不同含水率斷層宏微觀破裂與強度折減損傷

高濤, 陳云娟, 敬藝, 劉建民, 王津津*, 楊傳成, 宋潤釗

(1. 山東省地震局, 濟南 250014; 2.山東省地震工程研究院, 濟南 250021; 3.山東建筑大學土木工程學院, 濟南 250101; 4.山東建筑大學建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室, 濟南 250101; 5.山東大學齊魯交通學院, 濟南 250002)

隨著地下空間工程建設不斷向深部發展,地下圍巖環境也愈加復雜,尤其是深部巖體工程普遍受地下水和高應力共同耦合因素下,使得工程圍巖力學病理性質摸不清,加之圍巖斷層因素是工程面臨的難題[1-3]。斷層巖體受到水力耦合多重作用,導致巖石發生難以預測的強度折減效應,因此探究不同含水率下巖石的破裂模式與強度損傷關系[4-5],對深部地下工程及復雜斷層帶圍巖具有重要價值。

花崗巖作為脆性巖石的典型代表,遇水其受力狀態、宏微觀結構、物理力學性質差異較大,國內外學者針對含水狀態的花崗巖進行了研究[6-8]。Zhou等[9]通過三軸壓縮水力耦合試驗研究了孔隙水壓對花崗巖微裂紋演化和強度影響。張艷博等[10]以飽水花崗巖試塊為基礎,應用快速傅里葉變換提取單軸壓縮聲發射信號,對飽水巖石的信號識別判讀,以A和B類信號實現飽水花崗巖聲發射破裂前兆規律。張凱月等[11]對干燥、自然、飽和3種狀態下的花崗巖進行雙軸力學試驗,認為巖石宏觀破裂過程中能量分布情況可作為失穩預警手段,并通過了Wigner-Ville分布時頻驗證。曹洋兵等[12]基于全過程的應力-應變曲線及峰后特征,提出一種反映花崗巖破壞的脆性指標Bd,花崗巖含水率越高其脆性指標Bd越低,同時驗證了峰前和峰后曲線脆性指標Bd的可行性。Li等[13]對含微裂紋缺陷干燥和飽和狀態的花崗巖進行水力壓裂試驗,得到飽和狀態下單軸抗壓強度降低3%～9%,飽和狀態下能夠加速花崗巖內部微裂紋起裂,且這種弱化起裂是水對I-型斷裂韌性的降低作用。楊敏等[14]基于循環升溫-水冷作用室內試驗和有限元數值模擬,研究了水和溫度作用下花崗巖力學性能劣化規律和破裂過程。張恒源等[15]對不同含水率下花崗巖進行單軸壓縮實驗、巴西劈裂實驗和直剪試驗,揭示不同含水率下巖石參數弱化關系,得到不同試驗工況中水能夠促進張拉裂紋的發育。

巖石在水弱化作用下其破裂機制產生重要變化,宏觀破壞往往由微觀機理引發,而掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)試驗作為一種微觀觀察手段,能夠分析巖石內部的微觀礦物及裂紋結構特征[16-17]。Qiao等[18]對花崗巖進行酸堿溶液浸泡試驗,通過SEM不同倍數圖像觀察微觀礦物酸堿腐蝕變化。魏翔[19]研究了不同粒徑尺度花崗巖微觀形貌,發現礦物晶體接觸和組合結構決定其物理力學性質,認為粒徑越小的花崗巖其微觀結構密實且孔隙率更低,致使巖體強度更高。繆澄宇等[20]基于核磁共振監測巖石吸水變化全過程,巖石吸水呈非線性衰減,以此提出吸水中微觀裂紋演化4個過程,微觀裂紋劣化主要集中發生在第Ⅲ階段,該階段SEM圖像石英顆粒明顯滑移導致微裂紋進一步擴展。湯華等[21]探究了全風化花崗巖的微觀結構特征,發現低含水率工況下SEM微觀圖像礦物顆粒多呈角狀和次角狀,隨含水率升高其微觀結構圖像表現為亂序排列、顆粒微觀定向特征較差。

