孔壓影響下壩基開挖巖體卸荷力學特性試驗研究

楊 沖，陳興周，黃 堅，陳莉麗，王 旭，江 海

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

重力壩在防洪、發電等方面發揮著重要作用，既可減小下游洪澇災害的頻發，也能保護區域生態環境，還可通過蓄水發電產生巨大的經濟效益。重力壩澆筑前往往存在大范圍壩基開挖處置環節，大體量開挖活動不僅打破了原巖相對穩定的受力狀態，也必然誘發原巖應力產生不均勻釋放，進而造成壩基開挖擾動區巖體發生卸荷松弛變形。由于卸荷變形具有較強的時效性，在重力壩正常運行期間，庫區滲透水以松弛變形衍生的裂隙為主要滲透通道，所形成的巨大滲透水壓力加劇了壩基巖體結構劣化，進而可能影響到重力壩自身及壩基防滲體系的安全運行。因此，開展孔壓影響下壩基開挖巖體卸荷力學特性方面的試驗研究，可為重力壩工程設計及安全運行提供理論參考。

有關孔壓滲透影響下開挖巖體卸荷力學特性的研究，國內學者已經開展了大量的試驗研究。梁寧慧等[1]在巖體卸荷滲流特性的試驗中分析了不同卸荷量與滲透系數之間的關系，表明影響巖石失穩破壞的主要外界因素為地下水及其在巖體中的滲流。鄧華鋒等[2]開展了不同圍壓和不同孔隙水壓力下砂巖三軸卸荷試驗，著重分析不同量級的孔隙水壓力介入對砂巖的卸荷強度及變形參數的影響，研究表明即使較小的孔隙水壓力作用對巖石的力學特性依然影響明顯，對卸荷階段的變形、強度特性影響尤為明顯。劉先珊等[3]以裂隙巖體為對象開展了考慮卸荷作用下的滲流-應力耦合分析，研究結果表明考慮卸荷與滲流后，巖體的滲透系數、位移場、應力場均有較大的改變。李志敬等[4]以錦屏二級水電站引水隧洞的砂巖為試驗對象，開展高水壓條件下的卸荷力學特性試驗研究，得出砂巖在高水壓力的作用下減小了試件裂隙結構面上的有效應力，加快了試件裂隙面延展的速度，從而導致了試件的強度降低。王俊光等[5]通過對滲透動水壓力作用下裂隙巖體滲流與應力耦合分析，得到了在裂隙水壓力作用下巖石強度的變化有著較明顯的影響，巖石強度隨著裂隙水壓力的增大而降低的結論。陳秀銅等[6]以某深埋隧洞的砂巖為對象，開展高水壓條件下的三軸卸荷試驗，得到砂巖在高水壓作用下卸荷破壞后強度與變形參數下降較顯著。此外，既有成果表明，滲壓介入后，開挖卸荷巖體的強度與變形參數出現了大幅度降低，表明滲壓作用可加劇巖石強度衰減[7-9]。

本文以某重力壩壩基黃砂巖為對象，依托多場耦合三軸流變試驗儀器，進行開挖卸荷作用及孔壓滲透影響下的室內力學試驗；借鑒巖體結構力學觀點，開展模擬原巖賦存應力環境的預加載試驗；采取恒軸壓卸圍壓的應力路徑，開展孔壓作用下砂巖試樣的分級卸荷試驗；從凸顯開挖速率影響開挖巖體卸荷變形入手，分析巖樣在不同卸荷速率條件下，發生卸荷破壞時的圍壓值、偏應力值及彈性模量的變化規律；從試樣宏觀破裂面特征變化規律入手，分析孔壓滲透影響對試樣卸荷破壞產生的影響，以期為重力壩工程設計提供理論參考。

1 試驗方案

1.1 試樣制備及試驗設備

試驗所用巖樣取自某重力壩壩基開挖黃砂巖，對巖樣進行切割加工處理，參照GB/T 5026-2013《工程巖體試驗方法標準》試驗規范要求，統一加工成直徑50 mm、高度100 mm的標準試樣，試樣的直徑與高度誤差范圍小于0.3 mm。加工完成后進行篩選，將外觀上有缺陷和層理、直徑和高度誤差范圍不滿足規范的剔除。篩選完成后測定試樣真空飽和狀態下的物理參數指標，根據物理參數指標進行分組，剔除參數離散性比較大的試樣，選擇物理參數相近的試樣。試樣真空飽和過程如圖1所示。

圖1 試樣真空飽和過程圖

結合試驗內容，共篩選10個試樣，選取3個進行常規壓縮試驗，3個進行黃砂巖最大圍壓測試試驗，4個進行孔壓影響下分級卸荷試驗。試樣真空飽和狀態下物理參數指標如表1所示，篩選的試樣如圖2所示。

