陳云娟，敬藝，尹福強(qiáng)，李艷龍，高濤

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東濟(jì)南250102)

0 引言

隨著城市地下空間和山嶺地下空間的不斷開(kāi)發(fā)利用，巖體工程的項(xiàng)目和規(guī)模與日俱增，隨之而來(lái)的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題也日益突出。自然界巖體是一種非連續(xù)體，含有大量的不連續(xù)面，其存在、擴(kuò)展以及貫通對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)影響有很大[1-4]，而這一過(guò)程同時(shí)會(huì)受到很多因素的影響，因此，深入研究不同因素對(duì)不連續(xù)面擴(kuò)展過(guò)程及巖體強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)于保證巖體工程安全和穩(wěn)定具有重要的意義。

試驗(yàn)方法是確定巖體力學(xué)特性最基本、最直接的手段，也是觀察巖體變形規(guī)律、破壞機(jī)制及力學(xué)效應(yīng)比較有效的一種方法[5-7]。一直以來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)巖體裂隙擴(kuò)展方面的研究做了大量有價(jià)值的試驗(yàn)工作。張波等[8-11]通過(guò)類巖石室內(nèi)試驗(yàn)，將交叉裂隙預(yù)置為主裂隙和次裂隙，研究了交叉裂隙試樣的破壞機(jī)制，并分析了錨固位置對(duì)節(jié)理巖體強(qiáng)度的影響；肖桃李等[12]通過(guò)對(duì)類巖石試件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究了單節(jié)理巖體的強(qiáng)度及破壞特性，分析了巖體強(qiáng)度與試件尺寸、節(jié)理傾角等的關(guān)系。韓建新等[13]和李樹(shù)忱等[14]開(kāi)展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了節(jié)理巖體的貫穿程度、尺寸效應(yīng)。夏才初等[15]開(kāi)展了節(jié)理巖體在不同主應(yīng)力差卸載路徑下的試驗(yàn)研究。秦濤等[16]為探尋深部復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石破壞機(jī)理，開(kāi)展了砂巖在單軸和常規(guī)三軸加載下的聲發(fā)射特征實(shí)驗(yàn)。李宏哲等[17]對(duì)大理巖節(jié)理試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，研究了巖體破壞形式的受控因素。

文章基于已有的試驗(yàn)基礎(chǔ)，考慮節(jié)理位置、圍壓和溫度對(duì)巖體破裂過(guò)程的影響，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分析節(jié)理位置、圍壓的改變對(duì)巖體峰值強(qiáng)度和破裂形態(tài)的作用，并通過(guò)加卸載試驗(yàn)定性分析洞室開(kāi)挖掌子面的卸荷效應(yīng)；同時(shí)，對(duì)4種較低溫度和3種超高溫度下巖體的裂隙擴(kuò)展形態(tài)和規(guī)律進(jìn)行研究。

1 節(jié)理位置對(duì)巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律的影響

以砂巖為原型，選取砂子、水泥、減水劑和水作為類巖石材料，質(zhì)量配比為 0.97∶1∶0.03∶0.3。 試件加工尺寸為70 mm×140 mm×45 mm，節(jié)理采用尺寸為0.5 mm×15 mm的聚氯乙烯薄片制作。為了分析不同節(jié)理位置對(duì)巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律的影響，假定節(jié)理角度一定，均為30°，節(jié)理位置從上到下分為5種情況:第一條與第二條垂直距離為10 mm；第二條與第三條垂直距離為20 mm；第三條與第四條垂直距離為20 mm；第四條與第五條垂直距離為10 mm。節(jié)理位置及距離如圖1所示，試驗(yàn)工況如圖2所示。

