大理巖巖體力學特性的水壓－應力耦合試驗研究

徐明明，徐 進，任浩楠，楊昊天，何雅琴

(四川大學 水利水電學院，成都 610065)

1 研究背景

天然巖體中存在著空隙(孔隙和裂隙)，當這些空隙中存在水流時，主要是裂隙中的靜水壓力和動水壓力對巖體力學特性有重大影響。特別是一些大型水利水電工程建成蓄水后，巖體中的水壓力和應力條件發生變化，必然引起巖體力學性質的改變，研究其變化規律，有利于工程的長期安全運營。

近年來，對于大理巖強度和變形特性的試驗研究取得了很多成果［1－5］。徐松林等［1］對大理巖進行等圍壓三軸壓縮和峰前、峰后卸圍壓試驗，得到三軸壓縮全過程和峰前、峰后全過程;楊圣奇等［2－3］對大理巖進行常規三軸試驗，研究了大理巖的強度和變形特性;高春玉等［4－5］對大理巖進行了加卸載條件下的三軸試驗，揭示了大理巖的加卸載力學特性。但是對于大理巖巖體的試驗還非常少見。關于水對巖體的影響方面的研究也取得了一些相關成果［6－9］，尹健等［6］通過結構面抗剪強度試驗，研究了水對結構面抗剪強度的弱化作用;閻巖等［7］采用滲流-流變耦合的試驗方法，研究了不同應力及水壓作用下石灰巖的流變力學特性;陳瑜等［8－9］開展了水－巖作用下裂隙巖體力學性質及滲流場與應力場耦合研究。但就水壓與圍壓對巖體力學特性影響的研究，僅近幾年有個別數字模擬研究成果［10－12］，還鮮有見到這方面的試驗研究。

本文首先對大理巖通過三軸壓縮試驗制備巖體相似試件，然后進行水壓-應力耦合三軸壓縮試驗研究，試驗方法及試驗數據整理均參照相關標準及規程［13－14］，并通過試驗結果的比較、分析，期望揭示大理巖巖體在不同水壓、不同圍壓條件下的強度、變形特性及其參數的變化規律與范圍。

2 試驗方案及試驗條件

2.1 試件制備

采用現場采取的同巖性巖樣制備6個試件，尺寸為?50 mm×100 mm，為保證水能夠在試件中的破裂網絡中滲流，采用鉆孔法在試件兩端面各自鉆一個鉆孔，孔徑5 mm，孔深80～90 mm。2個鉆孔布置在通過中軸線的一個面上，2孔心間距為30 mm(圖1)。其目的是使水通過進口端小孔進入試件，并通過試件中的裂隙網絡流向出口小孔，以保證在巖體試件中形成滲流場。

2.2 試驗設備

為保證試驗的準確控制和精確測量，試驗在四川大學MTS815 Flex Test GT巖石力學試驗機上進行，該設備可進行水壓-應力耦合三軸壓縮全過程測試，圍壓最大可達140 MPa，水壓最大可達140 MPa。

圖1 試樣制備示意圖Fig.1 Sketch of preparing specimens

2.3 試驗方案及方法

采用三軸壓縮全過程試驗，為研究圍壓效應，制備6 個試件分別采用 5，10，15，20，25，30 MPa 的圍壓;每個試件按1，2，3，4 MPa逐級升高水壓。具體試驗分下述4個階段進行。

第一階段:采用60～100 MPa圍壓三軸壓縮全過程試驗，(其試驗程序按規程規定進行，此處不予贅述。)以模擬大理巖巖體的形成過程。

第二階段:將圍壓逐漸降低到后續試驗所需要的圍壓，然后按國標及規程要求的速率加載到即將屈服時轉為側向應變控制，至應力-應變曲線轉平后結束，以獲得天然狀態下破裂巖體變形參數與強度參數。

第三階段:保持圍壓與初始軸壓，向巖體試件滲透水流進口端施加滲透水壓1 MPa，出口端排氣，待試件中空氣完全排除后關閉出口閥門，并監測進、出口端水壓差，直到水壓差為零，此時巖體試件飽和完成。

第四階段:按 1，2，3，4 MPa逐級升高水壓，對每級水壓下進行試驗。試驗過程先采用力控制(速率按規范要求)加載到應力差達到一定值后轉為側向應變控制，至軸向應力不隨應變增加而變化時結束;再將應力差降低到初始軸壓，水壓升高到下一級后重復試驗，直至水壓4 MPa試驗完成后結束全部試驗，以獲得水壓作用下破裂巖體變形參數與強度參數。

3 試驗結果及分析

3.1 強度特征

圖2為在60 MPa圍壓下將大理巖完整巖塊試件壓裂后的狀態，表1為大理巖巖體峰值強度試驗結果。

表1 大理巖巖體峰值強度Table 1 Peak strengths of marble rock

從表1中可以看出，大理巖巖體試驗結果具有如下2個特征:①各級圍壓的強度均以天然狀態最高，并隨水壓的升高而逐步減小;②天然狀態與各級水壓條件下的強度又均隨圍壓的升高而增大。

由這些結果可以獲得大理巖巖體天然狀態和每一級水壓下的抗剪強度參數［14］如表2所列。試驗成果整理過程中，分幾個圍壓范圍進行分析計算，以揭示強度參數與應力條件的關系，其中5～30是圍壓范圍為5 MPa 至30 MPa(包括5，10，15，20，25，30 MPa)全部6級圍壓試驗獲得的強度參數;5～15是上述圍壓范圍中的前3級圍壓(即5，10，15 MPa)試驗獲得的強度參數;并依此類推。