圖2 篩選的試樣圖

表1 真空飽和狀態下試樣物理參數指標表

試驗依托多場耦合三軸流變測試系統進行，由軸壓、圍壓、孔壓3項伺服系統組成，具備高精度、功能齊全、安全性能高等優點。儀器可進行溫度-應力-滲流-化學多場耦合條件下的巖石三軸流變試驗及巖石常規壓縮力學試驗，可同步實現溫度、應力、滲流環境準確模擬，多場耦合三軸流變系統如圖3所示。

圖3 THMC多場耦合三軸流變試驗系統圖

1.2 室內常規試驗

開展同組試樣所能承受最大圍壓值的預加載分析，確定最大圍壓值。具體過程為：同步施加圍壓和軸壓至靜水壓力，觀察環向變形的數值變化，當環向變形數值減小，說明試樣發生體積縮小現象，以此時試樣發生體積縮小為臨界點的校核方式，確定同組試樣最大圍壓值為18 MPa。

從制備好的試樣中選取1組經過真空飽水處理后進行單軸與三軸抗壓強度試驗，得到試樣的單軸、三軸抗壓強度分別為68、155 MPa。三軸抗壓強度、最大圍壓值可作為考慮分級卸荷軸向與環向應力水平選取的參考依據，常規壓縮試驗應力-應變曲線如圖4所示。

圖4 常規壓縮試驗應力-應變曲線圖

1.3 考慮孔壓的分級卸荷試驗方案

(1) 軸壓、圍壓均采用壓力控制方式，以0.5 MPa/min加載速率，同步加載軸壓、圍壓至靜水壓力階段。

(2) 靜水壓力階段結束后，從試樣的底端施加孔壓至0.5 MPa，后續試驗過程中保持孔壓值恒定。

(3) 接著施加軸壓至試樣破壞前的某一應力狀態，取圍壓18 MPa下三軸抗壓強度峰值的70%左右，值為110 MPa。

(4) 保持軸壓恒定，分5級卸載圍壓，圍壓每級卸載3.5 MPa。卸荷速率按照0.6、0.4、0.2、0.1 MPa/min進行，每卸荷一級完成后靜置30 min，然后開始下一級卸荷，卸荷至試樣發生破壞結束試驗。

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變曲線

(1) 如圖5所示，不同卸荷速率條件下應力-應變曲線總體變化規律一致。在恒圍壓升軸壓的加載階段，隨著主應力差值增加，軸向與環向應變曲線呈線性增長趨勢，但軸向較環向應變曲線的變化趨勢更明顯，軸向應變值要大于環向應變值，而軸向與體積應變曲線變化趨勢較一致，軸向與體積應變值大致相等。由于試樣受到環向約束力作用，環向應變值保持穩定，基本上無波動，軸向受到主應力差值在最大主應力方向產生壓縮變形現象。

圖5 不同卸荷速率應力-應變曲線圖

(2) 卸荷階段環向應變曲線在卸荷起始點處出現拐點，接著呈非線性增長變化趨勢，卸荷速率越快，環向應變曲線增長速率越顯著，曲線斜率越大。引起這種變化規律的原因是由于圍壓值突然減小，環向約束力瞬間變小，進而主應力差值瞬間增加，環向發生非線性體積膨脹現象，軸向較環向應變曲線無明顯增長趨勢，環向應變值大于軸向應變值。卸荷階段至末期，主應力差值增加速率減緩，而環向應變增長速率變化迅速，體積應變達到最大值，試樣瞬間失去承載能力而發生脆性破壞。

2.2 分級卸荷過程試樣體積變化特征

(1) 分級卸荷體積應變曲線見圖6，單獨截取卸荷階段體積應變曲線，分析不同卸荷速率條件對體積應變的影響。分級卸荷體積應變曲線總體增長趨勢是一致的，呈現出臺階狀增長趨勢。卸荷階段由于環向約束力瞬間減小，進而主應力差值瞬間增大，試樣環向有非線性體積擴容現象，圖中體積應變曲線有明顯拐點，隨著主應力差值增加，體積應變曲線呈非線性增長趨勢。當圍壓卸載完成后靜置30 min，此階段體積應變曲線變化速率較卸荷階段有所減小。

圖6 分級卸荷體積應變曲線圖

(2) 以卸荷起始點為原點，卸荷結束為終點。卸荷速率越快，兩點間連線的斜率越大。通過對比，0.1 MPa/min卸荷速率的斜率最小，0.2與0.4 MPa/min的卸荷速率的斜率接近，0.6 MPa/min卸荷速率的斜率最大。卸荷速率越快，試樣內部裂紋來不及發生延展，體積擴容現象不明顯，體積應變增長趨勢不顯著。卸荷速率越慢，試樣內部裂紋有時間去發育，進而延展形成裂隙，體積擴容現象顯著。因此，開挖速度及開挖方式是巖體破壞的重要影響因素。

