巖質(zhì)邊坡砂巖裂隙特征對應(yīng)力應(yīng)變特征的影響試驗研究

李華

摘要：為研究含初始裂隙的巖質(zhì)邊坡砂巖的力學(xué)特征，文章設(shè)計了裂隙傾角、裂隙數(shù)量、裂隙深度三個因素影響下的含初始裂隙砂巖三軸力學(xué)試驗，并基于試驗結(jié)果開展了應(yīng)力應(yīng)變分析。結(jié)果表明：裂隙傾角、裂隙數(shù)量兩因素均不會影響砂巖應(yīng)變破壞特征，保持同一圍壓下，兩因素下的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢具有一致性；裂隙深度會影響試樣破壞特征，裂隙深度＞0.08 mm時，試樣塑性強(qiáng)化顯著；圍壓效應(yīng)仍是試樣變形破壞的最主要因素；裂隙數(shù)量、裂隙深度與試樣破壞強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，裂隙數(shù)量增多，試樣破壞強(qiáng)度受之影響愈顯著，但裂隙深度梯次變化下，破壞強(qiáng)度降幅具有均衡變化特征，各深度下試樣降幅接近；而裂隙傾角與試樣破壞強(qiáng)度呈正相關(guān)，裂隙傾角與加載面的分布關(guān)系改變了破壞強(qiáng)度的變化趨勢。研究成果可為巖質(zhì)邊坡危害處理提供試驗依據(jù)。

關(guān)鍵詞：邊坡；砂巖；裂隙；應(yīng)力應(yīng)變；試驗

中圖分類號：U416.03 A 23 070 4

0 引言

水利、交通等行業(yè)中，常遇見巖質(zhì)邊坡工程［1-2］，其坡體安全穩(wěn)定性與巖層分布特征、巖體力學(xué)特性密切相關(guān)，探討巖體力學(xué)特征變化，對巖質(zhì)邊坡整治具有理論依據(jù)。王繼虎、何川［3-4］為研究邊坡基巖或巖層力學(xué)特征，通過開展單、三軸等室內(nèi)力學(xué)試驗，基于試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析，探討了巖石試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，從宏觀力學(xué)角度評價了工程巖體穩(wěn)定性。張安琪、趙光明等［5-6］認(rèn)為，工程巖體不能僅看重室內(nèi)試驗樣品，模擬現(xiàn)場巖體狀態(tài)也很重要，因而開展了不同尺寸、不同含水率的巖石試樣力學(xué)試驗，分析了尺寸效應(yīng)、含水特征等對巖石試樣力學(xué)水平的影響，豐富了巖石試驗力學(xué)研究成果。自然界中巖石本體常含初始裂隙，而在室內(nèi)試驗中模擬初始裂隙特征，對揭示巖石裂隙損傷很有意義，陳超、王星辰等［7-8］通過人工預(yù)制裂隙方法，對預(yù)制裂隙巖石試樣的拉、壓宏觀力學(xué)進(jìn)行了對比，分析了預(yù)制裂隙方式以及物理特征對試樣應(yīng)變破壞、應(yīng)力水平影響，總結(jié)了巖石試樣強(qiáng)度特征與裂隙因素的理論關(guān)系，為工程巖體力學(xué)分析提供試驗依據(jù)。本文從巖質(zhì)邊坡砂巖試樣預(yù)制裂隙入手，探討了三個裂隙特征因素下的應(yīng)力、應(yīng)變影響，為邊坡整治設(shè)計提供試驗參考。

