第四节　深埋脆性岩石破裂特性试验

一、特征强度试验

大量文献报道了单轴压缩过程中各破裂强度参数的确定方法,原则上仅仅通过单轴试验的应力、轴向应变、侧向应变数据也可以确定σcc、σci、σcd,但受试验成果离散性的影响,这种方法不一定总能取得令人满意的效果。目前通常采用单轴试验结合声发射数据确定各破裂强度参数。图3-9是文献报道的花岗闪长岩在单轴压缩过程中的声发射数据,岩样取自加拿大Pinawa URL位于420m埋深处的隧洞。岩块微裂纹开始发生扩展时的阈值σci以及非稳定扩展时的阈值σcd都对应声发射次数的陡增,比较容易从图上得到确认。

各种岩石其初始微裂隙的分布特征差别很大,直接通过应力—应变曲线确定σcc有可能存在一定难度,更可靠的方法是先计算出压缩过程中各加载段岩块的刚度(也即各加载段段的弹性模量),以岩块刚度保持开始出现稳定的轴向压力确定σcc。常规单轴压缩MTS试验每隔0.5s采集一次数据,包括轴向应力、轴向应变、侧向应变,根据连续两次采集的数据可以确定该点的瞬时岩块刚度,直接这样处理数据获得的刚度曲线不连续性非常显著。在不影响σcc的结论下出于曲线平滑性处理的考虑可以采用更多的数据点来获得岩块压缩过程中的刚度曲线。图3-10是以20个点为单位获得的平均岩块刚度,刚度增长到稳定阶段时的轴线压力即为σcc。

σci对岩块而言是一个很重要的指标,在工程实践中可以帮助判断是否开始出现损伤现象,也可以帮助研究长期强度。σci的确定,除了通过声发射试验外,通过单轴试验数据的应用也有多种确定方法。最简单的有早年一些学者提出的,通过轴向应变进入第二个非线性段的拐点确定σci(图3-10)。第一个非线性段是上文提到的微裂纹被压密阶段,随后应力—应变曲线进入直线段,但轴线压力达到σci时微裂纹开始扩展,应力—应变曲线又开始进入非线性阶段。该种方法总体效果并不总是很理想,更多情况下σci所对应的拐点不是很明显。

另外,还可以根据裂纹的体积密度确定σci,该方法由C.D.Martin提出,在加拿大URL花岗岩的研究中有过应用。在单轴压缩过程中,微裂纹体积分别经历3个阶段:①单位裂纹体积减小,对应微裂纹被压密的阶段;②单位裂纹体积保持不变,对应着微裂纹变密但裂纹还未发生扩展的阶段;③单位裂纹体积增大,对应着微裂纹开始扩展阶段。裂纹体积应变εV_crack作为裂纹体积变化的度量显然可以用来确定σci,具体实施过程中假定岩块基质的压缩是弹性的,在给定轴向压力,基质的体积应变可根据基质的弹性模量和泊松比求出。裂纹的体积应变等于岩块的总体积应变减去基质体积应变,总体积应变εV由MTS试验测出的轴向应变εaxial和侧向应变εlateral求出。具体计算公式如下:

该种方法确定σci的精度受制于弹性模量E和泊松比μ的精度。σcd是微裂纹发生非稳定扩展的阀值,对应着体积应变曲线上的拐点,从拐点开始岩块的体积由压缩变形转为体积膨胀,也就是扩容。

锦屏大理岩破裂特性的试验研究工作采用的加载设备与普通单轴抗压强度相同,本次研究中选用了MTS压力机。与普通单轴压缩试验的差别在于增加加载过程中的声发射测试,图3-11表示了在试件表面加装的声发射接收传感器,图3-12是采用美国PAC公司生产的声发射信号采集系统。

本次共对13块岩样进行了破裂试验研究,表3-2为采用上述介绍的方法确定的试验结果,包括启裂强度、损伤强度和峰值强度。这13块试样的试验结果揭示了如下基本特征:

(1)单轴强度的离散性比较大,强度最低98MPa,最高144MPa,平均113MPa。

(2)岩石启裂强度σci普遍介于0.40～0.55倍的单轴强度,加拿大URL420m埋深的花岗岩的σci介于0.3～0.4倍单轴强度。

(3)岩石损伤强度σcd普遍略高于0.8倍单轴强度,平均值为0.824。

需要说明的是,这些试样的试验结果存在较大的分散性,给确定表3-2的相关参数值造成了一定困难,也影响到了试验结果的可靠性。图3-13、图3-14表示了A45和B11岩样的试验结果,应力-应变关系曲线和刚度-应力曲线显示了早期加载过程中显著的压密效应,声发射监测结果规律性较差,早期加载阶段岩石试样压密过程中出现了明显的声发射现象,表明在一些裂缝被压密为主的过程中还出现了裂纹扩展、产生新裂缝的现象。在应力达到50MPa左右时出现了大量的声发射现象,推测为启裂强度,但随后并没有监测到连续的破裂发展过程,显示了比较复杂的破裂发展规律。

