含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

王瑞红，李建林，蒋昱州，王 宇

（1. 三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002；2. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 引 言

工程岩体大都经受了多次地质构造运动的扰动，其中含有多种多样不同级别的节理及软弱面，弱化了岩体的强度。含有节理的岩体和完整岩石有截然不同的性质。特别是在卸荷条件下，岩体和岩石的力学性质区别更大。卸荷作用使得岩体中原有的裂隙扩张、贯穿，甚至生成新的裂隙，岩体连通性增强，渗透性增加，抗拉强度急剧降低，岩体质量迅速劣化。而工程中遇到的岩体均为含有不同级别裂隙的节理岩体，因此，必须研究含节理岩体的力学性态，才能比较真实地反映工程岩体的实际力学行为，节理岩体在卸荷条件下的力学性能、破坏机制及力学参数的研究具有非常重要的工程意义。

关于节理及结构面对岩体力学性质的影响，国内外已有许多学者通过岩体试验、模型试验、数值分析得到了有价值的成果[1－10]。Yang[11]、Nasseri等[12]通过试验发现，含节理岩体有3种不同的破坏形式，岩体按照何种方式破坏主要取决于页岩层理面和最大主应力夹角及围压大小。杨圣奇[13]研究了含断续预制裂纹粗晶大理岩在不同围压下强度和变形特性。李建林等[14]结合三峡工程永久船闸高边坡岩体，利用真三轴试验设备研究了不同几何比尺、含不同倾角节理（8°、36°、52°、82°、90°）结构面岩体的加、卸荷力学特性。研究结果表明，卸荷条件下，结构面方向对岩力学性质有很大影响。李宏哲[15]通过三轴压缩试验，研究了含天然贯穿节理大理岩试件在不同围压下的破坏特征，试验发现，试件有穿切节理面和沿节理面滑移两种破坏形式，节理面与最大主应力夹角大小对破坏方式有重要影响，而围压对破坏方式影响不明显。王飞等[16]通过岩体三轴模拟试验对节理岩体在卸荷应力状态下的破坏特征进行了研究，得到了卸荷速率、节理的倾角及参数对卸荷岩体强度的影响。

已有文献研究表明，节理岩体的力学性质主要受到岩体中所含节理、裂隙的方向、长度、充填物材料、闭合程度、连通率等的显著影响。对于含贯通节理的裂隙岩体在卸荷状态下的力学特性目前已有一定的研究，但对于含有断续节理的岩体，由于其力学性态的复杂性，在卸荷状态下的力学机制仍有值得进一步探索的必要。本文将通过含2条不同间距预制断续节理岩体的卸荷三轴试验，研究含有预制节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。

2 试验方案

2.1 试件制备

试验所用岩块为四川红砂岩，质地均匀细密，无风化现象，无可见节理，总体连续性、完整性很好，为新鲜岩体，水平层理明显，钻样方向均垂直于节理。岩样按50 mm×100 mm（直径×高度）圆柱体进行制备。典型岩样如图1所示。

2.2 试验方案

试验在中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT–150C型岩石力学刚性伺服试验机上进行，具体试验方案如下：

① 按静水压力条件逐步施加（加载速率为0.05 MPa/s）σ1=σ3至10 MPa；② 稳定σ3，逐步增高σ1（加载速率为0.5 kN/s）至预定荷载；③保持σ1恒定，以0.05 MPa/s的速率逐步降低σ3至岩样破坏。

图1 典型岩样示意图Fig.1 Sketches of typical rock samples

3 试验结果分析

3.1 应力-应变和分析

图2为含断续节理岩体在初始围压10 MPa下的典型卸荷破坏应力-应变曲线。从图中可以看出，相比于完整岩样，节理岩样加载压密段变形更大；逐渐卸除围压时，ε1不断增大，岩体有较明显的轴向塑性流动阶段；从峰后曲线来看，节理岩样卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大，为完整岩体的3～4倍，说明由于节理岩体在荷载不断增大的过程中，预制节理面附近由于应力集中首先产生裂纹，裂纹不断扩展贯通，最终导致岩体破坏，使得岩体在破坏时不如完整岩体那样剧烈和突然。相比而言，节理岩体破坏时脆性特征不如完整岩体明显，破坏发出比较沉闷的响声。由于卸荷破坏时采用应力控制，岩样破坏后轴压立即下跌至残余强度。试验结果见表1。

图2 卸荷破坏应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves under unloading failure

表1 卸荷破坏试验结果Table 1 Test results of unloading failure

3.2 变形特征分析

3.2.1 变形模量变化规律

图3为围压卸荷过程中岩样的变形模量变化曲线。从图中可以看出，卸荷过程中岩体变形模量随围压降低而逐渐减小。在卸荷初期阶段，变形模量变化并不明显，变化幅度也较小，在应力差约为屈服强度时，曲线出现明显的拐点，岩样破坏后近似直线降低。与完整岩样相比，节理岩体屈服后变形模量急剧降低的趋势更加明显。

图3 卸荷过程中变形模量变化曲线Fig.3 Change curves of deformation modulus during unloading process

