了單面拉伸剪切試驗存在的彎矩問題，具備可獨立施加法向、切向應力、巖樣制備方便、試驗后破壞試塊易于取出、操作簡單等特點。

圖1 拉伸-雙面剪切裝置

玄武巖是一種常見的脆性硬巖，廣泛分布于我國各重大水利水電工程中[13-15]，如三峽庫區壩基巖體、白鶴灘和溪洛渡水電站的壩基巖體和部分坡體頂部。高內水、土壓力引起的深埋壩基面拉裂問題和坡體頂面滑動面張拉破壞問題是庫區穩定性較為顯著的影響因素，其根本在于壩基巖體或邊坡在拉力和剪力的共同作用下變形或破壞[16]。基于此，本文對玄武巖開展拉伸-雙面剪切試驗研究，分析巖石的破壞形態，探究玄武巖在拉剪應力狀態下的強度特征和變形特征。

1 試驗方法

1.1 拉伸-雙面剪切裝置

拉伸-雙面剪切裝置為自行發明的輔助試驗裝置，具體結構見圖1。圖1中，Fn、Fs和Ft分別代表法向壓荷載、剪切荷載和法向拉荷載。該裝置主要由2個“U”形框架和1個剪切裝置組成。“U”形框架Ⅰ、Ⅱ共同組成了反力系統，確保“U”形框架Ⅰ能沿導向槽豎向移動，并將試驗機所受到的壓力轉換為試樣所受到的拉力。此外，巖樣上、下端部均采用高強度結構膠與拉頭粘結，拉頭與“U”形框架則是由異形螺栓進行連接。通過該裝置可將試驗機的壓力轉化為對試樣的拉力；在剪切方向有3個施力端，使得試樣出現2個剪切面，保證試樣的力矩平衡。試驗中，試樣潛在斷裂面上的法向拉應力和剪切應力可分別通過下式計算

(1)

(2)

式中，σt為試樣的法向拉應力；τ為試樣的剪切應力；S為試樣的橫截面積。

1.2 試樣制備與加載方式

本文選用三峽庫區某采區玄武巖，巖樣呈灰褐色，質地堅硬，表面無明顯的節理和裂隙，較為平滑，密度約2.7 g/cm3，峰值抗壓強度約150 MPa，彈性模量約50 GPa，泊松比大致范圍為0.2～0.25，粘聚力為53.24 MPa，內摩擦角為36.4°。玄武巖試樣見圖2。

圖2 玄武巖試樣(單位：mm)

試驗應力路徑包括2步：施加法向拉應力至目標值，隨后施加剪應力直至試樣破壞。基于玄武巖的單軸抗拉強度為8.89 MPa，本試驗共設置1、2、3、4、5、6 MPa和7 MPa等7個法向拉應力水平，每個法向拉應力水平分別進行3組試驗。試樣法向采用力控制的加載方式，加載速度0.05 kN/s；剪向采用位移控制加載方式，加載速度為0.2 mm/min。

2 破壞形態

本研究選用3種典型的應力水平，分別為1、3 MPa和6 MPa。玄武巖不同拉應力水平下剪切破壞形態見圖3。圖3中，①、②為試樣破壞后形成的2個斷裂面。從圖3可知，拉應力為1 MPa時，巖樣斷裂面附近有大面積的剪切脫落，上下斷裂面與水平面有明顯的傾角；拉應力為3 MPa時，破裂面上的剪切脫落減少，破裂面傾角也在減小；拉應力增大至6 MPa時，試樣破裂面上的剪切脫落很少，破裂面傾角近于0°。整體上來看，6 MPa相對于前兩者，上下斷裂面較為平整，沒有明顯的凹陷或凸起，并且存在少量的由于剪切破壞而產生的白色剪切擦痕；而3 MPa與1 MPa相比，斷裂面平整程度明顯減弱，但白色光滑剪切擦痕數量卻沒明顯差異。綜上所述，隨著法向拉應力的增大，試樣的斷裂由拉剪斷裂轉化為拉伸斷裂，剪切脫落面積逐漸減小，破裂面傾角也呈現減小的趨勢。

圖3 玄武巖雙面拉伸剪切破壞形態

3 力學特性分析

3.1 應力-應變曲線

圖4為軸向應力-應變關系。從圖4可知，施加剪應力之前，各曲線的發展趨勢較為一致，經歷初始的應力調整階段和后期的彈性拉伸變形階段，且各試樣表現出相近的張拉彈性模量(約為1.028 GPa)，這說明了本試驗中采用的試樣材料的離散性較小。施加剪應力之后，各試樣表現為應力不變而拉應變在緩慢增加，這是由于水平施加荷載，使試樣在豎直方向產生相應的變形，為泊松比效應。隨著拉應力水平的增大，試樣法向呈現出的泊松比變形逐漸減小，當法向應力大于6 MPa后，甚至不出現泊松比變形。試樣破壞階段，試樣法向應力直線降低，說明試樣呈現出強烈的脆性破壞。

