徐鴻彪，劉漢香，別鵬飛

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

巖體在地震動(dòng)荷載作用下的疲勞損傷和破壞往往是地震誘發(fā)深層巖質(zhì)滑坡和震裂斜坡在震后強(qiáng)降雨等影響下出現(xiàn)滑坡、泥石流等災(zāi)害的主要原因之一。近些年來(lái)，隨著國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入和“一帶一路”建設(shè)的陸續(xù)推進(jìn)，將有更多大型工程(如川藏鐵路)穿越地質(zhì)構(gòu)造活躍、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地震烈度高和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，地震作用下復(fù)雜斜坡的動(dòng)力穩(wěn)定性問題也將日益突出[1]。為了更好地理解地震滑坡的觸發(fā)機(jī)制，研究其組成材料巖石在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)特性至關(guān)重要。

室內(nèi)循環(huán)加卸載試驗(yàn)是目前開展巖石動(dòng)力學(xué)特性研究的主要手段。許多學(xué)者對(duì)循環(huán)加卸載過程中巖體的力學(xué)特性進(jìn)行了研究和總結(jié)[2-7]。LI等[8]通過一系列試驗(yàn)研究了在加卸載條件下巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，探討了尺寸效應(yīng)對(duì)巖石彈性模量和泊松比等參數(shù)的影響。汪泓等[9]通過對(duì)砂巖試件進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，得出兩種不同應(yīng)力路徑下砂巖的彈性模量均呈增大趨勢(shì)。蘇承東等[10]對(duì)不同晶粒的大理巖進(jìn)行了單軸壓縮循環(huán)加卸載試驗(yàn)，結(jié)果表明循環(huán)加卸載條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線包絡(luò)線與單調(diào)加載條件下相一致。李曉彤等[11]對(duì)自然和飽水狀態(tài)下的石膏進(jìn)行單軸壓縮下循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，探討了石膏內(nèi)部裂紋壓密及擴(kuò)展與滯回環(huán)面積的關(guān)系。李浩等[12]開展了在不同圍壓和不同偏應(yīng)力條件下致密砂巖的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，分析了加卸載階段的巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線及滯回環(huán)演化規(guī)律。姚吉康等[13]通過對(duì)花崗巖開展單軸和三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究了不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征和巖樣的破壞模式。朱明禮等[14]研究了不同頻率下花崗巖動(dòng)應(yīng)變-應(yīng)力滯回曲線、動(dòng)彈性模量和阻尼比同循環(huán)頻率之間的關(guān)系。在上述研究中，主要是基于單軸壓縮試驗(yàn)，考慮了巖石不同初始狀態(tài)和尺寸效應(yīng)等條件對(duì)巖石力學(xué)特性(彈性模量、泊松比等)的影響；研究了巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化規(guī)律；從形態(tài)特征等角度研究了滯回曲線的演化。部分研究考慮了圍壓和振動(dòng)頻率等載荷參數(shù)對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線、滯回圈特征和其它各項(xiàng)力學(xué)特性參數(shù)的影響。

