水壓力作用下三峽庫區侏羅系軟巖損傷演化特性研究*

潘永亮 簡文星 楊光輝 張海艷 張樹坡 李林均

(中國地質大學(武漢)， 武漢 430074， 中國)

0 引 言

侏羅系軟巖夾層在三峽庫區內分布廣泛，受沉積背景與地質構造的影響，該地層中含有較多的黏土礦物和微裂隙，在庫水及降雨聯合作用下，該類型軟巖夾層極易發生軟化劣化，進而產生滑坡崩塌等地質災害(簡文星等， 2005)。據統計庫區內67%的滑坡災害都發育在該地層中，目前該地層中老滑坡的復活和新滑坡的生成已經成為威脅三峽庫區穩定性的主要災害類型(李守定等， 2004； 劉虎虎等， 2019)。因此，研究水巖相互作用下三峽庫區侏羅系軟巖的損傷劣化特性對于庫岸邊坡的長期穩定性評價、預測評估危巖體的壽命具有重要的理論與現實意義。

水巖物理力學相互作用是水致巖石損傷劣化主要因素，國內外眾多學者對此已經進行了大量的研究，也取得了豐碩的成果。

水巖物理相互作用主要包括水巖干濕循環作用和飽水軟化作用兩個研究方面。在水巖干濕循環作用方面，王子娟(2016)研究了干濕循環作用下三峽庫區消落帶巖體的累積劣化機理，并建立了干濕循環作用下砂巖的累積損傷本構模型。張莉萍等(2018)對南京秦淮東河黃馬青組砂巖進行了干濕循環試驗，分析了水致巖石的劣化特征，認為多次循環后巖石的塑性特性增強，破壞速度加快。鄧華鋒等(2019)對三峽庫區消落帶砂巖也進行了系列干濕循環試驗，認為水壓力升降和干濕循環作用會對庫區軟巖造成不可逆的漸進累積損傷。Luo et al. (2018)采用水巖相互作用循環試驗，研究了庫水位波動對巖石流變性能和力學性能的影響。安陽等(2019)研究了干濕循環作用下石膏巖的劣化效應，認為隨著干濕循環次數的增加，試件裂紋數量會不斷增加，拉裂紋增加顯著。在巖石飽水軟化作用方面，段宏飛等(2012)認為巖樣浸水后內部結構的膨脹效應會使巖石發生軟化、強度降低。Bian et al. (2019)從微觀角度研究了浸泡條件下頁巖參數劣化的機理。謝小帥等(2019)從微觀的角度研究了飽水紅層軟巖的軟化機制，認為黏土礦物與水反應后所產生的不均勻應力和微孔隙會是使巖石發生軟化的主要原因之一。柳萬里等(2020)認為飽水作用會使得巴東組泥巖特征強度降低、脆性變形減弱、塑性變形增強。

水巖力學相互作用的研究主要集中在巖石滲流-應力耦合作用方面。Li et al. (2016)對大理巖進行了無滲流壓力和有滲流壓力三軸壓縮試驗，認為滲流壓力的存在會使得巖石的強度大幅度降低，脆性破壞更加明顯。Zhao et al. (2019)研究了滲流壓力對裂隙巖石的損傷特性，認為滲流壓力會使巖石強度降低，加速巖石的變形破壞。劉剛等(2019)研究了水力耦合作用下巖石損傷破裂過程中的力學行為，并分析了水壓力與巖石脆性損傷之間的關系。周翠英等(2019)研究了含裂紋紅層軟巖在水-應力-裂隙耦合作用下的力學特性變化規律，認為三者之間的相互作用會加速軟巖變形破壞進程。郭孔靈等(2019)研究了水力耦合條件下含三維裂隙巖石的破裂行為，認為隨水壓升高，巖石的起裂應力、損傷應力和峰值強度均持續降低。孫琪皓等(2019)基于彈塑性力學、滲流力學以及損傷理論建立了巖體滲流-損傷-應力耦合模型，并應用該模型分析了圍巖的變形破壞規律。Zhou et al. (2020)考慮了裂隙滲流和水-力耦合對軟巖破壞行為的影響，建立了軟巖裂隙-滲流耦合的損傷蠕變模型。Li et al. (2020)通過在孔隙水壓和圍壓應力路徑組合條件下的力學試驗，研究了水力耦合作用下砂巖的漸進破壞特征和裂縫擴展規律。

綜合分析上述研究可以發現，在水致巖石損傷劣化研究中前人多側重于研究巖石在動水環境下的損傷劣化特性，如庫水位升降所產生的干濕循環作用或滲流壓力作用，而庫區蓄水所形成的靜水壓力對庫岸巖石造成的損傷同樣值得重視，尤其對于含較多黏土礦物和微裂隙的庫岸侏羅系軟巖而言，靜水壓力及飽水浸泡作用對巖石造成的損傷劣化特性更值得深入探究。

