宋戰(zhàn)平，肖珂輝，楊騰添

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

巖石變形特性一直是巖石力學(xué)研究的主要內(nèi)容,也是巖體工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1],巖石變形特性影響著巖體工程的施工方案和安全.隨著工程建設(shè)的發(fā)展，富水環(huán)境下的隧道和地下工程數(shù)量日益增多，由于地下水滲透引起的圍巖失穩(wěn)問題也愈發(fā)突出[2-4].因此，研究滲透壓力作用下巖石的力學(xué)特性和變形特性具有重要意義.

前人在滲透水壓力對(duì)巖石力學(xué)特性的影響方面做了諸多研究：Skempton[5]提出滲透水對(duì)巖體劣化的最集中體現(xiàn)是對(duì)巖體損傷力學(xué)特性的影響；在此基礎(chǔ)上，劉新榮[6]分別從物理作用、化學(xué)作用以及力學(xué)作用三個(gè)方面論述了滲透水對(duì)巖石性能的劣化作用；仵彥卿[7]利用CT掃描技術(shù)，揭示了不同滲透水壓力作用下巖石空隙率、滲透速度、孔隙直徑等參數(shù)的變化規(guī)律；Tsuyoshi[8]借助聲發(fā)射揭示了花崗巖和致密砂巖在水-力耦合作用下的損傷演化過程;邢福東[9]考慮應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合作用下巖石的失穩(wěn)破壞，揭示了滲透水壓與側(cè)向圍壓對(duì)脆性巖石力學(xué)特性及脆延轉(zhuǎn)化特性的影響規(guī)律；宋勇軍[10]通過開展單軸蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)干燥和飽水炭質(zhì)板巖流變模型進(jìn)行了研究.

上述研究為認(rèn)識(shí)滲透壓力對(duì)巖石破壞強(qiáng)度和變形特性的影響奠定了基礎(chǔ).但目前，絕大多數(shù)研究都是利用三軸試驗(yàn)?zāi)M滲透水對(duì)巖石變形特性的影響，而單軸條件下滲透水對(duì)巖石變形特性的影響的研究仍然較少.對(duì)于淺埋隧道而言，其開挖面附近巖石受力情況近似于單軸壓縮，而單軸與三軸條件下巖石的受力及變形特性截然不同.因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文利用自主研發(fā)的滲透壓加載系統(tǒng)對(duì)灰?guī)r試件進(jìn)行加壓注水，并設(shè)計(jì)合理的單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)注水試件進(jìn)行加載，同時(shí)采集聲發(fā)射和應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，最后通過對(duì)比、分析闡述灰?guī)r的變形特性.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

試驗(yàn)選取位于貴陽市麥西隧道進(jìn)口區(qū)的灰?guī)r作為試驗(yàn)材料.通過水刀切割技術(shù)取得邊長(zhǎng)為300 mm的立方體灰?guī)r巖塊，并根據(jù)每個(gè)巖塊的完整性的不同，通過鉆取、切割打磨等工序制備成5～7個(gè)灰?guī)r試件.國際巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程要求：試件端面不平行度小于0.02 mm，圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件高徑比為2:1.故本研究將試件加工為直徑50 mm，高度100 mm，端面不平行度滿足要求的圓柱形試件.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用西安力創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的600 kN型微機(jī)控制電液伺服巖石剛性試驗(yàn)機(jī)作為加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有應(yīng)力控制和應(yīng)變控制兩種加載方式，最大試驗(yàn)力為600 kN，試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差±1%，最大加載速度可達(dá)到70 mm/min.

試驗(yàn)利用自主研發(fā)的高滲透水壓力裝置進(jìn)行注水，可實(shí)現(xiàn)滲透水壓力加載系統(tǒng)與伺服加載系統(tǒng)的耦合.滲透水壓力系統(tǒng)采用單泵缸控制，可實(shí)現(xiàn)恒壓力或恒流量的滲透壓加載效果，其組成如圖1所示.