綜上，目前關(guān)于各類巖石在循環(huán)加卸載條件下的試驗(yàn)研究已有很多，不過，主要集中在單軸壓縮或者三軸等幅循環(huán)加卸載條件下脆性巖石(砂巖、大理巖、花崗巖等)的疲勞變形破壞特征、阻尼特性和能量演化及分配等方面，對(duì)于巖石在較復(fù)雜動(dòng)荷載作用下(如地震作用)的力學(xué)響應(yīng)行為研究尚不充分。本研究旨在探究不同類型巖石在復(fù)雜動(dòng)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)特性。由于目前試驗(yàn)設(shè)備在實(shí)現(xiàn)中等應(yīng)變率加載方面的困難，本試驗(yàn)對(duì)擬研究的地震荷載進(jìn)行了較大的簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)而開展巖樣在三軸多級(jí)循環(huán)加卸載條件下的力學(xué)響應(yīng)特性研究。在這個(gè)加載過程中，應(yīng)力水平隨時(shí)間逐漸增加，以模擬實(shí)際地震作用過程中振幅隨時(shí)間變化的特征。限于篇幅，本文僅對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中2種巖石的應(yīng)力應(yīng)變特性(包括曲線特征、殘余應(yīng)變和滯回圈)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)采用白云巖樣和千枚巖樣。所有巖樣均取自四川省廣元市青川縣東河口滑坡區(qū)。該滑坡是2008年汶川地震在一層狀復(fù)合巖體斜坡內(nèi)觸發(fā)的巨型高位遠(yuǎn)程滑坡碎屑流，滑體體積達(dá)到1×107m3。按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50266—2013)將巖樣加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣(Ф50 mm×100 mm)，并對(duì)其兩端及側(cè)面進(jìn)行了仔細(xì)研磨，不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。為了盡量保持各試樣特性的一致性，同一組試樣都是從同一巖塊中鉆取而得，如圖1所示。根據(jù)巖樣薄片鏡下鑒定結(jié)果，白云巖成分主要為白云石(82%)、黏土質(zhì)(15%)、云母(<1%)和磁鐵礦(1%～2%)；千枚巖成分主要為絹云母(70%)、石英(15%)、黑云母(10%)和磁鐵礦(<5%)。兩種巖體都含初始缺陷：從圖1(a)可知，白云巖樣表面均發(fā)育有一些細(xì)小孔洞，孔徑小于1.0 mm，同時(shí)還可見多條不等寬的微裂隙和細(xì)脈，脈內(nèi)主要充填石英；從圖1(b)可知，千枚巖樣除了B03發(fā)育有一條斜向巖脈，其余兩個(gè)巖樣的完整性較好，鏡下鑒定結(jié)果顯示千枚狀構(gòu)造和皺紋構(gòu)造。

圖1 試驗(yàn)巖樣及薄片鏡下鑒定結(jié)果Fig.1 Rock samples and microscopic identification results of thin section

由此可見，盡管每組試樣均取自同一巖塊，但它們?cè)诔跏冀Y(jié)構(gòu)上的不同必然導(dǎo)致力學(xué)特性上的差異性。經(jīng)密度測(cè)試后得白云巖和千枚巖的平均密度分別為2 648.3 kg/m3和2 629.1 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在MTS-815 Flex Test GT巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，該系統(tǒng)可以在應(yīng)力或應(yīng)變控制模式下運(yùn)行(圖2)。該設(shè)備由三部分組成：軸向動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)和數(shù)字控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。第三部分可以在試驗(yàn)過程中同時(shí)測(cè)量載荷、應(yīng)力、位移和應(yīng)變，并在計(jì)算機(jī)上同時(shí)顯示應(yīng)力—應(yīng)變和載荷—位移曲線。加載系統(tǒng)框架剛度為10.5×109N/m，軸向加荷范圍為0 ～ 4 600 kN，圍壓范圍為0 ～ 140 MPa。振動(dòng)頻率大于5 Hz。振動(dòng)波形可以是正弦波、三角波、方波、斜波和隨機(jī)波。振動(dòng)的相位差可以任意設(shè)置為0 ～ 2π。巖石試樣由于加載而產(chǎn)生的軸向變形由線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)測(cè)量，測(cè)量范圍為-2.5 ～+2.5 mm。環(huán)向變形在本試驗(yàn)中沒有測(cè)量。

圖2 MTS-815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 MTS-815 Flex Test GT rock mechanics test system

1.3 試驗(yàn)加載方案

在恒定圍壓10.0 MPa和恒定加載頻率2.0 Hz的條件下，對(duì)圖1中的兩組試樣依次進(jìn)行多級(jí)應(yīng)力水平下的循環(huán)加卸載試驗(yàn)。加載波形為正弦波。在每次測(cè)試開始時(shí)，在力控制模式下對(duì)巖樣施加一個(gè)小的預(yù)壓力，以便使巖樣兩端與加載板緊密接觸。隨后，按照?qǐng)D3所示的方法對(duì)巖樣施加多級(jí)軸向壓應(yīng)力，直至巖樣破壞。每級(jí)壓應(yīng)力的加載過程包括兩部分：首先為恒定速率20 kN/min的單調(diào)加載，直到達(dá)到循環(huán)加載的上限應(yīng)力(σmax)，然后在給定的振幅和頻率下進(jìn)行60次正弦波加載。隨著加載級(jí)數(shù)的增加，上限應(yīng)力(σmax)和平均軸向應(yīng)力(σm)也相應(yīng)地增加，而下限應(yīng)力(σmin)保持在恒定值。重復(fù)以上的步驟，直至完成6個(gè)巖樣的加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)巖樣破壞前所接受的總加載級(jí)數(shù)、破壞時(shí)軸向應(yīng)變、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度等結(jié)果如表1所示。