因此，本文以三峽庫區侏羅系軟巖為研究對象，對其進行了不同水壓力狀態下的MTS三軸壓縮聲發射試驗，建立了考慮水致初始損傷的損傷演化方程，在此基礎上分析了水壓力、聲發射振鈴計數與軟巖的力學強度參數及變形破壞之間的關系，并建立了水壓力與侏羅系軟巖損傷演化特征值之間的聯系，為庫區岸坡長期穩定性評價及其演化過程研究提供了一定的理論基礎。

1 MTS三軸壓縮聲發射試驗

1.1 巖樣制備與試驗儀器

試驗所用巖樣采自三峽庫區萬州區侏羅系中統，為沙溪廟組泥質粉砂巖，按照《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266-2013)制成高為100mm，直徑為50mm的標準圓柱試樣。所用試驗系統由MTS815.03型壓力試驗系統和巖石聲發射控制采集系統共同組成，具備軸壓、圍壓、孔隙水壓3套獨立的伺服控制功能，聲發射試驗系統采用美國PAC生產的PCI-2型多通道、全數字化聲發射測試分析系統，具體試樣及試驗儀器圖見圖1、圖2。

圖1 侏羅系泥質粉砂巖標準試樣

圖2 MTS815.03型巖石三軸壓縮及聲發射采集試驗系統

試驗框架整體剛度11.0×109N·m-1， 豎向最大荷載力4600kN， 最大圍壓140MPa， 最大孔隙水壓140MPa， 應變率適應范圍10-2～10-7s-1。聲發射系統采用四通道傳感器組成陣列采集聲發射信號，采樣率1MFPS，門檻值設為35dB，前置放大器的增益為40dB。

1.2 試驗方案

為了探究庫水壓力對侏羅系軟巖損傷演化特性的影響，試驗水壓的設定旨在模擬不同深度處(約0～109m水深范圍)由庫水對岸坡巖體產生的靜水壓力，試驗模擬簡化示意圖如圖3所示。考慮到三峽庫區近地表巖體受力狀態的變化，在此需要從控制變量的角度設定圍壓值，其值在此取2MPa，水壓力則分別取0MPa、0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.8MPa、1.0MPa。首先采用控制荷載速率方式來施加圍壓至預定值，并使圍壓在后續試驗過程中始終保持此值不變。然后在試樣底端的進水口加載水壓至對應的預定值，并保持2h，使端部水壓盡可能滲入巖石內部微空隙中，對巖石產生一定的損傷，在各個試驗過程中維持水壓在預定值不變。最后采用位移控制式進行加載，以0.02mm·min-1的加荷速度施加軸向荷載，并直至試件完全破壞，試驗中位移、應力及水壓力數據采用傳感器進行實時采集。試驗全過程采用聲發射系統進行監測，同步收集巖樣變形破壞各個階段的聲發射參數。

圖3 室內試驗模擬庫水壓力示意圖

2 不同水壓力下軟巖損傷演化特性

2.1 考慮初始損傷的損傷演化方程的建立

聲發射振鈴計數是指超過門檻信號的振蕩次數，其在一定程度上能反映聲發射信號的強弱及頻度，是評價巖石完整性和破裂過程的重要參數。Heiple et al.(1983)和Wadley et al. (2013)也通過大量試驗表明，聲發射振鈴計數能反映材料內部損傷的演化過程，因此，本文選用累計聲發射振鈴計數率為特征參量，來衡量不同水壓下的損傷狀態。若設無損巖樣斷面面積為A，發生完全破壞時的累計振鈴計數為N，則巖樣單位面積微元破壞時的聲發射振鈴計數率Nw為：

(1)

在加載過程中，巖樣損傷斷面面積達到Ad時，累計振鈴計數率Nd為：

(2)

所以，加載損傷變量Dl為：

(3)

又因為試樣是否完全破壞很難判斷，因此這里進一步對該損傷變量進行修正，修正后的表達式如下：

(4)

式中： 1-σr/σf為修正因子；σr為殘余應力；σf為峰值應力。

在軸向應力加載之前，受到水壓力的作用巖石內部已經產生了部分損傷，把這部分由水壓力導致的損傷定義為初始損傷，用D0表示：

(5)

式中：E0為巖樣未受庫水壓力影響的彈性模量；E′為施加孔隙水壓力后的彈性模量。

則由水壓力和加載應力共同作用下產生的損傷變量可表示為：

D=D0+Dl-D0Dl

(6)