針對花崗巖含水問題,當前研究主要集中在宏觀破裂機制監測和變形破壞上,但對于深部斷層處更為復雜的巖體結構,并未綜合考慮微觀破裂機制引起宏觀跨尺度關聯,尤其是微觀形態破裂方面,巖石吸水后強度折減的機理等方面還沒有開展具體研究。基于此,現以四川省大崗山隧道深部1 200m處斷層圍巖為研究點,研究不同含水率下花崗巖力學試驗性質與跨尺度破裂機制,以掃描電鏡微觀形貌評估巖體裂紋形態,定量評價含水花崗巖在彈性模量、抗壓強度等方面的損傷折減,以期進一步揭示深部地區斷層花崗巖力學特性與微觀機制,為斷層花崗巖施工提供災害防治新認知。

1 工程背景與試樣制備

試驗樣品選取四川省瀘定—石棉高速公路大崗山隧道工程的花崗巖,工程圍巖整體地勢起伏較大,海拔高程隧道多在850～3 000 m,工程周圍距離大渡河水系近1.4 km,受鮮水河斷裂帶影響,圍巖周圍含水量差異性較大,存在突涌水災害風險影響,樣品主要選取斷層處巖石。試驗樣品采集位置如圖1所示。

圖1 試驗樣品采集區間段示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test sample collection interval

采集的巖體為花崗巖制品,參照《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013),使用巖心取樣機加工制備成直徑50 mm、高度為100 mm的標準圓柱體,將每組花崗巖進行100 ℃烘干處理,烘干時間為24 h。為更好了解該花崗巖吸水特性,特對試件進行120 h長周期泡水監測,檢測結果如圖2所示,發現花崗巖試樣在48 h后含水率幾乎不增長,故分別進行0、6、12、24和48 h共5個工況的泡水實驗,依次記錄不同浸水時間下試樣含水率結果,且每組試樣不少于4個,每次記錄含水率為4個試樣的平均值。含水率測試結果如表1所示。

表1 不同浸水時間下花崗巖試樣含水率Table 1 Water content of granite specimens at different soaking times

圖2 花崗巖試件含水率變化趨勢Fig.2 Trend in moisture content of granite specimens

2 礦物成分與宏觀破壞試驗分析

2.1 X射線衍射試驗分析

為探究微觀礦物含量對花崗巖試樣宏微觀破壞影響,對花崗巖進行X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)測試,在同一塊花崗巖試塊中選取3處不同地方,以此避免礦物測試結果局限性,將選取的巖樣小塊放入同一器皿中充分混合研磨,利用直徑0.08 mm負壓試驗篩進行篩選,得到標準的礦物粉末并置于X射線衍射儀。X射線衍射角2θ范圍為0°～80°,采用定性和定量相結合的物相分析方法,以元素限定法檢索樣本存在的礦物元素,測試結果如圖3所示。最終確定斷層中各礦物成分為石英、鉀長石、鈉長石、高嶺石和伊利石5類礦物結構。

圖3 試樣XRD圖譜及礦物組分Fig.3 XRD pattern and mineral fraction of the specimen

2.2 不同含水率花崗巖宏觀破壞特征

按照國際巖石力學學會(International Society for Rock Mechanics,ISRM)標準巖體試驗方法要求,采用TAW-1000D巖石流變擾動試驗儀進行力學性能測試,其軸壓負載最大值約為2 000 kN,巖樣加載速率為0.1 mm/min。各工況破壞模式如圖4所示。

紅色虛線部分表示裂紋發育情況圖4 不同含水率試件宏觀裂紋發展情況Fig.4 Macroscopic crack development in specimens with different moisture contents

由圖4可以看出,干燥狀態(含水率為0)時,巖石以剪切破壞為主,破裂面僅有一條主裂紋,主裂紋破壞的斷面較為平滑且無多余碎狀巖屑,在主裂紋兩端附近衍生出次生裂紋,次生裂紋與軸向力方向基本平行,局部伴有巖爆現象;含水工況下,巖石破裂過程中有較多條貫穿裂紋,裂紋整體方向平行于軸向力方向,整體破碎度顯著提高,破碎帶巖屑主要集中于中部,說明巖石在含水狀態下尤其是接近飽和狀態時,巖石整體抗拉剪能力逐步削弱,薄弱區發生在中部位置且各裂紋內部較為粗糙,主要由于水分子侵蝕進入礦物顆粒間,使整體在水膜黏性作用下發生多裂紋的張拉破壞。隨含水率不斷增加,巖石整體結構破壞趨向于碎散形態,裂紋數目相應增加且兩側鼓起現象也愈加顯著。