表2 卸荷破坏模量变化特征Table 2 Modulus variation characteristics of unloading failure

由图3及表2可以看出，节理岩体卸荷破坏时，变形模量有较大幅度的降低，其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍；节理间距较小时，岩体变形模量减小量很接近，均为42%，节理间距较大时，岩体变形模量减小量较大，为52%，可见节理间距越大，变形模量降低程度越大；变形模量随围压的变化规律和完整岩体类似，都可以分为3个阶段，每个阶段中变形模量和围压关系接近线性。在卸荷初期，即卸荷量在30%以内时，变形模量降低量为1%～5%；当卸荷量达到 30%～80%左右时，变形模量降低量为6%～14%；当卸荷量达到总卸荷量的80%～100%左右时，变形模量有较大幅度降低，降低量为42%～52%。可见节理岩体接近屈服后，变形模量有大幅度的降低，岩体质量劣化程度比完整岩体更大。

3.2.2 岩体变形特征分析

表3列出了节理岩体卸荷破坏过程中各岩样的变形特征。从表中可以看出，相比完整岩样，节理间距较小节理岩样卸荷过程中发生的变形及峰值变形和完整岩样接近，而节理间距较大时岩样变形明显大于完整岩样；节理岩样屈服-峰值应变差值明显大于完整岩样，说明节理岩样屈服后，变形的发展要快于完整岩样，屈服后更容易破坏；从完整岩样和节理岩样破坏后达到残余强度之间发生的变形来看，含节理岩样的脆性特征不如完整岩样明显，岩样达到残余强度前发生的变形明显大于完整岩样。

表3 卸荷破坏变形特征分析Table 3 Analysis of the variation characteristics under unloading failure

图4为卸荷过程中轴向变形随围压的变化规律。可以看出，卸荷过程中，岩体轴向变形的增加和变形模量的降低有相似的规律。随着围压不断下降，岩体变形不断增加，在开始卸荷阶段增加较慢，当卸荷量达到一定值后，曲线出现明显的拐点，变形突然增大，相比于完整岩体卸荷破坏，节理岩体的拐点更加明显，说明节理岩体屈服后很快就达到破坏强度而产生较大变形。

3.3 强度特征分析

图5显示了岩体β角与破坏围压之间的关系。从图2～5可以看出，含节理岩体的极限强度明显低于完整岩体，也就是说，节理岩体的破坏围压要高于完整岩体。图中空心点表示相同应力条件下完整岩样卸荷破坏时的破坏围压，其值接近0 MPa，而含节理岩体最低破坏围压为2.130 MPa（岩样号为3-23上），最高破坏围压为5.474 MPa（岩样号为4-7上）。说明含节理岩体卸围压时更加容易破坏。节理间距和岩体强度之间没有明显的规律，说明卸荷破坏对节理岩体的影响因素是极为复杂的。

图4 卸围压时围压-应变变形曲线Fig.4 Confining pressure-strain deformation curves under unloading confining pressure

图5 β -破坏围压关系Fig.5 Relationship between β and confining pressure

3.4 破坏特征分析

图6展示了含预制断续节理砂岩三轴卸荷典型破坏形式。图中h为两条预制节理间距。

从图可以看出，岩体卸荷破坏时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征，岩体产生明显的侧向膨胀，侧面中部向外鼓出呈鼓状，预制节理间距较小时，特别是预制节理分布在岩样中部时（h =10 mm和h =0 mm），鼓状特征更加明显（如图6(b)、6(c)所示）；与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比[17]，节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈，除剪切破裂面外，沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育，岩体破碎程度高，从三轴室取出时已破碎为很多块，破碎后表面有部分卸荷剥落的张性碎落片，破坏面之间含有许多岩粉及碎裂岩块；由于加载时预制节理端部产生应力集中，岩体首先从预制裂纹端部开始发生破坏，产生沿着垂直预制节理方向扩展的裂纹，沿着最大主应力方向向上及向下扩展，这一点与加载破坏特征相似，但卸荷破坏时还伴随有众多贯穿预制节理的张性破裂面。预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。与完整岩体卸荷破坏特征不同的是，预制节理岩体卸荷破坏时，很少产生平行于卸荷方向的环向拉裂面，而这正是完整岩体卸荷破坏的显著特征，其原因可能是由于预制节理方向亦平行于卸荷方向，并且节理处强度最低，破坏时首先从节理面处破坏，而其他地方强度较高，不会形成环向裂纹。

图6 岩样三轴卸荷破坏特征Fig.6 Triaxial failure characteristics of rock samples

4 结 论

（1）相比完整岩体，节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大，为完整岩体的3～4倍。岩体在破坏时不像完整岩体那样剧烈和突然，极限强度明显低于完整岩体，脆性特征不如完整岩体明显。

（2）节理岩体卸荷破坏时，变形模量有较大幅度的降低，其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍；节理间距越大，变形模量降低程度越大；变形模量随围压的变化规律与完整岩体类似，都可以分为3个阶段，每个阶段中变形模量和围压关系接近线性。

（3）与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比，节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈，除剪切破裂面外，沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育，岩体破碎程度高，破碎后表面有部分卸荷剥落的张性碎落片，破坏面之间含有许多岩粉及碎裂岩块；预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。

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