饱和花岗岩水-力耦合力学特性试验研究

朱其志，徐云霞*，季晶晶，闵中泽，张 瑨，余 健

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098；3.南京海泽房地产开发有限公司，江苏 南京 210012；4.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507)

岩石由于受到高应力、地下水运动、人工开挖扰动等多种因素的影响，处在水、热、化学作用下的多场耦合环境中[1]。岩石的水-力耦合作用作为岩体多场耦合研究的一个重要组成部分，有助于深入了解复杂岩体多场耦合作用机理，从更高层次揭示岩石力学作用本质[2-4]。而在实际工程应用中，外界施工、荷载、构造挤压等常会诱发岩石荷载速率的变化，对岩石的强度、变形、微裂纹的生长与扩展产生重要的影响[5-7]，因此研究加载速率对岩石力学特性的影响也是重要的研究课题之一。国内外学者在岩石的水-力耦合行为以及加载速率效应方面做了大量的试验研究，并取得了一系列成果[8-12]。对于已有的研究成果而言，大多数学者仅仅考虑了水-力耦合或加载速率[13-14]，或是将加载速率与温度、裂隙等因素进行结合，分析其对岩石力学特性的影响[15-16]。然而可以预见的是，在水-力耦合作用下加载速率也必然会对岩石的力学效应产生不同的作用效果，因此开展岩石水-力耦合作用下不同加载速率试验具有重要的意义。

本文以甘肃北山花岗岩为研究对象，利用全应力多场耦合三轴试验仪，开展了排水条件下不同围压、不同孔压、不同加载速率的常规三轴压缩缓慢加载试验，获取了相应的应力应变曲线，探究了不同围压、不同孔压以及不同加载速率对岩石强度、变形及破坏情况的影响。

1 试验准备

1.1 试验仪器

本次试验采用的仪器为法国TOP公司研制的多场耦合三轴试验仪，该试验系统加卸载过程已实现了全自动化。试验系统主要包括三轴压力室、加压系统及恒定稳压装置，可以通过超声波、水压以及气压系统进行控制，加压系统中的三个高压泵能够控制偏压、围压、水压的稳定加载以及压力的自动补偿，可以实现常规三轴压缩试验、流变试验、渗透试验以及温度-流体-力学-化学等多场耦合试验，适用范围广，测量精度高。该试验仪设计的最大围压为150 MPa，最大孔压为150 MPa，最大偏压为400 MPa，如图1所示。

图1 全应力多场耦合三轴试验仪Fig.1 Full stress and multi-field coupling triaxial apparatus

1.2 试样制备

图2所示为本文试验所选用的花岗岩，采自甘肃北山基地地面以下400～450 m，均取自同一个岩块。试样均匀性较好，岩性完整，是一种典型的准脆性材料。岩石表面为灰白色，颗粒细致，无明显节理，主要矿物成分为石英、钾长石和酸性斜长石。现场采集岩样利用实验室钻石机，采用切割机将岩芯进行切割，并加工成50 mm×100 mm的标准圆柱样，实际加工后的试样直径范围(50±2) mm，高度范围(100±2) mm。观察试样表面无明显裂隙，均质性良好，平均密度为2.72 g/cm3。

图2 花岗岩试样Fig.2 Granite sample

1.3 试验方案

为了研究花岗岩在不同围压、不同孔隙水压力以及不同加载速率作用下的力学特性，本试验围压选取10、15、20、25、30、35、40 MPa，孔压选取0、5、10 MPa，即有效围压为10、20、30 MPa。具体试验方案见表1。

表1 饱和花岗岩三轴压缩试验方案Tab.1 Triaxial compression test scheme of saturated granite

采用1.2节中的方法对花岗岩进行制样，为了充分了解岩石在水-力耦合状态下的力学特性，在试验前先对花岗岩进行饱水试验。根据《GBT 50266-2013工程岩体试验方法标准》中关于真空抽气法饱和试样的方法，在试验前首先将试样放入真空桶中，利用真空泵对组合体试样进行4 h以上的干抽，干抽结束后打开真空桶进气阀，吸入适量的蒸馏水，直至水面没过组合体试样的上表面1 cm左右关闭进气阀，再开启真空泵对组合体试样进行4 h以上的湿抽，直至无气泡溢出为止。湿抽结束后再将试样放在真空桶内对组合体进行4 h以上的浸泡，使组合体试样处于充分饱水状态。试样安装完成后如图3所示。

