不同围压下柱状节理岩体三轴力学试验研究

林 豆 王如宾,2 孟庆祥 滕志强

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京 210098;2.河海大学 岩土工程科学研究所,南京 210098)

柱状节理岩体具有非连续性、非均匀性和各向异性等复杂的力学行为,是一种工程和力学性质较差的特殊岩体[1-3].目前,国内学者对于柱状节理岩体力学特性的研究已取得颇多成果.石安池等[4]通过对柱状节理岩体工程地质调查,采用岩体弹性波等多种现场试验,对柱状节理岩体的力学特性以及不同加载条件下的变形机制进行了分析.张宜虎等[5]针对尺寸为50 cm×50 cm×100 cm的柱状节理岩体试样开展原位三轴试验,揭示了三轴应力状态下节理裂隙扩展贯通的破坏机理.金长宇等[6]采用D-CRDM分析方法对柱状节理玄武岩卸荷过程进行了分析,结合现场声波试验对柱状节理玄武岩破坏模式进行了分析.王晗等[7]采用Voronoi随机生成柱状节理,建立离散元数值计算模型,模拟地下洞室爆破工程来研究地应力和爆破荷载耦合作用对柱状节理岩体的影响.熊子正等[8]基于离散单元法,对柱状节理岩体进行了渗流应力耦合特性研究.由于室内三轴力学试验的试样尺寸受限制,工程现场柱状节理岩体取样后又无法准确反应柱状节理岩体的构造特性,且不具备典型性.因此开展柱状节理模型试样进行研究具有较大的可行性与操作性.肖维民等[9-11]通过采用石膏等材料制作柱状节理岩样,开展了一系列柱状节理岩体力学特性的试验研究.巢志明等[12-13]采用水泥砂浆等制作柱状节理模型试样,研究了柱状节理岩体渗透特性及孔隙度演化规律.

在我国西南水电开发区域广泛分布柱状节理岩体,其中白鹤滩水电站坝址区柱状节理岩体发育较多.然而,目前基于白鹤滩水电站为背景的柱状节理岩体的力学特性研究较少.鉴于此,本文采用相似原理[12,14]制作与现场岩体地质结构和物理力学性质相似的柱状节理模型试样,借助岩石全自动三轴流变伺服系统对柱状节理类模型试样开展不同围压条件下三轴力学试验,研究了柱状节理岩体的力学特性,对工程实际具有一定参考意义.

1 试验准备和试验方案

1.1 试样制作

白鹤滩水电站坝区尤其是坝基处的柱状节理岩体较为发育,柱体倾角多为75°且柱体断面以四边形、五边形和六边形为主.本试验选取其中最为典型的六边形截面进行建模,采用普通硅酸盐水泥制作柱体,白水泥浆液作为胶结材料进行粘合砂浆柱体,养护结束后加工成倾角为75°的柱状节理岩体试样,如图1所示.具体制作步骤如下:

1)模具制作与组装:采用亚克力制作模具,模具中有边长为5 mm的正六边形棱柱状形状的凹槽.模具采用5块面板状,对齐装配后用两至三组皮筋约束加固,模具如图2所示.

图1 柱状节理岩体模型试样

图2 模具

2)浇筑柱状节理:用强度标号为52.5的硅酸盐水泥、细砂和水调制成流动性较好的水泥砂浆,使用一个连接小胶管的大孔注射器将水泥砂浆从模具的底部注入,逐渐注满至模具顶部,用一根细铁丝进行捣实,这样可消除砂浆中滞留空气形成的气孔,有助于提升柱体的浇筑质量.将浇筑好的正棱柱柱体放置在温度为22±2℃和相对湿度为95%左右的环境中养护24 h,待水泥砂浆凝固到一定强度后进行脱模,脱模后的柱体置于相同的环境中养护28 d左右,待其达到100%强度;

3)粘合柱状节理:采用水灰配比为1∶2的白水泥浆液将柱体粘结成一整块的试样,并将其置于温度为22±2°C和相对湿度为95%的环境中养护28 d;

4)圆柱试样的加工及打磨:待其达到预定养护期后,先用铅笔在其表面画好与水平线呈一定角度的切割线,再采用岩石切割机进行切割成长方体样,最后将其打磨成直径和高度分别为50 mm和100 mm的标准圆柱形样,如图1所示.