表2 大理巖巖體強度參數Table 2 Strength parameters of marble rock

3.1.1 強度參數的水壓效應

由表2可以看出，裂隙水壓力對大理巖巖體摩擦系數f有一定的影響，從天然狀態到水壓逐漸升高到4 MPa，f值降低了20%左右;因此可以認為，在裂隙水壓力作用下，f值相對天然狀態下會略有降低。內聚力C受空隙水壓力的影響很大，從天然狀態到水壓逐漸升高到4 MPa，C值大體呈線性降低;當裂隙水壓力達到4 MPa時，C值將有很大程度的降低。

3.1.2 強度參數的圍壓效應

由表2可以看出，圍壓對大理巖巖體強度參數f，C有一定的影響。隨著圍壓的升高強度參數的變化雖具有一定的離散性，但其總體特征還是非常明顯的，那就是摩擦系數f隨著圍壓的升高而略有減小;內聚力C隨著圍壓的升高而增大，且C值增大程度能達到2倍以上。

3.1.3 抗剪強度的水壓、圍壓效應

由于大理巖巖體的抗剪強度是由上述強度參數f，C共同決定的，因此仍采用庫侖定律將這2個參數在一定正應力(σ1=10 MPa)條件下求得抗剪強度 τs［15］，見表 3。

表3 大理巖巖體抗剪強度τs(σ1=10 MPa)Table 3 Shear strengths of marble rock τs(σ1=10 MPa)

為分析大理巖巖體抗剪強度τs隨水壓的變化規律，選取5～30 MPa范圍圍壓求得的抗剪強度τs，作τs與水壓的關系曲線如圖3。

圖3 抗剪強度τs與水壓關系曲線(圍壓5～30 MPa)Fig.3 Relation between shear strength τsand water pressure(at confining pressure 5-30 MPa)

由圖3可以看出，大理巖巖體抗剪強度τs隨著水壓的升高而基本呈線性降低，這與前面得出的結論f，C值隨著水壓的升高而降低相吻合;由表3可以看出隨著圍壓的升高大理巖巖體抗剪強度τs的變化雖具有一定的離散性，但其總體特征還是隨圍壓的升高而增大的。

3.2 變形特征

大理巖巖體水壓-應力耦合三軸壓縮試驗結果整理后獲得的變形參數［15］見表4。其中，E0為試件軸向應力峰值時的變形模量，E50為軸向應力50%峰值時的變形模量。

3.2.1 變形特性的水壓效應

為揭示大理巖巖體變形模量E0，E50隨水壓的變化規律，選取圍壓為25 MPa時，大理巖巖體在各級水壓條件下的變形模量E0與E50，以水壓為橫坐標，變形模量E為縱坐標，作變形模量E0，E50與水壓的關系曲線如圖4。

表4 大理巖巖體變形模量Table 4 Deformation moduli of marble rock

圖4 變形模量與水壓關系曲線(圍壓25 MPa)Fig.4 Relations between deformation modulus and water pressure(at confining pressure 25 MPa)

由表4及圖4可以看出，大理巖巖體變形模量E0，E50存在水壓條件下的測值高于天然狀態的情況，但水壓從1 MPa升高至4 MPa的過程中，總體上還是隨水壓升高而呈線性降低的，在4 MPa的最大水壓條件下，E0，E50相對于天然狀態分別會降低7.7%和5.9%。

3.2.2 變形參數的圍壓效應

為揭示大理巖巖體變形模量E0，E50隨圍壓的變化規律，選取天然狀態時，大理巖巖體在各級圍壓條件下的變形模量E0與E50，以圍壓σ3為橫坐標，變形模量E為縱坐標，作變形模量E0，E50與圍壓的關系曲線如圖5。

圖5 變形模量與圍壓關系曲線(天然狀態)Fig.5 Relations between deformation modulus and confining pressure(in natural state)

由表4及圖5可以看出:隨著圍壓的升高變形模量的變化雖具有一定的離散性，但總體上還是隨著圍壓的升高而增大的，在最大圍壓30 MPa條件下，E0和E50相對于5 MPa圍壓分別增大了58%和50%。

4 結論

通過對大理巖巖體進行不同裂隙水壓及不同圍壓的水壓-應力耦合試驗，可以獲得如下主要結論:

(1)裂隙水壓及圍壓對巖體的力學特性，包括強度特性與變形特性，均具有不可忽視的影響，應當引起工程，特別是高水頭工程的充分重視。

(2)大理巖巖體摩擦系數f隨水壓的升高而略為降低，內聚力C隨水壓的升高而劇烈降低。水壓從1 MPa升高至4 MPa的過程中，f值降低了20%左右，C值將大幅降低。

(3)大理巖巖體強度參數f隨圍壓的升高而略有降低，強度參數C隨圍壓的升高而增大，增大程度能達到2倍以上。

(4)大理巖巖體變形模量E0及E50隨水壓升高而減小，隨圍壓升高而增大。在最大水壓4 MPa條件下，相對于天然狀態分別降低了7.7%和5.6%;在最大圍壓30 MPa條件下，相對于5 MPa圍壓分別增大了58%和50%。

(5)本次試驗揭示了大理巖巖體力學性能及其參數的水壓效應和圍壓效應，研究方法可供同類研究借鑒，其定量成果可供今后同類工程，特別是高水頭重大工程進行類比和參數預測參考。

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