二、破裂特性试验

早在20世纪60年代中期,Hoek等学者就开始了脆性岩石力学特性的研究工作,经过几十年的发展,特别是测试技术的进步,对脆性岩石内部的破裂特征有了新的认识。大量室内试验结果表明,脆性岩石在压缩试验过程中会经历四个阶段,即裂缝闭合阶段、弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段。如图3-15所示,其中的裂纹稳定扩展阶段仍然保持弹性变形,是弹性变形阶段的一部分。

上述四个阶段可以具体描述为如下:

(1)压密阶段。对应着岩石内部已有裂纹(包括原生裂纹和卸荷产生的裂纹)在轴向压力下被压密,应力应变曲线呈现上凹,出现非线性变形,该过程伴随着声发射现象,理论上随着轴向压力的增加声发射次数减小,当声发射频次降低为零时所对应的轴向压力σcc即裂隙完全被压密的最小压力。

(2)弹性阶段。轴向应力和轴向应变关系近似呈线性关系,变形主要为弹性变形,但也包含有少量不可恢复的塑性变形,应力应变关系近似服从虎克定律。在这一阶段,裂隙面闭合后之间的摩擦力抑制了微裂隙面之间的相互错动,从而使得变形主要为弹性。该阶段微裂隙被进一步压密且微裂隙不发生扩展,理论上无声发射现象。

(3)裂纹稳定扩展阶段。轴向压力达到启裂强度σci时,岩石内开始出现微裂纹,即开始出现破裂现象,此时的应力水平大约是岩石峰值强度的40%左右。也就是说,破裂是脆性岩石在相对较低的应力水平以后的可能表现出的力学行为,开始出现破裂的应力成为启裂强度,理论上应力—应变曲线进入非线性阶段,σci即为岩块开始发生损伤的阀值,另外该阶段开始有声发射现象。

(4)裂纹非稳定扩展阶段。轴向压力继续加大到损伤强度σcd(大约为80%的岩石单轴抗压强度),岩块的裂纹扩展方式开始进入到非稳定阶段,岩石内微裂纹非常普遍,裂纹间距和长度大致相等。此时岩石的线弹性特征结束,宏观非线性(应变硬化)特征开始显现,对应的应力水平称为损伤强度。在这个阶段裂纹的形成和扩展形成的体积超过了应力压缩形成的弹性变形,开始出现扩容现象。进入非稳定扩展阶段,因此σcd也被看作岩石的长期强度。从σci开始到峰值强度声发射一般呈上升趋势。

大理岩屈服以后黏结强度降低、摩擦强度提高的特点符合Martin等人关于脆性岩石力学特性的研究成果和认识,造成这种现象的原因之一是岩石在荷载作用下的破裂特性。显然,大理岩是否存在破裂特性以及破裂与岩石的力学特性之间的关系如何,是值得研究的问题,这一方面是锦屏大理岩岩石力学基本认识研究的需要,同时也是认识现场围岩状态和进行工程设计的基础。比如,如果大理岩破裂特征占主导性地位,安全监测方式就需要进行调整,以了解围岩破裂程度和破裂发展过程为主,从而针对性地选择支护方式和进行支护参数优化。

为了进一步考察锦屏大理岩的破裂特性,从埋深约2000m深处钻孔取样,图3-16为B11岩样的试验结果,其中图3-16(a)表示了轴向应力和轴向及横向应变的关系曲线;图3-16(b)为试验过程中声发射记录,其中的横轴为轴向应力水平,纵轴为对应应力条件下的声发射事件数;图3-16(c)为试样的破坏形态。

图3-16(a)的轴向应力-轴向应变关系曲线显示,当轴向压力小于20MPa时,岩样经历了一个裂纹压密过程,对应的轴向应变水平大约0.1%。显然,岩样中存在一些与加压方向大角度相交的裂纹,使得加载初期即出现这种压密响应。

与此同时,根据图3-16所示,当压力水平在大约20MPa以内时,出现了大量的声发射现象,即产生了很多新的裂纹。显然地,除岩样中可能存在横向初始损伤以外,还可能存在一些与加压方向近平行或小角度相交的初始裂纹,加载即导致了这些裂纹的快速扩展,出现声发射现象。