3 不同含水率花崗巖微觀破壞特征

巖石宏觀變形破壞實質為內部微裂紋演化發育成大尺度破裂,而損傷破裂后的巖樣斷口是宏觀破裂失穩的直接證據,因此有必要通過掃描電鏡試驗(SEM)分析巖樣斷口處形貌,以此更好地掌握巖石微觀破裂引起宏觀失穩本質。巖石斷口微觀破裂基本為沿晶破裂和穿晶破裂,沿晶破裂是宏觀剪切力導致,穿晶破裂是拉應力情況下形成的,通過觀察各工況掃描電鏡SEM圖像,斷口附近的形貌基本為以下四類:(A)臺階坎狀樣;(B)疊片堆積狀樣;(C)鱗片狀樣;(D)簇花聚體狀樣。圖5、圖6為不同含水率下巖石斷口微觀形貌圖,根據微觀形貌區分度特點,將斷口形貌放大至500倍、2 000倍和5 000倍不同尺度。

圖5 干燥工況SEM微觀破裂結構Fig.5 Dry condition SEM microscopic fracture structure

圖6 不同含水率工況SEM微觀破裂結構Fig.6 SEM microscopic fracture structure for different water content working conditions

由圖5可知,低倍數500倍時,整體微觀破裂以沿晶破裂為主,這種破裂符合宏觀剪切破壞所引起的微觀破裂效應,沿晶破裂附近的礦物晶體表面較為平整,產生的裂紋為直線型,裂紋附近的形貌多為臺階坎狀樣。局部伴有少量的穿晶破裂,該破裂附近礦物晶體多表現為裂面粗糙伴有孔洞,裂紋形成機制多為剪切裂紋附近衍生的次生拉裂紋,拉應力作用下微觀裂紋形貌形成疊片或鱗片狀樣的堆積效應,進而誘發晶體產生穿晶破裂。

由圖6不同含水率工況下微觀結構形貌可知,微觀破裂為沿晶破裂和穿晶破裂的復合型破壞為主,導致該破裂的因素為宏觀的剪切力和張拉力共同導致礦物晶體開裂形成,此外微觀形貌多為乳白色,且整個斷面較為粗糙、多凹槽口,該現象由于水分子與鉀長石中的離子結合生成伊利石的緣由。在低含水率下微觀結構的破裂較為直滑,破壞仍以沿晶破裂為主,裂隙面周圍形貌多為疊鱗片狀樣,局部穿晶引起的裂紋對整體礦物結構損傷性較小,微觀以沿晶破裂為主,而沿晶破裂主要為剪切力作用下形成,表明微觀結構特點能夠推測宏觀大尺度破裂;隨含水率提高,微觀結構面多表現為坑洼狀,整個斷口面較為粗糙,斷裂多為穿晶破裂,這種現象是由于水的軟化作用導致巖石軸向力轉化為拉應力,進而發生微觀穿晶破裂,拉扭作用下引發斷裂面附近的微觀形貌主要為疊片和簇花狀樣,局部沿晶破裂路徑較為扭曲;當接近飽和狀態時(含水率0.21%),微觀破壞以穿晶破裂為主,破裂面周圍“地勢”起伏性較大,礦物晶粒間膠結松散,高倍數下容易觀察到礦物晶體拉裂紋與形貌狀樣呈垂直關系,說明水對礦物的軟化作用能夠改變其破裂機制。

4 水對巖石強度折減損傷分析

4.1 不同含水率下應力強度特征

為更好了解巖石在不同含水率工況下的軟化規律,提取相關試驗參數,得到不同含水率工況下巖石的峰值強度如圖7所示,彈性模量變化如圖8所示。

圖7 峰值強度隨含水率變化曲線Fig.7 Peak strength with moisture content

圖8 彈性模量隨含水率變化曲線Fig.8 Modulus of elasticity with moisture content

巖石的峰值強度和彈性模量兩個指標能夠直接反映水對巖石的強度折減作用,通過對不同含水率工況擬合分析,發現兩項指標呈指數關系變化,且這種指數關系擬合程度較高,擬合關系函數具體如下。

E= -7.77exp(6.86w) - 127.20,

R2= 0.974 7

(1)

E= -0.04exp(3.57w) + 6.29,R2= 0.986 5

(2)