2.3 卸荷強度特征

圖7為不同卸荷速率與卸荷破壞時強度值之間的關系圖。

(1) 如圖7(a)所示，卸荷階段隨著卸荷速率增加，試樣卸荷破壞時的圍壓值呈現減小的趨勢，破壞時所需的主應力差值隨之增加。

(2) 如圖7(b)所示，卸荷速率從0.1 MPa/min增加至0.6 MPa/min，試樣破壞的主應力差值分別為104、106.8、107、107.5 MPa，0.6 MPa/min卸荷速率較0.1 MPa/min卸荷速率破壞時的主應力差值提高了3.5 MPa。因此，隨著卸荷速率增加，試樣破壞時的主應力差值越大，峰值強度有所提高。

圖7 卸荷速率與卸荷破壞強度值關系圖

(3) 卸荷速率越快，試樣從卸荷起始至發生破壞所需的時間越短，這與實際開挖活動相符合。在壩基開挖工程中，開挖速率越快巖體結構發生破壞時的主應力差值越大，開挖卸荷誘使原巖內部釋放的應力幅值也越大，尤其是高地應力地區壩基的開挖活動，開挖速率越快，導致原巖應力不均勻釋放誘發巖爆等現象發生。

2.4 卸荷變形特征

圖8為卸荷速率與彈性模量的關系圖。可以得出：隨著卸荷速率增加，試樣卸荷破壞時彈性模量呈減小趨勢。卸荷速率從0.1 MPa/min增加至0.6 MPa/min，對應彈性模量值分別為4.8、4.1 、3.7、3.4 GPa。初始圍壓值相同，隨著卸荷速率增加，試樣發生破壞得到的彈性模量值越小。卸荷速率從0.1～0.6 MPa/min的，彈性模量值分別降低0.7、0.4、0.3 GPa。這種變化規律與有關文獻[10]所得規律一致，即在同一圍壓條件下，卸荷速率越快，試樣破壞時彈性模量值越小。

圖8 卸荷速率與彈性模量關系圖

2.5 孔壓滲透影響下試樣破壞特征

(1) 如圖9、10所示，3號試樣是常規三軸壓縮試驗破壞后所得，4～7號試樣是孔壓影響下不同卸荷速率0.6、0.4、0.2、0.1 MPa/min卸荷破壞后所得。通過試樣破裂面特征對比，試樣在卸荷條件下脆性破壞特征顯著，結果表明加載與卸荷兩種應力狀態對試樣造成的破壞形式存在著明顯差異，開挖卸荷誘使應力釋放的量級更高，試樣在卸荷條件下發生強烈的脆性破壞，破壞時伴有強烈的脆響聲。

圖9 卸荷速率與滲透量關系圖

圖10 加載后試樣破裂面特征對比圖

(2) 如圖9、10所示，試樣底端是孔壓滲透施加的進水端，通過對卸荷階段試樣內部的滲透量大小及破裂面變化特征進行對比。卸荷速率越快，進入試樣內部的滲透水量越多，裂隙數目越多，破壞程度越高，脆性破壞特征更加顯著[11]。由于水是不可壓縮液體，在孔壓滲透作用下水瞬間充滿裂紋通道，隨著分級卸荷，在主應力差值與孔壓滲透作用下，裂紋開度逐漸延展、貫通形成不同角度的裂隙，裂隙的數量也在逐漸增加，裂隙傾角分別呈現出90°、75°、60°、45°的變化規律，4號試樣中間裂隙呈現90°傾角貫穿上下平面，且左側裂隙與中間裂隙呈“V”型狀。

3 結 論

(1) 軸壓加載階段，隨著主應力差值的增大，試樣沿著最大主應力方向發生體積壓縮，內部原有孔隙結構被逐漸壓密閉合，體積應變受軸向應變主導。卸荷階段，隨著圍壓值卸載，試樣側向約束力減小，進而主應力差瞬間增大，環向發生體積擴容現象，隨著分級卸荷，試樣失去承載能力發生破壞。

(2) 卸荷速率是造成試樣發生變形及破壞的重要因素，不同卸荷速率條件下試樣破壞時的主應力差值、圍壓值及彈性模量都有較為顯著的影響。卸荷速率越快，試樣越容易發生破壞且達到破壞時所需的時間越短，發生破壞時的主應力差值越大，而圍壓值與彈性模量值越小。因此，在壩基開挖過程中要綜合考慮開挖速度及開挖方式。

(3) 庫水滲透是造成壩基巖體失穩的重要因素，通過開展孔壓滲透影響下砂巖分級卸荷試驗，結果表明試樣在卸荷階段，由于內部產生大量裂紋為孔壓滲透發揮提供結構性的條件，孔壓滲透作用間接引起試樣側向約束力減小，進而主應力差值增加，并且降低了裂紋面上的有效應力，誘使裂紋迅速延展、貫通形成多條宏觀裂隙，脆性破壞特征較為顯著。因此，孔壓滲透加速了試樣卸荷破壞進度，且卸荷速率越大產生的力學效應越明顯。