圖1 試件中節(jié)理位置及距離示意圖/mm

圖2 節(jié)理位置5種試驗(yàn)工況示意圖

在對(duì)類巖石試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)之前，需要將類巖石試件上下端面打磨平整，消除其端部效應(yīng)，試驗(yàn)所用端面打磨機(jī)如圖3所示。采用GAW-2000電液伺服巖石剛性壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，先力控制再位移控制，位移加載速率為0.1 mm/min，利用位移傳感器、千分表分別測(cè)量試件的軸向和橫向變形，利用DV攝像機(jī)記錄試件裂隙擴(kuò)展的全過(guò)程，試驗(yàn)儀器和設(shè)備如圖4所示。試驗(yàn)完成后，不同節(jié)理位置的類巖石試件裂隙破裂形態(tài)如圖5所示。當(dāng)節(jié)理位置不同，類巖石試件受單向壓縮應(yīng)力后的破裂形態(tài)也是不同的。當(dāng)節(jié)理處于頂部位置和底部位置時(shí)，試件受到單向壓縮作用，會(huì)沿著原有節(jié)理的尖端開(kāi)始起裂，并迅速擴(kuò)展產(chǎn)生翼裂紋，翼裂紋的方向平行于最大主應(yīng)力的方向，同時(shí)，試件也會(huì)產(chǎn)生明顯的張拉裂紋，即劈裂裂紋，方向也近似平行于最大主應(yīng)力方向；當(dāng)節(jié)理位于試件的中上部位置和中下部位置時(shí)，翼裂紋擴(kuò)展仍然顯著，同時(shí)伴隨次生裂隙擴(kuò)展，試件內(nèi)部主要產(chǎn)生張拉裂紋；當(dāng)節(jié)理位于試件的中間位置時(shí)，試件受到壓縮作用后，基本沒(méi)有次生裂隙產(chǎn)生，導(dǎo)致試件破壞的裂紋主要是由原生節(jié)理引起的翼裂紋擴(kuò)展，為剪切裂紋。

圖3 試件端面打磨機(jī)圖

圖4 GAW-2000剛性壓力機(jī)圖

圖5 節(jié)理不同位置時(shí)類巖石試件裂隙擴(kuò)展形態(tài)圖

2 圍壓及加卸載對(duì)巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律的影響

采用巖體多裂隙擴(kuò)展的高精度多路超高壓步進(jìn)比例溢流閥液壓加載系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行真三軸加載，如圖6所示。該加載系統(tǒng)加載精度達(dá)到±0.05 MPa，可以實(shí)現(xiàn)平滑增壓或減壓。

加載完成后，得到類巖石試件在不同圍壓下的最終破裂模式，如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)給試件施加相同條件下的荷載時(shí)，試件表現(xiàn)出了不同的破裂形態(tài)。當(dāng)豎向荷載均約為32 MPa時(shí)，單軸加載條件即圍壓為0 MPa時(shí)，試件破壞的最嚴(yán)重，達(dá)到了強(qiáng)度極限。隨著圍壓的增加，巖體出現(xiàn)的裂紋越來(lái)越少，程度和規(guī)模都明顯減小，當(dāng)圍壓為5 MPa時(shí)，試件產(chǎn)生2條明顯的裂紋，但沒(méi)有達(dá)到試件的強(qiáng)度極限；當(dāng)圍壓為10 MPa時(shí)，試件產(chǎn)生一條明顯的裂紋，此時(shí)試件仍然有較高的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)圍壓達(dá)到15 MPa時(shí)，試件基本沒(méi)有明顯裂紋產(chǎn)生。因此，圍壓的增加能夠增強(qiáng)巖體的強(qiáng)度，抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

圖6 巖石真三軸加載裝置圖

圖7 不同圍壓下巖體的破裂形態(tài)圖

深部巖體洞室開(kāi)挖會(huì)引起圍巖體應(yīng)力的重新分布，應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)的由三維狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S甚至一維狀態(tài)，導(dǎo)致儲(chǔ)存在巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能隨著巖體裂隙的擴(kuò)展和非連續(xù)變形的產(chǎn)生而釋放出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜，僅僅用應(yīng)力或應(yīng)變來(lái)分析和判斷圍巖體的穩(wěn)定性相對(duì)困難[18-20]?；诖?，利用室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)分析巖體的開(kāi)挖效應(yīng)，即開(kāi)挖面或掌子面的卸載效應(yīng)。試驗(yàn)步驟如下:首先對(duì)類巖石試件施加三向荷載，待荷載穩(wěn)定后，將模擬掌子面的一面荷載卸除，通過(guò)該面的卸載試驗(yàn)來(lái)定性反映洞室開(kāi)挖工程中掌子面的卸載效應(yīng)，加卸載示意圖如圖8所示。