圖1 適用于單軸壓縮試驗(yàn)的滲透水壓力系統(tǒng)Fig.1 Osmotic pressure system uniaxial compression test

1.3 試件準(zhǔn)備

(1)飽水

本實(shí)驗(yàn)采用抽真空法強(qiáng)制飽水，在-0.98個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力環(huán)境下抽氣飽水48 h.由于巖樣屬于低孔隙率的灰?guī)r，天然狀態(tài)下的孔隙率僅為1.4%左右，在飽水過程中，水-巖物化反應(yīng)導(dǎo)致孔隙率明顯增加，強(qiáng)制飽水48 h后孔隙率增大趨勢(shì)基本停滯.將試件取出烘干，測(cè)量干密度并進(jìn)行成分分析后，重新強(qiáng)制飽水8 h，并用保鮮膜進(jìn)行封存，防止水分流失.

(2)烘干

將標(biāo)準(zhǔn)試件置于108 ℃的烘箱中，持續(xù)烘干36 h測(cè)其質(zhì)量損失量記為m1，然后再烘干12 h測(cè)其質(zhì)量損失量記為m2，當(dāng)m2/m1≤0.1時(shí)，認(rèn)為巖石完全干燥；否則，將之前所測(cè)質(zhì)量損失量之和記為m1，再烘干12 h后，測(cè)質(zhì)量損失量記為m2，并比較m2/m1是否小于等于0.1，以此類推.當(dāng)巖石完全烘干后，求巖石干密度并進(jìn)行波速測(cè)定.

1.4 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)研究目的在于不同滲透壓力作用下灰?guī)r的單軸壓縮破壞特性，因此，對(duì)4組試件分別進(jìn)行0 MPa、2 MPa、4 MPa和6 MPa滲透壓力注水.

實(shí)驗(yàn)可以分為以下4步進(jìn)行：(1)利用環(huán)氧樹脂將注水端與飽水后的試件頂端相連，防止?jié)B透水從接縫中流出，并在試件側(cè)表面涂止水劑防止水從試件側(cè)表面滲出，其效果圖如圖2所示；(2)將送水端與注水端和滲透壓力加載裝置相連，利用滲透壓力加載裝置以4 MPa/min的速率加壓至設(shè)計(jì)值后恒壓72 h，然后進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)；(3)在試件底端涂潤(rùn)滑劑，并利用伺服試驗(yàn)機(jī)以2 kN/s的速率對(duì)灰?guī)r進(jìn)行加載直至破壞；(4)加載過程中利用環(huán)向引伸計(jì)及聲發(fā)射裝置采集加載過程中的徑向變形和AE活動(dòng)，得到試件閉合應(yīng)力、損傷應(yīng)力和峰值應(yīng)力.

圖2 試件連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen connection

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

灰?guī)r試件的破壞形式和峰值應(yīng)力如表1所示，由表1可知，除個(gè)別試件具有較大離散性以外，其余同組試件峰值應(yīng)力基本相同，破壞形式均以劈裂為主.

試件A1強(qiáng)度明顯低于同組其他試件，這是由于試件表面存在較大初始裂縫，且裂縫方向與水平方向夾角較大，加載時(shí)裂縫沿初始裂縫方向發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致峰值應(yīng)力降低，試件發(fā)生剪切破壞.

排除離散性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，飽水灰?guī)r在2 MPa、4 MPa和6 MPa滲透壓力下的平均峰值應(yīng)力為56.70 MPa、41.92 MPa和41.46 MPa，相較于無滲透壓力下的平均峰值應(yīng)力分別下降了21%、41%和42%.

表1 不同滲透壓力下灰?guī)r試件峰值應(yīng)力與破壞形式

2.1 裂隙變化情況

由電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果可知(見圖3)，灰?guī)r試件在無滲透壓力條件下注水72 h后，裂隙依然較小(圖3(a))，當(dāng)電鏡掃描鏡頭放大倍率為800倍時(shí)，才可觀察到部分地方有較短的裂隙，且裂縫深度較小；但隨著滲透壓力的增加，灰?guī)r內(nèi)部的裂隙進(jìn)一步發(fā)展，裂隙數(shù)量有所增加，且寬度逐漸增大，裂隙趨于貫通；尤其當(dāng)滲透水壓力增大至6 MPa時(shí)(圖3(b))，試件裂縫明顯增大，僅在60倍的放大倍率下即可清楚的觀察到裂隙的存在，裂隙基本呈貫通裂隙，其裂縫寬度也較0 MPa時(shí)有明顯提高.