1 工程介紹

為加強(qiáng)北部灣城市群與南寧、柳州地區(qū)交通的聯(lián)通性，計劃在北部灣城市群與桂北地區(qū)擬建一重要交通干道，活躍地區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)交流。在該干道K4+235區(qū)段處，存在有一巖質(zhì)邊坡，其位于公路東側(cè)，整體呈南北向展開，坡體朝向正西，經(jīng)開挖后，在該坡體內(nèi)可形成橫貫面320 m長、2～40 m寬的巖質(zhì)邊坡面，坡度約為30°～35°，坡體內(nèi)巖層埋深較淺，厚度為3～8.5 m，上覆土層主要為人工種植土、粉質(zhì)黏土等，基巖材料為弱風(fēng)化砂巖。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測量，該巖質(zhì)邊坡巖層傾角為45°～60°，傾向與坡向呈銳角相交，具有順層滑移面，坡體形態(tài)如圖1所示。從邊坡地形測量來看，該邊坡最高處為337.9 m，設(shè)計開挖后相對高程約為35～40 m，從巖層滑移面分布考慮，控制原始地形線與坡面線之間關(guān)系很有必要，能夠減弱邊坡滑移面與巖層軟弱面夾角。從該公路建設(shè)全域考慮，不僅在區(qū)段K4+235處，在沿線其他區(qū)段處也有類似砂巖順層邊坡，但巖質(zhì)物理狀態(tài)特征各有差異。從總體全區(qū)段順層巖質(zhì)邊坡分析，基巖破裂面特征存在一定差異，K8+126段砂巖破裂面傾角為40°，而在K6+125處砂巖破裂面傾角為60°，因而這也是全區(qū)段各巖質(zhì)邊坡出現(xiàn)滑移破壞面差異的內(nèi)在影響因素。從邊坡鉆孔地質(zhì)資料得知，所在地區(qū)最大地應(yīng)力為25 MPa，地下基巖埋深深度可達(dá)4 000 m，巖土層孔隙特征包括了裂隙傾角、裂隙數(shù)量等，在不同區(qū)段各有差異，粉質(zhì)黏土分布較廣的地區(qū)，所在區(qū)段的砂巖裂隙傾角較小，≤60°。結(jié)合巖質(zhì)邊坡與公路建設(shè)安全性，考慮邊坡砂巖在不同裂隙特征下力學(xué)特性，有助于揭示邊坡滑移面失穩(wěn)位移內(nèi)在機(jī)理，也能夠更清晰地了解砂巖宏觀承載力學(xué)影響變化。

2 試驗方法

為確保試驗結(jié)果可靠性，采用基礎(chǔ)巖石力學(xué)試驗方法，對含裂隙面砂巖開展力學(xué)破壞試驗，由試驗數(shù)據(jù)反映含裂隙面砂巖宏觀力學(xué)特征。試驗采用RMS-1500力學(xué)加載試驗設(shè)備，該試驗系統(tǒng)經(jīng)改良升級后，具有24通道數(shù)據(jù)采集通道，可同時進(jìn)行軸、環(huán)向以及體積變形監(jiān)測，也可實現(xiàn)包括軸荷、圍壓等力學(xué)荷載更高精度的實時程控。該試驗設(shè)備最大軸荷可達(dá)1 500 kN，單級荷載最大波動頻率≤0.01 Hz，不論是軸荷或是圍壓加載，均為實時程控，誤差≤0.1%。為匹配含裂隙面砂巖力學(xué)加載，采用了圓柱式加載平臺，直徑可達(dá)45 cm，可適應(yīng)不同尺寸體型的圓柱體巖石試樣，加載平臺內(nèi)所有構(gòu)件均視為剛性構(gòu)件，強(qiáng)度、剛度均超過巖石試樣。試驗中軸向位移采用LVDT通道數(shù)據(jù)，量程為-15～15 mm，環(huán)向位移為-20～20 mm，基于不同荷載、位移等數(shù)據(jù)監(jiān)測反饋，探討砂巖試樣加載破壞過程中強(qiáng)度、變形特征。

根據(jù)公路沿線典型順層巖質(zhì)邊坡鉆孔取樣，獲得了巖質(zhì)邊坡內(nèi)不同裂隙特征的砂巖樣品，從裂隙分布特征來看，其傾角最大≤90°，裂隙分布主要在試樣表面的中部區(qū)域，裂隙深度各有差異，最深裂隙深度為1.2 mm，裂隙數(shù)量也存在一定差異，現(xiàn)場鉆孔的樣品中裂隙數(shù)量最多的可達(dá)100條/m2。室內(nèi)物理力學(xué)測定表明，該巖質(zhì)邊坡砂巖含水率為0.5%～2%，經(jīng)室內(nèi)飽和試驗得到該砂巖含水率與浸泡時間關(guān)系，如圖2所示，臨界飽和度約為58%，含水率在到達(dá)臨界飽和度后并無較顯著增長，本文試驗樣品中飽和時間即以此為參照。為模擬巖質(zhì)邊坡砂巖裂隙特征影響，采用人工預(yù)制裂隙方法［7-9］，按照裂隙傾角、裂隙數(shù)量以及裂隙深度三個因素進(jìn)行對比分析，所有預(yù)制裂隙寬度取邊坡鉆孔樣品的裂隙平均寬度與長度，分別為3 mm、15 mm，且均分布在試樣周身中部，經(jīng)室內(nèi)加工、打磨后，制作成加載試樣，如圖3所示即為不同裂隙傾角的代表性試樣。