1.2 试验设备

三轴力学试验是在岩石全自动三轴流变力学试验系统上进行的(如图3所示).该系统具有轴压、围压和渗压3个力学加载系统和一个温度加载系统组成,可完成岩石力学的THM多物理场耦合长期流变试验.安装在压力室底座的2个高精度LVDT和固定在试样上的1个应变测量环分别记录轴向和环向变形量.在计算机全自动伺服控制下,可实现各项压力的自动补偿,整个试验过程均有微机控制.

图3 岩石三轴流变试验系统

1.3 试验方案

为了研究柱状节理岩体的力学特性,对其进行三轴力学试验.将制作好的柱体倾角为β=75°的柱状节理试样安装在岩石三轴流变系统的三轴压力室内,安装好测定变形的传感器,密封三轴室,试验过程中采用位移加载进行控制,加载速率设置为0.02 mm/min,试验方案见表1.

表1 柱体节理岩样三轴力学试验方案

2 柱状节理岩体材料参数确定

在制作水泥砂浆柱体时,进行了多组配比的试验,最后选定的配比为mc∶ms∶mw∶mp=1.0∶0.5∶0.35∶0.002,其中,mc、ms、mw和mp分别表示水泥、细砂、水和减水剂的质量,其中细砂粒径小于1 mm.表2[15]中显示了采用此配比制作出的砂浆柱体的物理和力学参数.此处的下标“i”表示参数为完整水泥砂浆的参数,模拟完整柱体.

制作柱状节理模型试样前,应对节理面的相关参数进行测定.本文采用150 mm×150 mm的塑料模型浇筑出两块半个正方体试块,如图4所示.待其养护好后,在两块半个正方体试块接触面的位置涂抹一定比例的胶结材料,用以模拟含有单节理面的模型试样.养护后进行直剪试验,轴压分别为1 MPa、2 MPa和3 MPa.胶结材料采用白水泥浆和水的质量配比为mc∶mw=1.0∶0.4.对制作的半正方体试块涂抹白水泥进行直剪试验,剪切速率采用0.02 mm/min.试验得到了不同轴压下的节理面应力应变曲线,如图5所示.测定了白水泥浆的抗剪强度参数,见表2.得到图6所示的节理面强度参数拟合曲线.其中,下标“j”表示参数为白水泥浆粘结剂的参数,模拟节理.

图4 白水泥强度参数测定试块

图5 不同轴压下的应力应变曲线

表2 人工柱状节理类岩体材料的物理力学参数

图6 节理面强度参数拟合曲线

3 三轴力学试验结果分析

3.1 柱状节理岩体强度特征分析

根据三轴力学试验的结果,分别绘制了不同围压作用下偏应力与轴向应变、环向应变和体积应变的试 验曲线,如图7所示.

图7 柱状节理岩样三轴力学试验应力-应变曲线

根据不同围压下的应力-应变试验曲线,可以得到柱状节理模型试样的峰值强度和弹性模量等力学参数,见表3.表3中σc为峰值强度,对应岩样应力-应变曲线最高点C处的应力值,如图8所示;σy为屈服强度,对应应力-应变曲线中由线弹性过度到非线性阶段拐点B的应力值;εc为峰值轴向应变,与σc对应;εy为轴向屈服应变,与σy对应;Es为弹性模量,定义为全应力应变曲线中线弹性接近直线段的斜率(AB段的斜率).

表3 不同围压作用下柱状节理岩样的力学参数

图8 岩样主要力学参数的确定方法

由表3可知,屈服强度和峰值强度都随着围压的增大而增大,围压从4 MPa增至6 MPa,σc和σy分别增加了6.4%和28.0%,围压从6 MPa增至8 MPa,σc和σy分别增加了10.9%和18.7%.此外,柱状节理岩样的弹性模量也随着围压的增大而增大,围压从4 MPa增至6 MPa,Es增加了10.0%,围压从6 MPa增至8 MPa,Es增加了6.7%.根据以上分析可知,柱状节理岩体的强度随着围压增大而增大,围压对岩体强度有强化作用.