圖3 三軸多級(jí)循環(huán)加卸載過程示意圖(B02)Fig.3 Sketches of triaxial multi-stage cyclic loading and unloading process(B02)

表1 三軸多級(jí)循環(huán)加載條件及試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Summary of triaxial multi-stage cyclic loading conditions and test results

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征

圖4(a)為3個(gè)白云巖樣在多級(jí)循環(huán)加載下的完整軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線?？蓪r樣的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)過程按三階段進(jìn)行分析。第一階段為循環(huán)加載前的單調(diào)加載過程。在這一階段，3個(gè)白云巖樣的應(yīng)力—應(yīng)變過程曲線相似，斜率接近，表明巖樣雖然初始結(jié)構(gòu)有差異，但仍具有相似的彈性響應(yīng)特征。第二階段從第一個(gè)周期的正弦波加載開始到最后一個(gè)周期結(jié)束。在每級(jí)循環(huán)加載的中后期，在一個(gè)循環(huán)周次內(nèi)，加載段產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?cè)谛遁d段不能完全恢復(fù)，即產(chǎn)生了殘余應(yīng)變。加載和卸載過程中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線在每個(gè)循環(huán)中形成了一個(gè)滯回圈。第三階段為當(dāng)軸向應(yīng)力不斷增大到峰值應(yīng)力(σp)時(shí)，巖樣發(fā)生破壞，應(yīng)力開始下降。從峰值后的應(yīng)力—應(yīng)變曲線來(lái)看，D01和D03試樣的峰后應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈緩慢下降趨勢(shì)，最終達(dá)到相同的殘余強(qiáng)度(σcr)，而D02試樣則迅速下降，殘余強(qiáng)度相比其余2個(gè)試樣低得多。

圖4 兩種巖樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of two types of rock samples

圖4(b)為3個(gè)千枚巖樣在多級(jí)循環(huán)加載下的完整軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線。按照前述的三階段分析思路，千枚巖樣的應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)過程表現(xiàn)出顯著的個(gè)體化差異，應(yīng)與巖樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造差異有關(guān)。3個(gè)巖樣在第一階段的曲線不重合，一方面與該階段的應(yīng)力加載過程有關(guān)(B01和B02的單調(diào)加載時(shí)間長(zhǎng)于B03)，另一方面也體現(xiàn)了巖樣之間彈性常數(shù)的差異。不僅如此，3個(gè)巖樣的峰后段差異也較大。除了B01表現(xiàn)出了穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度特征以外，B02在巖樣出現(xiàn)多條貫通的宏觀裂隙后，仍表現(xiàn)出很高的承載能力，未出現(xiàn)應(yīng)力下降的情況。試驗(yàn)過程中提前結(jié)束了對(duì)B02的加載，導(dǎo)致其未獲得完整的應(yīng)力—應(yīng)變過程曲線。B03則出現(xiàn)粉碎性破壞，未獲得破壞后的完整試件。兩組巖樣的最終破壞特征如圖5所示。從保留完整的巖樣來(lái)看，兩種巖石在經(jīng)過多級(jí)循環(huán)加卸載作用后，都呈現(xiàn)出明顯的剪切破壞特征，剪切面粗糙，D03白云巖樣出現(xiàn)“X”型共軛剪切面。

圖5 兩種巖樣的最終破壞特征Fig.5 Final failure characteristics of two types of rock samples

已有的研究表明，巖石的疲勞強(qiáng)度值與加載條件(即加載頻率、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值和圍壓)和巖石材料類型密切相關(guān)，且循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度低于非循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度[2-4]。從表1可知，與靜態(tài)壓縮強(qiáng)度(σc)相比，經(jīng)過多級(jí)循環(huán)加載后的白云巖試樣和千枚巖試樣的峰值強(qiáng)度分別降低了29.8%～39.9%和32.5%～45.2%，表現(xiàn)出了不同程度的疲勞破壞特性。