式(6)即為考慮水壓力初始損傷和加載應力聯合作用下的損傷演化方程表達式，其中，D0Dl為耦合項。

2.2 三峽庫區侏羅系軟巖損傷演化過程分析

對三峽庫區侏羅系軟巖在不同水壓力下的三軸壓縮聲發射試驗數據進行分析，參照李存寶等(2017)中的方法計算出起裂應力σci、損傷應力σcd、峰值應力、殘余應力、彈性模量如表1所示，限于篇幅具體計算過程不再贅述。將表1中的數據及聲發射振鈴計數代入式(6)，得到振鈴計數、損傷變量與應力-應變的關系曲線如圖4所示。

表1 不同水壓力下侏羅系軟巖的強度參數

根據表1中數據及圖4對比分析可以發現，侏羅系軟巖的起裂應力、損傷應力、峰值應力、殘余應力以及彈性模量整體均有隨水壓力的增大而減小的趨勢。當水壓力由0MPa遞增到1MPa時，侏羅系軟巖的起裂應力、損傷應力、峰值應力和彈性模量的下降幅度相對較大，分別為74.2%、66.9%、62.4%和51.9%，殘余應力的下降幅度較小，為43.4%。另外，從應力-應變峰后曲線的變化規律亦可以看出，水壓力的增大也會使侏羅系軟巖由脆性斷裂破壞逐漸轉化為應變軟化破壞，這些均說明了水壓力具有能夠使侏羅系軟巖物理力學性質發生劣化軟化，導致其抵抗荷載能力大幅度下降的作用。

圖4 基于聲發射的應力-應變-損傷演化曲線

從圖4中可以看出，不同水壓力下的巖石應力-應變曲線、損傷演化曲線及聲發射振鈴計數變化規律均具有較好的一致性。據此，可將巖石的變形破壞過程分為原生空隙壓密階段(OA)、彈性變形(AB)及微裂隙穩定發展階段(BC)、微裂隙非穩定發展階段(CD)和宏觀破壞后階段(DEF)； 對于損傷變量而言，隨著加載的進行，損傷演化曲線先緩慢抬升，隨之平穩增加，而后迅速增加，最后趨于穩定，因此可將侏羅系軟巖的損傷演化過程劃分為4個階段，即損傷形成階段(Ⅰ)、損傷穩定發展階段(Ⅱ)、損傷破壞階段(Ⅲ)和損傷破壞后階段(IV)，具體如圖5所示。從圖4和圖5中均可以看出巖石的裂隙發展過程與損傷演化過程基本保持同步，聲發射振鈴計數在各個階段均隨水壓力的增大而增大，具體分析如下：

圖5 基于聲發射的損傷演化階段劃分

(I)損傷形成階段：對應于應力-應變曲線中的OA段，在該階段巖石的損傷變量增幅較小，試樣在此階段處于原生微裂隙、微孔隙壓密狀態，微裂隙基本未發生擴展，也很少有新生微裂隙產生，在該階段聲發射振鈴計數也很少，損傷開始初步形成。

(Ⅱ)損傷穩定發展階段：包括應力-應變曲線中的彈性變形階段(AB)和微裂隙穩定發展階段(BC)。該階段損傷變量開始穩步增大，但增幅依然較小； 在該階段后期，巖樣中新生裂隙開始產生并逐步擴展延伸，損傷整體呈穩定性發展趨勢，此階段聲發射振鈴計數逐漸增大。

(Ⅲ)損傷破壞階段：對應于應力-應變曲線中的微裂隙非穩定發展階段(CD)。該階段損傷變量迅速增大，巖樣中原生裂隙不斷擴展、新生裂隙不斷產生，尺度較大的裂隙迅速聚集并貫通，巖樣最終出現宏觀破壞； 此階段裂紋之間相互作用加強，聲發射活動極其活躍，在該階段末期聲發射振鈴計數接近峰值。

(Ⅳ)損傷破壞后階段：對應于應力-應變曲線中的宏觀破壞后階段(DEF)。該階段損傷變量逐漸趨于平緩，巖樣產生宏觀破裂后，進入了殘余塑性變形階段，該階段巖樣仍具備一定的承載能力，隨軸向荷載的增加，巖樣內部除主裂隙外，仍有許多次生裂隙產生及擴展，因此，在變形過程中巖石內部仍會產生一定程度的聲發射活動，但呈現出下降的趨勢，直至振鈴計數為0。

2.3 水壓力對侏羅系軟巖損傷演化特征值的影響

從圖4可以看出，隨著水壓力的增大，損傷演化曲線與縱軸的截距也越來越大，為了能夠更清楚地分析水壓力對侏羅系軟巖損傷特性的影響，定義初始損傷變量D0(式5)、起裂損傷變量Di、起裂損傷增量ΔDi0、起裂損傷應變εi作為侏羅系軟巖的損傷演化特征值。初始損傷變量為僅由水壓力引起的損傷變量，起裂損傷變量為起裂點對應的損傷變量，起裂點對應的應變值為起裂損傷應變，可認為在該點之前無明顯損傷，該點之后損傷加劇； 將起裂損傷變量與初始損傷變量的差值定義為起裂損傷增量。根據表1并結合圖4計算出不同水壓力下巖樣的4個損傷演化特征值見表2，并繪出對應的散點圖及擬合回歸曲線如圖6～圖8所示，回歸方程及相關系數見表3。

