隱晶質玄武巖的應變演化規律與強度破壞特征*

栗 青， 常兆榮， 高 陽， 張春生， 張傳慶， 周 輝

(1. 沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 中國科學院 武漢巖土力學研究所， 武漢 430071； 3. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 杭州 310014)

隨著我國基礎工程建設和資源開發的快速發展，隧道建設、礦山開采、水電開發等巖體工程將進一步向地下深部發展，使得深部高應力下地下工程硬巖破壞與工程災害問題無法避免.白鶴灘水電站地質條件復雜，地下洞室在開挖過程中由于受到地質條件與施工條件的影響，頻發圍巖失穩破壞，隨著工程的掘進和研究工作的深入，對白鶴灘玄武巖的研究尚不能滿足工程安全運行的需要，玄武巖在不同圍壓下的強度特征、破裂演化等特征還沒有得到充分揭示.

本文針對白鶴灘隱晶質玄武巖，在單軸及三軸壓縮條件下研究其脆性破壞特征，分析不同圍壓條件下玄武巖內裂隙啟裂、損傷演化過程，測定其啟裂強度與損傷強度，同時分析啟裂強度、損傷強度與圍壓的關系，揭示玄武巖破壞過程中的強度演化機制.

1 試驗設備與試驗方案

本文試驗采用白鶴灘水電站取回的隱晶質玄武巖巖塊，并按照《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266-1999)加工成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱形標準試樣，部分巖樣如圖1所示.

圖1 玄武巖試樣Fig.1 Basalt specimens

巖石的單軸壓縮試驗在中國科學院武漢巖土力學研究所巖石力學試驗系統RMT-150C上進行，采用位移控制方式加載，加載速率控制為0.06 mm/min，軸向變形采用LVDT監測記錄.環向變形采用橫向LVDT監測記錄.

三軸壓縮試驗在中國科學院武漢巖土力學研究所巖石剛性壓力機MTS815上進行，試驗采用LVDT軸向位移伺服控制，加載速率為峰前0.02 mm/min，峰后0.06 mm/min，環向變形采用由鏈條連接的伸長計進行測量.試驗時先施加圍壓至預定值，之后再施加軸壓直至試件破壞.圍壓分別設定為10、20、30、50、70、90 MPa.每個圍壓條件下選取5個試樣進行三軸壓縮試驗.

2 啟裂強度與損傷強度的確定

目前，常用的確定啟裂應力的方法為裂紋體積應變模型法.根據聲發射監測結果，由于在試驗過程中不可避免地捕捉到較多的噪音信號，裂紋啟裂瞬間的聲發射信號不容易被捕捉到，因此，本文主要根據裂紋體積應變模型確定啟裂應力.

圖2 典型巖石應力應變曲線Fig.2 Typical stress-strain curves of rock

根據Martin等[1]提出的裂紋體積應變模型，巖石體積應變由兩部分組成：1)巖石基質在荷載作用下產生的彈性變形；2)巖石內裂紋在加載過程中由于新裂紋萌生及裂紋擴展、貫通產生的體積變形.裂紋體積應變可以表示為

(1)

εv≈ε1+2ε3

(2)

(3)

損傷強度標志著巖石內部裂紋大量連接、交匯，裂紋的不斷發育、擴展、貫通導致試樣體積應變急劇增大，其增大趨勢逐漸超過加載造成的彈性體積壓縮趨勢，體積應變曲線逐漸出現拐點，將該點作為巖石的損傷強度，之后即使應力不增加，裂紋也會不斷擴展貫通.因此，損傷強度也被稱為裂紋非穩定擴展的起點、初始屈服點、巖石的長期強度等.

3 玄武巖單、三軸力學響應規律

3.1 玄武巖單軸壓縮試驗

圖3 單軸壓縮條件下玄武巖應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of basalt under uniaxial compression condition

3.1.2 單軸壓縮試驗破壞特征

圖4為玄武巖單軸壓縮試樣破壞形態.試驗過程中，隱晶質玄武巖巖樣破壞過程非常劇烈，有很多碎片或碎塊猛烈飛濺，伴隨巨大聲響，破壞后的碎片主要呈薄片狀，剩余部分呈塊狀，豎向的破裂面較為干凈，無粉末分布，表現為拉伸破壞模式.可以看出，破壞面與加載方向平行或近似平行，玄武巖脆性破壞特征顯著.圖5為破裂面斷口的電鏡掃描結果.可見斷裂面基本沒有顆粒附著，表面的裂紋呈不規則的臺階狀，粗糙度顯著，表明在單軸條件下，玄武巖試件破壞機制為拉伸破壞.

3.1.3 單軸壓縮試驗強度特征

白鶴灘隱晶質玄武巖單軸測試結果如表1所示.單軸壓縮條件下隱晶質玄武巖試樣的啟裂強度為峰值強度的52.07%，相較于Lac Du Bonnet花崗巖[1]的40%～50%略高，而二者峰值強度基本相同，表明隱晶質玄武巖相較于花崗巖顆粒間粘結強度更高，裂紋擴展、發育需要更高的應力水平.隱晶質玄武巖損傷強度約為峰值強度的93.6%，基本接近峰值強度，說明巖樣在應力臨近峰值強度時，試樣內部迅速出現大量裂隙并擴展貫通，此時，由于能量釋放過于集中，導致試樣發生劇烈的脆性破壞，出現碎塊狀炸裂現象，巖樣失去承載能力，無峰后殘余段.