2.2 殘余應(yīng)變特征

圖6(a)給出了白云巖樣的累積殘余應(yīng)變隨著循環(huán)周次增加的變化規(guī)律。從圖中可知，每級(jí)循環(huán)加載下產(chǎn)生的累積殘余應(yīng)變與循環(huán)周次存在較好的線性關(guān)系。對(duì)每個(gè)巖樣而言，當(dāng)前兩級(jí)加載結(jié)束后，殘余應(yīng)變僅表現(xiàn)出一個(gè)很小的或零增量，說(shuō)明了巖樣在此階段仍處于黏彈性響應(yīng)階段。在隨后的幾級(jí)加載中，累積殘余應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加而略有增加。在破壞前的最后一個(gè)循環(huán)加載階段，殘余應(yīng)變迅速增加。累積殘余應(yīng)變的這種變化特征也從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了應(yīng)力幅值對(duì)軸向應(yīng)變積累的影響。隨著應(yīng)力幅值的增加，應(yīng)變?cè)隽拷?jīng)歷了“穩(wěn)定”→“小增長(zhǎng)”→“快速增長(zhǎng)”的變化過程。然而，在本試驗(yàn)中，由于循環(huán)周次增加和應(yīng)力幅值增加同步進(jìn)行，無(wú)法區(qū)分到底哪一種參數(shù)的影響更大。

圖6 兩種巖樣的累積殘余應(yīng)變變化特征Fig.6 Cumulative residual strain versus cycle number of two types of rock samples

圖6(b)給出了千枚巖樣的累積殘余應(yīng)變隨著循環(huán)周次增加的變化規(guī)律。由于較大的巖樣個(gè)體差異，3個(gè)千枚巖樣的累積殘余應(yīng)變變化特征均不同。B01表現(xiàn)出了與白云巖樣相似的特征。B02和B03在加載結(jié)束后，都未測(cè)到累積殘余應(yīng)變的明顯變化，而實(shí)際上巖樣已經(jīng)發(fā)生了破壞。由此也表明，對(duì)于含初始缺陷的嚴(yán)重非均質(zhì)化的巖體，較難從累積殘余應(yīng)變的變化規(guī)律中獲得巖體動(dòng)力變形破壞的前兆信息。

2.3 回滯環(huán)特征

圖7(a)給出了白云巖樣在每個(gè)循環(huán)加載階段的應(yīng)力應(yīng)變回滯環(huán)曲線，分別對(duì)應(yīng)1、30和最后一個(gè)循環(huán)數(shù)。從圖中可知，在同一加載階段，回滯環(huán)的形狀和面積差異較小，說(shuō)明在同一應(yīng)力水平下，短期的有限循環(huán)加載對(duì)巖石材料的損傷(即殘余塑性變形和能量耗散)沒有顯著影響。當(dāng)上限應(yīng)力和平均應(yīng)力逐漸增大時(shí)，3個(gè)試樣的回滯環(huán)均發(fā)生了顯著變化，環(huán)的高度、開口寬度和面積均增加。在前兩級(jí)，回滯環(huán)相互重疊并閉合，殘余軸向應(yīng)變很小。當(dāng)應(yīng)力水平進(jìn)一步增大時(shí)，回滯環(huán)向應(yīng)變?cè)龃蠓较蛞苿?dòng)，且重疊較少，加載—卸載曲線不再閉合。隨著開口寬度的逐漸增大，試樣中發(fā)生殘余應(yīng)變的積累，由于微觀裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致能量耗散增加。環(huán)的開口寬度的變化揭示了巖石材料在低應(yīng)力水平循環(huán)加載時(shí)表現(xiàn)出黏彈性響應(yīng)，在高水平循環(huán)加載時(shí)表現(xiàn)出黏彈塑性響應(yīng)。無(wú)論應(yīng)力水平多大，所有回滯環(huán)都具有相似的窄尖葉形狀。在加載過程中，應(yīng)力和應(yīng)變是逐漸變化的，應(yīng)力—應(yīng)變曲線為直線。在加載與卸載的過渡階段，曲線迅速逆轉(zhuǎn)，表明彈性應(yīng)變迅速恢復(fù)；卸載過程中出現(xiàn)了相對(duì)于應(yīng)力的小應(yīng)變滯后現(xiàn)象，應(yīng)力—應(yīng)變曲線為上凹形。圖7(b)給出了千枚巖樣在每個(gè)循環(huán)加載階段的應(yīng)力應(yīng)變回滯環(huán)曲線，分別對(duì)應(yīng)1、30和最后一個(gè)循環(huán)數(shù)。對(duì)比圖7(a)和7(b)，千枚巖樣回滯環(huán)的形狀與白云巖樣的相似。但是，B02和B03巖樣在高應(yīng)力水平作用下，不同循環(huán)次數(shù)的回滯環(huán)仍緊密重疊在一起，與圖6(b)所觀察到的微小累積殘余應(yīng)變?cè)隽坑嘘P(guān)。