根據(jù)試驗對比要求，砂巖預(yù)制裂隙三個因素分別按照邊坡實際鉆孔取樣現(xiàn)狀，其中裂隙傾角分別設(shè)定為0°～90°，梯次為15°，裂隙深度按照現(xiàn)場鉆樣上限值，設(shè)計為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm、1.2 mm，裂隙數(shù)量根據(jù)試樣表面積換算最多為10條，對比組分別設(shè)定為2條、4條、6條、8條、10條。每一組試驗方案均按照單一變量因素進(jìn)行試驗結(jié)果對比，評價含裂隙砂巖力學(xué)特征差異，試驗圍壓設(shè)定為5 MPa、15 MPa、25 MPa，三組試驗參數(shù)如表1所示。

3 預(yù)制裂隙特征對砂巖力學(xué)特性影響

3.1 裂隙傾角影響

基于不同裂隙傾角組砂巖試樣力學(xué)試驗，獲得了預(yù)制裂隙物理特征下試樣力學(xué)特性，如下頁圖4所示。依據(jù)圖中應(yīng)力應(yīng)變變化特征可知，同一圍壓組下，各試樣的峰值應(yīng)變以及峰值應(yīng)力后破壞特征同化性較顯著，圍壓5 MPa、25 MPa下兩組試樣峰值應(yīng)變分別為1.25%、1.42%。對比兩圍壓下差異可看出，圍壓增大，最主要的影響集中在峰值應(yīng)力后應(yīng)變特征，圍壓5 MPa、25 MPa下峰值后應(yīng)力回落幅度以前者為更大，同為裂隙傾角30°試樣在圍壓5 MPa、25 MPa下峰值應(yīng)力后降幅分別為78.7%、18.6%，殘余應(yīng)力分別為9.6 MPa、46.7 MPa。由此可知，初始裂隙傾角特征不會影響砂巖變形破壞形態(tài)［10］，圍壓效應(yīng)對其破壞特征影響更值得關(guān)注。

從裂隙傾角影響砂巖試樣應(yīng)力水平可知，在圍壓5 MPa下，傾角0°、15°、60°、90°下4個試樣破壞強(qiáng)度分別為34.3 MPa、39.4 MPa、60.5 MPa、80.7 MPa，而在總體上隨裂隙傾角15°變化，試樣破壞強(qiáng)度平均提高了14.4%。當(dāng)圍壓增大至25 MPa后，傾角0°～90°的試樣破壞強(qiáng)度分布為37.6～131.2 MPa，較之圍壓5 MPa下分別提高了9.6%～62.5%；隨裂隙傾角梯次變化，破壞強(qiáng)度具有平均增幅24.6%。進(jìn)行宏觀對比可知，圍壓愈大，含裂隙砂巖試樣不僅應(yīng)力水平可增大，且受裂隙特征影響敏感性也會提高；裂隙分布逐步靠攏于加載方向，試樣有效承載面愈大，破壞強(qiáng)度得到提高，巖質(zhì)邊坡中應(yīng)重點關(guān)注水平向裂隙巖層的穩(wěn)定性［11］。

3.2 裂隙數(shù)量影響

基于裂隙傾角45°試樣組力學(xué)試驗結(jié)果，獲得了裂隙數(shù)量對砂巖試樣應(yīng)力應(yīng)變特征影響，如圖5所示。根據(jù)圖中應(yīng)變趨勢可知，與裂隙傾角特征影響性類似，不論裂隙數(shù)量如何增長，試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有相似性：兩圍壓下各裂隙數(shù)量試樣均呈應(yīng)變脆化特征，但后者圍壓下應(yīng)力水平降幅低于前者。同為裂隙數(shù)量6條下，圍壓5 MPa、25 MPa下峰值后降幅分別為79%、9.9%，前者圍壓下殘余應(yīng)力為7.7 MPa，圍壓效應(yīng)可約束砂巖試樣的脆性變形。