圖8 類巖石試件加卸載示意圖

卸載后，試件的裂隙擴(kuò)展形態(tài)如圖9所示。當(dāng)卸載試件一個(gè)側(cè)面的荷載時(shí)，該側(cè)面的應(yīng)力得到釋放，儲(chǔ)存在巖體中的能量通過(guò)裂隙擴(kuò)展的形式被釋放出來(lái)。因此，同圍壓下，相較于無(wú)卸載的情況(如圖7所示)，卸載面的裂隙擴(kuò)展程度有所加重。同時(shí)注意到，卸載面的裂隙擴(kuò)展方向近似平行于最大主應(yīng)力方向。這便很好的解釋了洞室?guī)r體工程中，開(kāi)挖洞室容易引起洞壁圍巖產(chǎn)生劈裂破壞的現(xiàn)象。

圖9 不同圍壓下試件的卸載破裂形態(tài)圖

3 溫度對(duì)巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律的影響

為了考慮不同溫度下巖體的破裂規(guī)律，首先通過(guò)聲發(fā)射裝置選取聲速穩(wěn)定的16塊試件進(jìn)行加載試驗(yàn)。其中，20、40、60和80℃下試件各4塊。加載完成后，不同溫度下類巖石試件的典型破裂形態(tài)如圖10所示。

圖10 不同溫度下試件的破裂形態(tài)圖

由圖10可知，隨著溫度的增加，巖石的破裂程度有所增加，溫度加速了巖石內(nèi)部?jī)?chǔ)存彈性應(yīng)變能量的釋放，加快了裂隙擴(kuò)展的進(jìn)程。因此，在深埋地下高溫的條件下，巖石更容易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。

類巖石峰值強(qiáng)度曲線如圖11所示，溫度的增加不僅加快了巖體破裂的進(jìn)程，而且也降低了巖體的強(qiáng)度，使其承載力顯著降低。峰值強(qiáng)度從20℃時(shí)的32 MPa降低到了80℃時(shí)的20.4 MPa，呈對(duì)數(shù)關(guān)系下降。

此外，為了研究超高溫度對(duì)巖體的破裂影響，另選取聲波速度大致相同的15塊試件分別進(jìn)行100、200和300℃的壓縮試驗(yàn)，每種溫度各取試件5塊。試驗(yàn)過(guò)程中，100℃下的5塊試件都正常加載，200℃下的5塊試件中有3塊在加載過(guò)程中直接炸碎，300℃下的5塊試件中有4塊在加載過(guò)程中直接炸碎，正常加載得到的8塊試件的試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖11 不同溫度下試件的峰值強(qiáng)度曲線圖

圖12 不同高溫條件下試件的破裂形態(tài)圖

根據(jù)圖11、12分析可知，超高溫不僅降低了巖體的強(qiáng)度，而且顯著影響了巖體的破裂特征。當(dāng)溫度較低時(shí)，巖體強(qiáng)度較高且有一定的抗壓強(qiáng)度，隨著溫度升高，巖體的平均峰值強(qiáng)度降低(100℃時(shí)為19.43 MPa、200 ℃ 時(shí)為 14.29 MPa、300 ℃ 時(shí)為10.2 MPa)。從類巖石試件的試驗(yàn)情況和破裂形態(tài)來(lái)看，超高溫條件下，巖體更容易炸裂，因此對(duì)于超高溫條件下的巖體工程，需對(duì)巖爆等災(zāi)害提前做好預(yù)警、防治措施。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究得到如下結(jié)論:

(1)節(jié)理位置越靠近試件端部，翼裂紋擴(kuò)展為主，次生裂隙擴(kuò)展為輔，方向近似平行于最大主應(yīng)力方向，主要產(chǎn)生張拉劈裂破壞；節(jié)理位置在試件中間位置時(shí)，巖體的破壞主要是由原生節(jié)理的翼裂紋擴(kuò)展為主，產(chǎn)生剪切破壞。

(2)圍壓可以提高巖體的強(qiáng)度，抑制裂隙的擴(kuò)展。通過(guò)不同圍壓的卸載試驗(yàn)，表明卸載面主要產(chǎn)生劈裂裂紋，因此洞室開(kāi)挖后洞壁更容易產(chǎn)生劈裂剝落的現(xiàn)象。

(3)溫度越高，巖石強(qiáng)度越低，裂隙擴(kuò)展越明顯。超高溫條件下，巖石容易產(chǎn)生炸裂現(xiàn)象，因此對(duì)于超高溫條件下的巖體工程，應(yīng)重點(diǎn)做好巖爆災(zāi)害的防治工作。