圖3 灰?guī)r試件注水后電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 SEM results of limestone specimen following the water injection

2.2 強(qiáng)度及變形特征

前人的研究[11-13]表明，巖石在單軸壓縮過程中存在明顯的階段性，其變形過程大概可分為五個(gè)階段：壓密階段、彈性階段、裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展階段和破壞階段.

圖4給出了具有代表性的試件A2、B2、C3和D1單軸壓縮全過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表2給了出其特征強(qiáng)度值，分析圖4和表2.

圖4 不同滲透壓力下灰?guī)r單軸壓縮全過程應(yīng)力與變形曲線Fig.4 Stress and deformation curves of limestone under uniaxial compression by different osmotic pressure

巖石編號(hào)閉合應(yīng)力σa/MPa損傷應(yīng)力σf/MPa峰值應(yīng)力σc/MPa(σa/σf)/%(σa/σc)/%A211.3551.3669.7922.1016.26B210.5153.7555.5419.5518.92C39.8727.8245.3635.4821.76D110.7829.0540.1937.1126.82

注：損傷應(yīng)力為振鈴計(jì)數(shù)突增時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；閉合應(yīng)力為壓密階段結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力[14].

壓密階段：飽水后巖石的內(nèi)部孔隙直接影響了巖石試件的壓密變形量，隨著滲透壓力的增加，巖石孔隙內(nèi)的滲透水與巖石發(fā)生物化反應(yīng)的活性隨之增加，巖石溶蝕量增加，內(nèi)部孔隙增大，從而導(dǎo)致巖石試件的壓密變形量增大.在此階段內(nèi)，雖然4 MPa滲透壓力下的壓密變形小于2 MPa滲透壓力下的變形(究其原因是飽水后巖石的內(nèi)部孔隙由巖石飽水前的初始孔隙和飽水對(duì)巖石產(chǎn)生的損傷組成，在滲透壓力較小時(shí)，滲透水對(duì)灰?guī)r內(nèi)部產(chǎn)生的損傷影響較小，因此巖石壓密變形量主要由巖石飽水前的初始孔隙控制)，但總體而言，隨著滲透壓力的增加巖石的壓密階段變形量成增長(zhǎng)趨勢(shì)，D1試件相較于A2試件，其壓密變形量增加了一倍以上(見圖4(a))；與此同時(shí)，各試件的閉合應(yīng)力基本位于9.87～11.35 MPa，這說明不同的滲透壓力雖然對(duì)灰?guī)r的壓密變形量有較大影響，但對(duì)灰?guī)r閉合應(yīng)力的影響卻十分微小.

彈性變形階段：在彈性階段，無滲透壓力和低滲透壓力(2 MPa)對(duì)飽水灰?guī)r的彈性模量影響很小，二者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率基本一致，這是由于在灰?guī)r試件飽水時(shí)，已經(jīng)有部分劣化反應(yīng)發(fā)生，且較低的滲透壓力下，水-巖物化反應(yīng)活性較低，水對(duì)巖石劣化程度十分微弱，因此劣化反應(yīng)量較無滲透壓力時(shí)幾乎不變.但隨著滲透壓力的增加，水-巖物化反應(yīng)活性大大提高，水對(duì)灰?guī)r的劣化愈發(fā)明顯，灰?guī)r的體應(yīng)變和彈性模量均有較大變化，由圖4(a)可以看出，當(dāng)滲透壓力達(dá)到4 MPa時(shí)，灰?guī)r彈性模量明顯降低.

裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段：在單軸壓縮過程中，隨著軸向應(yīng)力的增加巖石的體積變形開始由體縮轉(zhuǎn)為體脹，則說明巖石已經(jīng)進(jìn)入了裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此時(shí)巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生裂隙并逐漸擴(kuò)展.為了避免不同試件自身的初始孔隙對(duì)結(jié)果的影響，本文引入閉損比的概念，即閉合應(yīng)力與損傷應(yīng)力之比.由表2可知，隨著滲透壓力的增加，試件的閉損比呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這說明巖石進(jìn)入裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段的損傷應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，相較于A2而言，D1的閉損比增加了約67.9%；與此同時(shí)，由圖4(b)可知，隨著滲透壓力的增大，灰?guī)r的裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段逐漸縮短，并很難從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中分離出來，當(dāng)滲透壓力達(dá)4 MPa時(shí)，巖石在彈性階段完成后，迅速進(jìn)入裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，巖石由體縮變?yōu)轶w脹的過程非常短暫.

裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展階段：同樣，為了避免試件初始孔隙對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究再引入閉峰比的概念(巖石的閉合應(yīng)力與峰值應(yīng)力之比).由表2可知隨著滲透壓力的增加，灰?guī)r的閉峰比也呈上升趨勢(shì)，相較于A2試件，D1的閉峰比上升了約64.9%，這說明相同的初始孔隙比條件下，隨著滲透壓力的增加灰?guī)r的峰值應(yīng)力呈下降趨勢(shì)；由圖4可知，灰?guī)r試件單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈波動(dòng)式上升，這一現(xiàn)象說明巖石單軸壓縮破壞實(shí)際上是巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，而滲透水壓力加速了巖石裂紋擴(kuò)展，波動(dòng)式上升是巖石內(nèi)部能量累積-釋放交替的過程.

2.3 聲發(fā)射特性

試件在進(jìn)入裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展階段以前振鈴計(jì)數(shù)和能量累積均處于較低水平(稱為平靜期)，當(dāng)灰?guī)r試件達(dá)到起裂應(yīng)力時(shí)，巖石AE活動(dòng)愈加頻繁，能量釋放量突然上升，聲發(fā)射特性進(jìn)入活躍期.

本研究除了進(jìn)行灰?guī)r的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，還對(duì)不同滲透壓力下灰?guī)r聲發(fā)射特性進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)(見圖5)：相較于高滲透壓條件下的聲發(fā)射特性，低滲透壓作用下的聲發(fā)射特性更為活躍，這與應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析相呼應(yīng).由于灰?guī)r試件在飽水過程中受到先期劣化作用導(dǎo)致飽水巖石壓縮過程中微裂縫發(fā)育更加充分，但滲透水壓力較低時(shí)，劣化后的灰?guī)r試件對(duì)滲透水壓力變化的響應(yīng)不明顯；與此同時(shí)，較高的滲透水壓力對(duì)微裂縫尖端處奇異場(chǎng)分布的影響，也會(huì)導(dǎo)致巖石儲(chǔ)備變形勢(shì)能的能力降低，從而提前進(jìn)入裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展階段.

圖5 不同試驗(yàn)條件下灰?guī)r試件聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Acoustic emission test results of limestone under different experimental conditions

綜上可知，無論從裂隙變化情況、強(qiáng)度及變形特性還是聲發(fā)射結(jié)果來看，其表現(xiàn)規(guī)律都是相同的：隨著滲透水壓力的增加，水-巖物化反應(yīng)活性升高，反應(yīng)速率增大，灰?guī)r試件的劣化情況愈發(fā)明顯，灰?guī)r強(qiáng)度逐漸降低，6 MPa滲透壓力下的峰值應(yīng)力相較于無滲透水壓力下的峰值應(yīng)力下降了近50%.

3 結(jié)論

(1)隨著滲透壓力的增加，灰?guī)r的壓密階段延長(zhǎng)，彈性階段和裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段明顯縮短，當(dāng)滲透壓力達(dá)到6 MPa時(shí)，彈性階段和裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段基本無法分離；

(2)本文建立了閉損比和閉峰比的概念，以減小不同試件初始裂隙對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，研究發(fā)現(xiàn)：隨著滲透壓力的增加，巖石的閉損比和閉峰比均有較大程度上升，其最大升幅分別達(dá)到了67.9%和64.9%；與此同時(shí)，巖石的彈性模量和體積模量也隨著滲透壓力的增加出現(xiàn)了不同程度的降低；

(3)滲透水對(duì)灰?guī)r的影響機(jī)制主要有兩方面：一方面，滲透水通過加大巖石內(nèi)部的孔隙分布降低巖石顆粒間的結(jié)構(gòu)性，使巖石的材料性能產(chǎn)生劣化；另一方面，滲透壓力改變了微裂縫尖端處奇異場(chǎng)的分布，在微裂縫尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致巖石起裂應(yīng)力降低.