E= -22.85exp(-0.25w) - 9.49,

R2= 0.996 8

(3)

結合含水率變化趨勢曲線可知,前期含水率變化率最大,此期間峰值強度衰減率約55%,彈性模量衰減率約1.1%,前期雖吸水率變化較為顯著但其強度損傷折減不大,水分子與巖石內部結構結合效果并不明顯,如圖6(a)所示,破壞以剪切力引起的沿晶破裂為主。隨含水率增長進入中期吸水階段,吸水速率下降60%,而此期間峰值強度衰減率約300%,彈性模量衰減率約6.5%,兩指標參數達到衰減期閾值最大限,此期間巖石為拉應力主導下的微觀穿晶破裂,結構地勢形貌起伏大、破裂的裂紋較長。吸水速率進入后期即含水率趨向于飽和狀態時,峰值強度和彈性模量衰減率回彈至前期狀態,說明該階段水對巖石損傷折減也趨近于飽和狀態,損傷程度達到峰值,宏觀破壞為張拉破壞,微觀結構受飽和水分子影響,產生絮狀坎溝,表面較為粗糙、尖角棱狀,礦物晶體結構偏白。

4.2 水對巖石劣化效應分析

從分析可看出,峰值強度和彈性模量均隨含水率增長而降低,為了更好探究水對巖石強度衰減的內在機制,表征這種弱化規律,引入巖石劣化系數指標,劣化系數η為含水狀態下峰值強度σw與干燥狀態下峰值強度σd比值,表達式為

(4)

劣化系數的范圍區間在0<η≤1,劣化系數越小表明水對巖石弱化效果越強。對不同含水率工況進行劣化系數計算:含水率從0至0.21%依次為1、0.950、0.899、0.849、0.798,經計算可知,飽和狀態下劣化系數下降至20%左右,說明巖石劣化程度受水的弱化程度較大,巖石內部的礦物顆粒受水侵蝕發生強度衰減。這種強度衰減主要由于高嶺石具有良好的吸水性,水的存在導致形成更多的游離K+,促使硅酸鹽礦物與K+結合生成伊利石[22],同時也驗證了伊利石礦物含量較多,其發生化學反應為

通過對比觀干燥和吸水率前期階段的微觀結構圖,發現吸水率前期微觀結構形貌較為平滑,與干燥狀態下極為相似,微觀基本沒有出現孔洞現象,表明在吸水率前期水分子主要起潤滑作用;進入吸水率中期階段,微觀結構形貌有較多孔洞分布且晶體顏色偏白,說明該階段水分子發生上述侵蝕反應,水分子吸附于礦物晶體表面發生化學反應,水分子表現為軟化侵蝕作用;達到吸水率后期階段,微觀結構同前一階段表現為加劇狀態,水分子為進一步的軟化侵蝕作用。

5 結論

以深部斷層花崗巖為研究對象,通過室內力學試驗、微觀掃描電鏡試驗和X射線衍射試驗,研究了不同含水率下花崗巖宏微觀多尺度破壞特征,獲得如下研究結論。

(1)無水狀態下宏觀以剪切破壞為主,破裂面較為平滑且產生的碎屑巖沫較少,而隨含水率提高其破裂模式以張拉破壞為主,破裂面較為粗糙且裂紋與軸向力方向近乎平行,含水率越高巖樣越碎散、徑向兩側鼓起現象更顯著。

(2)微觀形貌基本分為4類狀樣,低含水率工況微觀破裂以沿晶破裂為主,裂紋處礦物晶體表面較為平整;高含水率工況微觀破裂為沿晶破裂和穿晶破裂的復合型破壞,微觀結構面多表現為坑洼狀、斷口面粗糙。

(3)峰值強度和彈性模量與含水率呈非線性指數下降,吸水中期期峰值強度衰減率和彈性模量衰減率約為前期的6倍,兩指標參數達到衰減期閾值最大限,后期階段峰值強度和彈性模量衰減率回彈至前期狀態,其吸水損傷折減達到飽和狀態。

(4)劣化系數隨含水率增長而降低,水分子在吸水前期為潤滑礦物作用,中后期階段水分子發生侵蝕反應導致強度損傷折減,微觀結構形貌有較多孔洞且晶體顏色偏白,后期水分子為進一步的軟化侵蝕作用。