圖4 單軸壓縮條件下玄武巖破壞形態Fig.4 Failure morphologies of basalt under uniaxial compression condition

圖5 單軸壓縮破裂面斷口電鏡掃描照片Fig.5 SEM images of fracture surface under uniaxial compression

表1 隱晶質玄武巖單軸測試結果Tab.1 Results of uniaxial tests on aphanitic basalt

3.2 玄武巖三軸壓縮試驗

圖6 三軸壓縮條件下玄武巖應力應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of basalt under triaxial compression condition

3.2.2 三軸壓縮試驗破壞特征

圖7為三軸壓縮條件下隱晶質玄武巖破壞形態.試樣破壞時可以聽到清脆的破裂聲響，由破壞面的外觀形態可以看到，有圍壓作用時巖樣的破壞主要由一條斜向的宏觀主裂紋造成，當圍壓增加到30 MPa以后，破裂面會出現一條或多條水平裂紋，而且隨著圍壓的增大，主裂紋的角度并沒有呈現出一定的規律性，高圍壓下仍是大角度斜向剪切破壞.圖8～9為圍壓30 MPa與90 MPa下破裂面斷口電鏡掃描結果.隨著圍壓增大，破壞面表面逐漸平緩，甚至出現剪切擦痕，且破壞面表面遍布巖粉，放大后可以看出破壞面微觀結構層次感逐漸減弱，表明隨著圍壓增大，試樣的剪切破壞特征逐漸明顯，剪切破壞強度提高，破壞面巖粉顆粒減小，破壞面表面趨于光滑.

3.2.3 三軸壓縮試驗強度特征

表2為不同圍壓下玄武巖啟裂強度與損傷強度.由于巖樣具有離散性，表2中數據為試驗結果平均值.

圖7 三軸壓縮條件下玄武巖破壞形態Fig.7 Failure morphologies of basalt under triaxial compression condition

圖8 圍壓30 MPa下破裂面斷口電鏡掃描照片Fig.8 SEM images of fracture surface under confining pressure of 30 MPa

圖9 圍壓90 MPa下破裂面斷口電鏡掃描照片Fig.9 SEM images of fracture surface under confining pressure of 90 MPa

由表2可知，三軸壓縮條件下試樣的啟裂強度為峰值強度的48.4%～53.1%，損傷強度為峰值強度的92.4%～96.6%.隨著圍壓不斷升高，巖石的啟裂強度與損傷強度隨之增加，但二者與峰值強度的比值無明顯變化，巖樣中的裂隙在峰值強度附近迅速出現并擴展，在宏觀主裂紋擴展的同時，兩側的巖塊發生相對運動，造成水平裂紋的產生，巖樣發生破壞.

表2 隱晶質玄武巖三軸測試結果Tab.2 Results of triaxial tests on aphanitic basalt

3.3 強度參數

利用上述試驗測得的隱晶質玄武巖在不同圍壓條件下的強度特征值，進行強度參數擬合.圖10為起裂強度、損傷強度、峰值強度與圍壓的關系.表3為隱晶質玄武巖的強度參數.

在圍壓作用下，巖樣的內部初始裂隙被壓密，處于閉合狀態，隨著壓力的增大，新生的裂隙在擴展前需要克服裂隙面上的摩擦作用.由擬合的強度參數結果可以看出，隱晶質玄武巖峰值階段的內摩擦角φ明顯大于啟裂階段的內摩擦角φ0.這是由于巖樣內部結構較為致密，當應力達到啟裂應力時，雖有微裂隙的萌生擴展，但裂隙面間并沒有大規模的相對滑移，因此，摩擦強度并未起到明顯的作用，其強度主要來源于裂隙面張開所需要的粘聚力，其內摩擦角φ0較小.

圖10 啟裂強度、損傷強度、峰值強度與圍壓的關系Fig.10 Relationship between cracking strength，damage strength，peak strength and confining pressure

表3 隱晶質玄武巖的強度參數Tab.3 Strength parameters of aphanitic basalt

巖石強度達到啟裂強度之后，巖石微裂隙啟裂擴展，損傷逐步累積，巖石裂隙面出現相對滑動趨勢，當強度達到損傷強度時，巖樣體積變形由壓縮轉為膨脹，巖樣內部微裂紋開始大規模擴展，裂紋的進一步擴展需要克服接觸面間的摩擦阻力，此時巖石的摩擦強度逐步發揮，內摩擦角也逐步增大到φ1=39.11°.

隱晶質玄武巖損傷階段到峰值階段的裂紋擴展非常迅速，裂紋擴展伴隨著粘聚力的損失，巖樣內部裂紋規模達到加載過程中的最大值，裂紋相互貫通形成宏觀破壞面，導致峰值應力下巖樣的脆性破壞，其粘聚強度和摩擦強度均得到最大發揮.

4 結 論

2) 通過對單軸及三軸條件下的破壞特征進行分析，單軸時隱晶質玄武巖巖樣破壞過程非常劇烈，破壞后的碎片主要成薄片狀，豎向的破裂面較為干凈，無粉末分布，表現為拉伸破壞模式.三軸壓縮條件下，有圍壓作用時巖樣的破壞主要由一條斜向的宏觀主裂紋造成，且主裂紋的角度并沒有呈現出一定的規律性.

3) 通過裂紋體積應變模型，計算得到了單軸及三軸條件下巖樣的啟裂強度與損傷強度，相較于花崗巖(啟裂強度40%，損傷強度80%)略高，尤其是隱晶質玄武巖的損傷強度基本接近峰值強度.

4) 利用M-C準則進行參數擬合，可以看到隨著圍壓的增大，隱晶質玄武巖的啟裂強度與損傷強度不斷增大，啟裂階段的內摩擦角φ0=23.32°，損傷階段的內摩擦角φ1=39.11°，與峰值階段接近，揭示了玄武巖破壞過程中強度的演化機制.