在圍壓5 MPa下裂隙數(shù)量2～10條試樣破壞強(qiáng)度分布為15.8～52.1 MPa，隨裂隙數(shù)量每梯次增長2條，試樣破壞強(qiáng)度平均減少了25.1%，當(dāng)圍壓增大至15 MPa后，試樣破壞強(qiáng)度提高了41.1%～138.2%，受裂隙數(shù)量梯次影響，其破壞強(qiáng)度平均下降了15.2%。總體上看，裂隙數(shù)量對砂巖試樣破壞強(qiáng)度影響為逐步增大的過程，在裂隙數(shù)量為2～6條時，試樣破壞強(qiáng)度受之影響仍較弱，圍壓5 MPa下分別具有降幅13%、19.2%，而圍壓15 MPa下平均降低了8.9 MPa，圍壓15 MPa下裂隙數(shù)量為8條、10條時，試樣破壞強(qiáng)度分別為50.1 MPa、37.6 MPa，平均降幅可達(dá)26.2%。分析認(rèn)為，裂隙數(shù)量對砂巖承載強(qiáng)度影響為逐步加深，巖質(zhì)邊坡中應(yīng)盡快處理分布較多的含裂隙巖層。

3.3 裂隙深度影響

同理，基于不同裂隙深度組試樣力學(xué)試驗，獲得了該裂隙物理因素影響下的砂巖力學(xué)特性，如圖6所示。由圖中應(yīng)力應(yīng)變演變可知，不論是圍壓5 MPa或是圍壓15 MPa，當(dāng)裂隙深度≤0.8 mm時，試樣峰后應(yīng)力回落現(xiàn)象顯著，部分試樣下降段更快、更陡；當(dāng)裂隙深度為1 mm、1.2 mm時，試樣峰值應(yīng)力后具有一定的應(yīng)變塑性強(qiáng)化特征，圍壓5 MPa下此兩裂隙試樣在應(yīng)變0.94%后呈現(xiàn)長期的應(yīng)力降幅慢、應(yīng)變高的發(fā)展段特征。由試驗結(jié)果分析可知，初始裂隙深度特征會影響砂巖加載變形破壞特征，裂隙深度過大，試樣的加載破壞實質(zhì)上是處于閉合裂隙、打開裂隙的微觀力學(xué)“循環(huán)”［12-13］。

從裂隙深度影響破壞強(qiáng)度量值來看，在圍壓為5 MPa時，裂隙深度0.2～0.8 mm的試樣強(qiáng)度分布為33.5～58.5 MPa，而裂隙深度1 mm、1.2 mm兩試樣強(qiáng)度分別為27.2 MPa、22.7 MPa，總體上看，裂隙深度對砂巖試樣破壞強(qiáng)度影響具有均衡性，每梯次裂隙深度在0.2 mm變化，試樣破壞強(qiáng)度平均下降7.2 MPa，降幅為17.2%，各方案間較為接近，如裂隙深度0.6～1.2 mm間，降幅依次為16.6%、18.9%、16.5%，與該圍壓組下平均降幅接近。圍壓為15 MPa時，此種現(xiàn)象仍然如此，隨裂隙深度梯次變化，試樣破壞強(qiáng)度平均減少了9.3 MPa，降幅為14.8%，整體上破壞強(qiáng)度分布為29.5～76 MPa。綜合可知，裂隙深度會改變砂巖試樣應(yīng)變破壞特征，但對試樣破壞強(qiáng)度的削弱效應(yīng)具有均衡變化性。

4 結(jié)語

（1）裂隙傾角不會影響砂巖變形破壞特征，圍壓增大會改變試樣破壞特征；圍壓效應(yīng)不僅可提高試樣強(qiáng)度，也能提高試樣破壞強(qiáng)度受裂隙傾角影響的敏感性。

（2）裂隙數(shù)量同樣不影響砂巖破壞特征，同一圍壓下裂隙數(shù)量不同的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線一致；裂隙數(shù)量愈多，試樣破壞強(qiáng)度削弱愈顯著，圍壓15 MPa下裂隙數(shù)量每梯次變化2條，強(qiáng)度平均降低了15.2%，而在裂隙數(shù)量8條、10條時，強(qiáng)度平均降幅可達(dá)26.2%。

（3）裂隙深度會影響砂巖試樣應(yīng)變破壞特征，在裂隙深度＜0.8 mm時，試樣具有脆性應(yīng)變特征，反之具有塑性強(qiáng)化特點；裂隙深度增大，試樣強(qiáng)度變化具有均衡性，圍壓5 MPa下裂隙深度0.2～1.2 mm下強(qiáng)度平均減少了17.2%，而各裂隙深度試樣對比下強(qiáng)度降幅基本接近。

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收稿日期：2023-07-20