表2 水壓力與損傷特征值關系表

圖6 初始損傷變量及起裂損傷變量隨水壓的變化曲線

圖7 起裂損傷增量隨水壓力的變化曲線

圖8 起裂損傷應變隨水壓力的變化曲線

表3 損傷特征值與水壓力的回歸分析

從圖6和表2、表3中可以看出，初始損傷變量和起裂損傷變量均與水壓力呈現出較好的線性相關關系，均隨水壓力的增大而增大，結合圖3可以看出，未受庫水壓力影響的巖石與受1MPa水壓力影響的巖石的初始損傷變量差值達到了0.5以上，說明了庫水靜水壓力對侏羅系軟巖力學強度性質及結構完整性有著較大的影響； 同時，從圖6中亦可以看出，隨著水壓力的增大，初始損傷變量值與起裂損傷變量值在逐漸接近，當水壓力增大到1MPa左右時，兩者擬合曲線逐漸相交，說明僅由水壓力對侏羅系軟巖產生的損傷作用便可使巖石達到起裂損傷狀態。

起裂損傷增量反映的是含初始損傷的巖石達到起裂損傷狀態所需要的外界條件對其產生的損傷程度。從圖7及表3中可以看出，起裂損傷增量與水壓力呈現出了較好的反比例函數的變化關系，水壓力的增大使起裂損傷增量先是迅速降低而后緩慢減小，逐漸接近于0，說明水壓力越大使巖石進入微裂隙穩定損傷發展階段所需的外界加載應力損傷越小。同樣，圖8中起裂損傷應變變化曲線也基本反映了這一規律，起裂損傷應變與水壓力大致呈現出了拋物線式的變化關系，該值也同樣逐漸接近于0，反映出起裂損傷應變對后期水壓力的變化更為敏感。其中： 0.3MPa水壓力對應的起裂損傷應變的數值異常則可能與巖樣物質成分的不均勻性、試樣的離散性有關。

總體而言，水壓力越大對巖石造成的初始損傷越大，對應的起裂損傷也隨之增大，但達到起裂損傷狀態所需要的起裂損傷增量和起裂損傷應變隨之減小，水壓力的存在能夠使巖石在較小的加載應力條件下便能夠進入裂隙穩定發展階段和損傷破壞階段。

3 結 論

本文對三峽庫區侏羅系軟巖進行了不同水壓力狀態下三軸壓縮聲發射試驗，建立了基于聲發射振鈴計數考慮初始損傷的侏羅系軟巖損傷演化方程，分析了三峽庫區侏羅系軟巖在不同水壓力狀態下的力學劣化特性、損傷演化過程及損傷演化特征值隨水壓力的變化關系，得到主要結論如下：

(1)水壓力的存在能夠使侏羅系軟巖的力學強度參數發生一定程度的衰減，從庫水面以上到庫底附近，巖石的起裂應力、損傷應力、峰值應力、殘余應力以及彈性模量衰減幅度分別達74.2%、66.9%、62.4%、43.4%、51.9%，水壓力越大，巖石在各個變形破壞階段對應的聲發射振鈴計數的強度也隨之增大，且呈現出的應變軟化破壞也越明顯。

(2)根據聲發射振鈴計數、損傷演化曲線變化規律，及應力-應變曲線，可將三峽庫區侏羅系軟巖的損傷演化過程分為4個階段，即損傷形成階段、損傷穩定發展階段、損傷破壞階段和損傷破壞后階段，分別對應于巖石原生空隙壓密階段、彈性變形及微裂隙穩定發展階段、微裂隙非穩定發展階段、宏觀破壞后階段。

(3)定義了初始損傷變量、起裂損傷變量、起裂損傷增量、起裂損傷應變4個變量作為侏羅系軟巖的損傷演化特征值，并建立了水壓力與各個特征值之間的定量數學關系式。初始損傷變量、起裂損傷變量均隨水壓力的增大而增大，且兩者數值在逐漸接近，當水壓力在1MPa時，水致初始損傷在0.5以上，僅庫水壓力的作用便可使巖石接近于起裂狀態； 起裂損傷增量和起裂損傷應變基本均隨水壓力的增大而減小，直至接近于0，水壓力的存在能夠使巖石在較小外界損傷條件下更早地進入裂隙穩定發展階段和損傷破壞階段。