圖4 軸向應力-應變關系

圖5為不同法向拉應力下剪切方向的應力-應變關系。從圖5可知，各曲線均由非線性階段和線性階段構成：

(1)非線性階段。玄武巖作為一種非均質材料，內部具有細小的孔隙和裂隙。加載前期，缺陷在拉應力和剪切應力的共同作用下閉合或張開，曲線較為平緩。

(2)線性階段。隨著剪切應力不斷增大，巖石逐漸由非線性變為彈性變形狀態，此時剪切應力與剪切位移呈線性增長關系。

圖5 不同法向拉應力水平下剪切應力-應變關系

3.2 強度特征

將本文不同拉應力水平下玄武巖的剪切強度試驗結果與H-B準則、M-C準則以及拋物線準則[11]相比較，見圖6。從6圖可知，隨著法向拉應力增大，剪切強度均值不斷減小，并且減小幅度不斷增大，直到法向拉應力為7 MPa時，剪切強度迅速從4.87 MPa減小到3.15 MPa，這是由于巖樣在高拉應力水平下已經形成較多微裂隙，造成試樣內部損傷，故而表現出的剪切強度迅速減小。另外，運用擬合優度R2值對3種準則擬合效果進行量化，通過擬合確定H-B準則、M-C準則和拋物線準則的R2值分別為0.894、0.739和0.867。經對比可知，H-B準則和拋物線準則擬合效果整體上遠比M-C好，而H-B準則相較于拋物線準則更好。這說明相比于其他強度準則，H-B準則能更好反映玄武巖拉剪強度變化特性。

圖6 剪切強度隨法向拉應力變化

3.3 變形特性

3.3.1剪切模量

為探究剪切向各典型模量的相互關系及變化特征，以拉應力為3 MPa時的剪切應力-應變關系為例，對各模量進行標注。法向拉應力為3 MPa時剪切應力-應變關系見圖7，圖7中，虛線L1、L2、L3的斜率分別代表總變形模量、非線性段變形模量和線性段切線模量。圖8為總變形模量、線性段切線模量和非線性段變形模量隨法向應力變化。從圖8可以看出，同一法向拉應力水平下，線性段切線模量大于總剪切模量，也大于非線性剪切模量；非線性變形模量和總變形模量變化趨勢相似，為先增大后減小，轉折點在拉應力為4～5 MPa之間，這是因為法向拉應力較大時，初始法向加載段就對試樣造成了損傷，因此呈現先增后減規律；線性段切線模量變化趨勢與前兩者截然不同，在拉應力為0～3 MPa范圍內先緩慢減小，隨后平穩增加，當初始法向應力超過6 MPa時，線性段切線模量迅速降低。

圖7 法向拉應力為3 MPa時剪切應力-應變關系

圖8 變形模量隨法向拉應力變化

3.3.2線性剪切應變占比

線性剪切應變占比為剪切應變-應力關系線性階段對應的剪切應變值與總剪切應變值之比。圖9為線性剪切應變占比隨法向拉應力變化規律及擬合直線，擬合方程為y=0.02x2+0.25(R2=0.873)。

從圖9可知，線性剪切應變占比隨法向拉應力的增加而呈線性增長的趨勢，非線性階段應變變化量占總應變變化量的比例超過60%。起初，隨著法向拉應力水平的增加，巖樣內部孔隙由于拉應力而不斷變小，試驗過程中巖石很容易通過剪切應力達到臨界點P0，因此非線性階段位移減小。總位移變化量包含非線性和線性階段應變變化量，且其受到剪切應力的影響而減小，但是由于孔隙閉合而引起的非線性位移變化量減小是較為突出的，因此前期會出現線性剪切應變占比增高的現象。隨著拉應力的不斷增大，巖樣內部出現了一些的微裂隙，再加上較高應力情況下剪切應力的影響，對非線性剪切應變的影響更加顯著，這也導致線性剪切應變占比的增加。

圖9 線性剪切應變占比隨法向拉應力變化

4 結 語

本文對不同法向拉應力水平下的玄武巖進行拉伸-剪切試驗，分析其破壞形態和力學特性，得出以下結論。

(1)隨著法向拉應力的增大，試樣的斷裂由拉-剪斷裂轉化為拉伸斷裂，斷裂面傾角逐漸減小；巖石剪切方向的應力-應變曲線包含初始非線性變形階段和后期的線性變形階段；隨著拉應力的增大，巖石的抗剪強度逐漸減小。

(2)通過H-B準則、M-C準則和拋物線準則對(σt，τf)散點圖進行擬合發現，H-B準則吻合最好。

(3)剪切方向上，線性段切線模量>總變形模量>非線性段變形模量。隨著拉應力水平的增大，非線性變形模量和總變形模量先緩慢增大后平穩減小，而線性段切線模量則在拉應力為0～3 MPa范圍內先緩慢減小，隨后平穩增加。當初始法向應力超過6 MPa時，線性段切線模量迅速降低。線性剪切應變占比隨拉應力增大呈增加的趨勢。