圖7還給出了兩種巖樣在每級(jí)循環(huán)加載階段滯回環(huán)的平均面積隨應(yīng)力幅值增加的變化情況。從能量的角度，回滯環(huán)的面積大小反映了巖樣在受力過程中能量耗散的多少。從圖中可知，隨著應(yīng)力幅值的增加，滯回線面積呈單調(diào)增大趨勢(shì)，且前期增速較緩，后期增速變大。以千枚巖樣為例，當(dāng)應(yīng)力幅值從7.5 MPa增加到22.5 MPa時(shí)，B01試樣的滯回環(huán)面積比初始階段增加了7.5倍。當(dāng)應(yīng)力幅值從7.5 MPa增加到27.5 MPa時(shí)，B03試樣的滯回環(huán)面積比初始階段增加了9.5倍。當(dāng)應(yīng)力幅值從7.5 MPa增加到37.5 MPa時(shí)，B02試樣的滯回環(huán)面積是初始階段的14.2倍。在相近的應(yīng)力水平作用下，千枚巖樣的滯回環(huán)面積要略大于白云巖樣，表明千枚巖由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷而耗散的能量更大。

圖7 兩種巖石試樣的回滯環(huán)特征Fig.7 Hysteresis loop characteristics of two types of rock samples

3 結(jié)論

本研究采用從某一地震滑坡區(qū)采集的白云巖樣和千枚巖樣，開展了三軸多級(jí)循環(huán)加卸載作用下的巖體力學(xué)特性研究，并著重分析了兩種巖石的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)特征。主要研究結(jié)論如下：

1)當(dāng)巖樣受到較高應(yīng)力水平作用時(shí)，在該級(jí)循環(huán)加載的中后期，在一個(gè)循環(huán)周次內(nèi)，將產(chǎn)生一定量的殘余應(yīng)變。殘余應(yīng)變的大小與巖性及巖體初始結(jié)構(gòu)有關(guān)。加載和卸載過程中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線在每個(gè)循環(huán)中形成了一個(gè)滯回環(huán)。

2)循環(huán)周次和應(yīng)力幅值的疊加效應(yīng)使得累積殘余應(yīng)變?cè)隽拷?jīng)歷了“穩(wěn)定”→“小增長(zhǎng)”→“快速增長(zhǎng)”的變化過程。千枚巖樣的規(guī)律性要弱于白云巖樣。

3)與靜態(tài)壓縮強(qiáng)度相比，經(jīng)過多級(jí)循環(huán)加載后，白云巖試樣和千枚巖試樣的峰值強(qiáng)度分別降低了29.8%～39.9%和26.8%～40.8%，表現(xiàn)出了不同程度的疲勞破壞特性。

4)當(dāng)上限應(yīng)力和平均應(yīng)力逐漸增大時(shí)，巖樣的回滯環(huán)將發(fā)生較明顯的變化，環(huán)的高度、開口寬度和面積均增加，預(yù)示了巖樣內(nèi)部耗散能量的增加。在相近的應(yīng)力水平作用下，千枚巖樣的平均耗散能要大于白云巖樣。