图3 试样安装示意图Fig.3 Installation of sample diagram

2 试验结果及分析

根据1.3节的试验方案对试样开展水-力耦合三轴压缩排水试验，根据试验结果得到了花岗岩分别在不同围压、不同孔压、不同加载速率下的峰值强度、峰值应变、弹性模量等主要岩石力学参数，具体结果见表2。

2.1 应力-应变曲线特征分析

2.1.1 相同有效围压(相同围压、相同孔压)、不同加载速率应力-应变曲线

花岗岩在水-力耦合三轴压缩排水试验过程中，受到围压、孔压以及偏压加载速率的影响，由于有效围压可用围压与孔压的差值进行表示，即花岗岩受到有效围压和偏压加载速率两种因素的影响。本文首先研究花岗岩试样SY4—SY7在有效围压相同的作用下，偏压加载速率对其力学特性的影响，通过对试验数据的处理，绘制出相同围压、相同孔压、不同偏压加载速率的花岗岩试样应力应变曲线，如图4所示。

由图4可见：相同围压、相同孔压、不同加载速率应力应变曲线依次经历了非线性压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后阶段。随着偏应力的增加岩样的变形发展较快，岩石内部的微裂纹及孔隙开始逐渐被压密闭合，所以非线性压密阶段曲线呈上凹型。而饱和花岗岩的压密阶段较短，这是由于水充满了岩石的初始孔隙和微裂纹，且液态水受压不易产生变形，所以水压的存在抑制了微裂纹和节理面的闭合。此外，随着加载速率的增加应力应变曲线逐渐向上移动，表明在相同围压相同孔压的条件下，花岗岩的峰值强度随着加载速率的增加而增大。可以解释为：当偏应力加载速率相对较高时，使得花岗岩试样内部更加致密，密度增加，使其承载能力增加；当偏压加载速率相对较低时，微裂纹充分扩展，导致岩样的累积损伤程度越来越大。因此，加载速率较小的峰值强度低于加载速率较大的峰值强度。

表2 饱和花岗岩水-力耦合三轴压缩试验主要力学参数Tab.2 Main mechanical parameters of triaxial compression test of saturated granite under hydro-mechanical coupling

注：其中有效围压为围压与孔压之差，最大主应力为围压与峰值强度之和，峰值应变为峰值强度对应的应变，弹性模量即偏应力-轴向应变曲线弹性阶段的直线段斜率。

图4 相同围压、相同孔压、不同加载速率应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves under the same confining pressure,the same pore pressure and different loading rates

2.1.2 不同有效围压(不同围压、相同孔压)、相同加载速率应力-应变曲线

在偏压加载速率相同的条件下，研究不同有效围压对花岗岩试样的力学特性影响。本文开展了控制孔压相同、围压不同的水-力耦合三轴压缩排水试验，孔压分别为0 MPa(试样编号SY1—SY3)、5 MPa(试样编号SY10—SY12)、10 MPa(试样编号SY5、SY8、SY9)，应力-应变曲线如图5所示。

由图5可知：不同有效围压、相同加载速率应力应变曲线依次经历了非线性压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后阶段。在偏压加载初期，由初始微裂纹和孔隙逐渐闭合引起的非线性段比较明显，而随着围压的升高非线性压密阶段逐渐消失，因为在较高的围压条件下，大部分初始微裂纹和孔隙在围压的施加过程中已经基本闭合。随着初始孔隙和微裂纹压密之后，岩石进入线弹性阶段，由于花岗岩的致密性较高，不易发生变形，因而应力-应变曲线弹性阶段较长且相对平滑。随着偏压的继续增加，曲线进入屈服和峰后阶段，孔压作用于试样结构内部，孔隙水压力对试样内部裂纹的劈裂作用逐步明显，促进了裂纹的扩展，岩石呈现出明显的脆—延性转化的过程。例如在40 MPa 高围压下，相应的曲线呈现明显的凸型屈服状态，说明高围压能够有效保护岩石的直接劈裂破坏。