摩尔库伦强度理论是岩土工程中应用最为广泛的强度理论之一,本节在三轴力学试验的基础之上,采用摩尔库伦强度准则,得到了不同围压下内摩擦角和粘聚力的变化规律.试样的内摩擦角和粘聚力按照以下公式进行计算:

式中,M为三轴力学试验破坏应力σ1～σ3拟合直线的斜率,N为拟合直线在纵坐标上的截距.

图9和图10分别为峰值强度和屈服强度与围压关系.对试样的峰值强度和屈服强度进行了线性回归分析,分别得到:峰值强度和围压的线性关系为y=1.98x+35.62,相关系数为R2=0.95;屈服强度和围压的线性关系为y=2.335x+8.76,R2=0.99.可以看出这两条拟合曲线的拟合度较高,呈现出岩体强度值随围压的增加而增加的趋势.

图9 峰值强度与围压的关系

将峰值强度和屈服强度与围压拟合得到的参数带入到式(1)和式(2)中得到柱状节理岩样的力学参数见表4.

图10 屈服强度与围压的关系

表4 三轴力学柱状节理岩体试样的力学参数

3.2 不同围压作用下的破坏形态

柱状节理岩体试样在不同围压条件下的破坏形态如图11所示.可以看出,柱状倾角为75°的柱状节理岩体在不同围压作用下的破坏模式主要是沿着节理面的滑移破坏.在围压4 MPa和6 MPa作用下,岩体的破坏形态为沿贯穿两端面的破裂面滑移破坏,而在围压8MPa作用下的破坏形态则是其破裂面从试样的一端沿柱状节理面延伸至圆柱体侧面剪切贯通,破坏模式由滑移破坏变为剪切滑移破坏.可以看出,在4 MPa围压作用下的岩样碎裂成多块,随着围压增大,岩样破坏后整体性更好.

图11 不同围压条件下的柱状节理岩体试样的破坏形态

3.3 损伤分析

柱状节理岩体试样在加载过程中,内部的节理和裂隙扩展贯通引起材料或结构的劣化过程即损伤[16].利用如下公式计算损伤:

式中,Es为岩体的弹性模量(数值如表3所示),E=σ/ε.D为损伤变量:D=0时,材料无损伤;D=1时,材料完全损伤;0＜D＜1时,材料处于损伤状态.

根据柱状节理岩体试样三轴力学试验结果,由式(3)可以计算围压4 MPa、6 MPa和8 MPa作用下的轴向损伤,损伤变量和轴向应变的关系曲线如图12所示.

图12 三轴力学试验下柱状节理岩样的损伤过程曲线

由图12可看出,在加载过程中,柱状节理岩样的轴向损伤随着轴向应变的增大而增大.当轴向应变较小时,8 MPa围压作用下的轴向损伤高于较低围压作用下的损伤;当轴向应变大于0.008时,较低围压左右下的岩样轴向损伤高于较高围压作用下的损伤值.4 MPa围压作用下岩样损伤曲线在后半阶段出现了跳跃现象,这与图7(a)中偏应力突然下降是对应的,可能与试验过程中柱状节理面发生的滑移现象有关.

4 结 论

本文以柱状节理模型试样为研究对象,首先对制作节理面的白水泥进行了不同轴压下的直剪试验,得到了节理面参数,并且介绍了人工制备柱状节理岩体的操作步骤等,最后对柱状节理模型试样进行了不同围压(4 MPa、6 MPa、8 MPa)作用条件下的三轴力学试验,获得了试样应力-应变试验曲线,并对柱状节理岩体的强度特性、破坏模式和损伤进行了分析,得出如下结论:

1)围压的增加使得柱状节理模型试样的峰值强度和屈服强度呈增加趋势.

2)柱状节理模型试样在三轴力学试验下,其破坏模式以沿节理面破坏为主,随着围压的增加,节理材料也开始出现破坏的现象.

3)在三轴力学试验过程中,柱状节理岩样的轴向损伤随着轴向应变的增大而增大.