对于应变而言，在孔压相同的条件下，轴向峰值应变呈现出随着围压的升高不断增加的规律，可以解释为：当围压较大、孔隙水压力相对较小时，孔隙水压力的作用得以削弱，而施加的轴向应力和围压对喉道的压缩作用明显，使得岩样的孔隙率减小，喉道变窄。

2.2 峰值强度与加载速率、有效围压的关系

2.2.1 峰值强度与加载速率

这家大概主要靠门市外卖，只装着寥寥几个卡位，虽然阴暗，情调毫无。靠里有个冷气玻璃柜台装着各色西点，后面一个狭小的甬道灯点得雪亮，照出里面的墙壁下半截漆成咖啡色，亮晶晶的凸凹不平；一只小冰箱旁边挂着白号衣，上面近房顶成排挂着西崽脱换下来的线呢长夹袍，估衣铺一般。

本文选取在围压20 MPa、孔压10 MPa条件下，研究偏应力的加载速率与峰值强度的变化规律。图6所示为不同加载速率的对数形式与峰值强度的关系曲线，以及相应的拟合关系式。由图可知，饱和花岗岩的峰值强度随着加载速率对数的增加呈二次多项式增加，表明加载速率对饱和花岗岩的峰值强度有较为密切的影响，拟合系数R2达到0.987 7，拟合效果较好。加载速率为0.04、0.1、0.2、0.5 MPa/min对应的峰值强度分别为247.617、256.690、280.835、307.906 MPa，较上一级增加比例分别为3.7 %、9.4 %、9.6 %，增长比例逐渐增大，即表明偏压加载速率的增大对于饱和花岗岩的强度具有明显的强化效果，与本文2.1.1节中的分析一致。

图5 相同孔压相同加载速率不同围压应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves under the same pore pressure,the same loading rate and different confining pressures

图6 峰值强度σc和加载速率对数lgV对应的关系Fig.6 Relation between the peak strength and the logarithm of loading rates

2.2.2 峰值强度与有效围压

图7所示为在相同加载速率0.1 MPa/min下，有效围压对峰值强度影响的关系曲线。由图可知，在相同有效围压条件下，岩石的峰值强度大致相等。该现象可以解释为：在围压和孔隙水压力的共同作用下，岩石内部裂纹逐渐扩展、演化，围压的增加使得岩石内部孔隙压密，从而提高了岩石的承载力，但由于水对岩石的软化作用，降低了岩石的摩擦力，从而与围压提供的承载力相抵消。因此，饱和花岗岩在有效围压相等的情况下，抵抗外界荷载的能力大致相同。其次，当孔压相同时，岩石的峰值强度随着有效围压的增加而不断增大，即峰值强度与施加的围压呈正相关关系，表明在孔压一定时，围压能够强化岩石的强度。

图7 峰值强度σc和有效围压对应的关系Fig.7 Relation between the peak strength and the effective confining pressure

2.3 峰值应变与加载速率、有效围压的关系

2.3.1 峰值应变与加载速率

图8所示为加载速率的对数形式与峰值应变的关系曲线，曲线拟合为二次多项式，拟合系数R2为0.994 8。由图可知，在缓慢加载条件下饱和花岗岩的峰值应变表现出加载速率强化效应，即峰值应变随加载速率的增加而增大。其次，四个加载速率所对应的峰值应变分别为6.765‰、7.356‰、7.507‰、7.560‰，分别较上一级增加比例为8.7%、2.1%、0.7%，增长比例逐渐减小，即加载速率对于峰值应变的强化效果是有限的。

图8 峰值应变εc和加载速率lgV对应的关系Fig.8 Relation between the peak strain and the logarithm of loading rates

2.3.2 峰值应变与有效围压

由图9可知：在相同有效围压条件下，随着围压和孔压的同步增长，其峰值应变也呈增长的趋势。以有效围压10 MPa为例，孔压0、5、10 MPa所对应的峰值应变分别为6.383‰、6.951‰、7.356‰。但随着有效围压的继续增加，不同围压、不同孔压对应的峰值应变之间的差值逐渐缩小。其次，在相同孔压条件下，峰值应变随着有效围压的增加而不断增加。以孔压10 MPa为例进行分析，围压20、30、40 MPa(即有效围压分别为10、20、30 MPa)下对应试样的峰值轴向应变分别为7.356‰、8.600‰、10.230‰。可以得出：当孔压相同时，峰值应变与围压呈线性增长关系。

图9 峰值应变εc和有效围压对应的关系Fig.9 Relation between the peak strain and the effective confining pressure

2.4 弹性模量与加载速率、有效围压的关系

2.4.1 弹性模量与加载速率

弹性模量是岩石材料的重要力学参数，是反映岩体弹性变形的指标。图10为在围压20 MPa、孔压10 MPa条件下，饱和花岗岩弹性模量E随偏压加载速率的对数形式的变化曲线。从图中看出，在围压和孔压相同条件下，弹性模量随着加载速率的增加呈二次多项式增长。

图10 弹性模量E和加载速率对数lgV对应的关系Fig.10 Relation between the elastic modulus (E) and the logarithm of loading rates (lgV)

2.4.2 弹性模量与有效围压

图11所示为饱和花岗岩在缓慢加载速率0.1 MPa/min条件下弹性模量与有效围压的关系。从图中可以看出，在相同有效围压条件下，试样的弹性模量随着围压和孔压的同步增长而呈降低趋势。由于孔压越大越容易降低岩石矿物成分之间的胶结程度，更容易被挤压变形，因此孔压越大，岩石的压缩变形量越大，从而导致岩样的弹性模量越小。且当孔压相同时，花岗岩的弹性模量随着有效围压的增大而增大，也可表示为弹性模量和围压呈线性增长关系，这再次验证了围压对岩石材料有强化效果的结论。

图11 弹性模量E和有效围压对应的关系Fig.11 Relationship between the elastic modulus (E) and the effective confining pressures

3 结论

1)相同有效围压不同加载速率、不同有效围压相同加载速率的应力应变曲线均依次经历了非线性压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后阶段。在相同加载速率条件下，偏压加载初期由初始微裂纹和孔隙逐渐闭合引起的非线性段比较明显，而随着围压的升高非线性压密阶段逐渐消失；由于花岗岩的致密性较高，不易发生变形，因而曲线的弹性阶段较长且相对平滑；在屈服和峰后阶段，孔隙水压力对于试样内部裂纹的劈裂作用逐渐明显，岩石呈现出明显的脆—延性转化的过程。

2)在围压和孔压均相同条件下，饱和花岗岩的峰值强度随着加载速率的增加而增大，加载速率为0.04、0.1、0.2、0.5 MPa/min对应的峰值强度分别为247.617、256.690、280.835、307.906 MPa。当有效围压相同时，岩石的峰值强度大致相等，抵抗外界荷载的能力大致相同；而岩石的峰值强度与外界施加的围压呈正相关关系，即围压能够强化岩石的强度。

3)缓慢加载条件下饱和花岗岩的峰值应变表现出加载速率强化效应，加载速率为0.04、0.1、0.2、0.5 MPa/min所对应的峰值应变分别为6.765‰、7.356‰、7.507‰、7.560‰，表明加载速率对于峰值应变的强化效果是有限的。在相同有效围压条件下，随着围压和孔压的同步增长，峰值应变也呈增长的趋势；而当孔压一定时，峰值应变与围压呈线性增长关系。

4)弹性模量随着加载速率的增加呈二次多项式增长。在相同有效围压条件下，试样的弹性模量随着围压和孔压的同步增长而呈降低趋势；当孔压相同时，花岗岩的弹性模量随着围压的增大而增大，这再次验证了围压对岩石材料有强化效果的结论。