压应力进一步增加到大约100MPa时,轴向应力-横向应变关系曲线开始从直线向曲线过渡,总体与岩样的共轭强度相对应,但此时轴向应力-轴向应变的拐点不明显,图3-16中并没有出现声发射事件急剧增加的现象。当压力达到峰值约120MPa时,轴向应力和横向应变响应特征非常明显,但声发射事件并没有特别突出的异常现象。

岩石达到峰值强度时对应的轴向应变为0.35%,如果减去压密段的0.1%,应变量约为0.25%,而横向应变不足0.1%,即白山组大理岩破坏前的变形量很小。从岩石特性角度看,完整大理岩开挖以后的主要问题不是变形,而是破裂。

根据试验过程的应力—应变关系曲线和声发射事件记录结果,大理岩试样内既具有横向初始损伤裂纹,也具有纵向初始损伤裂纹,使得试验初期的压密效应和声发射现象都相对显著,特别是声发射事件,在试验初期最活跃,判断初始纵向裂纹起到优势性作用。从图3-16(c)的试样破坏形态特征看,纵向裂纹扩展成劈裂破坏面的迹象比较明显。

正是这种纵向初始裂纹占主导地位,岩样中没有形成占优势的共轭剪切破坏面,影响了破坏阶段裂纹扩展规律,使得破坏前的破裂扩展不如预期突出。

对于图3-17所示的A45岩样,当轴向压力小于大约40MPa时,轴向应力—轴向应变曲线显示了一个非常突出的压密过程,表明可以被压缩的初始裂纹相对发育。与此同时,这一加载过程中的声发射现象虽然显著少于B11岩样,但仍然很普遍,也是声发射相对活跃的阶段。相对于B11岩样而言,A45岩样中也存在较普遍的初始损伤裂纹,但横向裂纹相对占优势地位。

当轴向应力增加到大约90MPa时,岩样出现了突发性声发射急剧增加现象,对应轴向应变曲线、横向应变曲线都开始出现一定的变化,其中的体积应变曲线开始出现增大到减小的转换,这些特点与共轭强度相吻合,可以相对清楚地判断岩样内开始形成共轭剪切破坏面的雏形,而图3-17(c)的破坏面形态与这种分析结果吻合。

综合上述两个试样的试验结果,从大约2000m深度处采用传统的钻孔取样方式获得的岩石试样中存在比较普遍的初始损伤,初始损伤的分布可以影响岩石试样的力学特性和破坏形态。事实上,补充进行的所有12个试样均记录了明显的声发射现象,上述分析侧重从机理性方面理解问题的本质。

尽管试验中的声发射成果受到岩样内的初始损伤裂纹的影响,但试验成果、特别是A45岩样的试验成果仍然揭示了大理岩所具有的破裂特征,也就是说,锦屏大理岩具备破裂特性,并且这种特性影响、可能甚至决定了岩石的基本力学特性,至少,从目前已经完成的低围压条件下的试验结果看,大理岩的破裂特性是需要关注的基本点之一。

三、破裂扩展特性试验

裂纹破裂扩展时间效应指荷载不变的情况下岩石(体)内裂纹随时间不断扩展。当应力满足一定条件时,裂纹扩展是脆性岩石的基本特性。迄今为止,岩石破裂扩展机理性研究主要集中在试验室,针对小尺寸的岩石试样。研究表明,岩石破裂扩展主要受到两个方面因素的影响:一是应力条件,以驱动应力比表示,指单轴受力条件下的应力和峰值强度之比;二是环境因素,如温度和湿度变化等,前者可以造成裂纹端部温度应力变化,后者起到风化的作用。

破裂扩展的时间效应作为岩石的重要力学特性之一,与地下工程的长期稳定与安全性紧密相关。很多岩石工程所显露出来的问题往往都是和破裂扩展的时间效应密切相关。随着锦屏工程的掘进和研究工作的不断深入,大理岩破裂扩展的时间效应也逐渐被认识。

大理岩破裂发展时间效应是指深埋隧洞大理岩段开挖以后隧洞围岩破裂损伤随时间不断发展、围岩强度和安全性相应不断衰减的特性。破裂发展往往发生在应力水平低于围岩峰值强度、甚至处于弹性状态的情况下。

前文已经确定了描述脆性岩石破裂特性的特征强度的方法(包括启裂强度和损伤强度),其中由于损伤强度意味着非稳定破裂扩展的开始,因此也被看作是长期强度,但是由于启裂强度和损伤强度都明显低于峰值强度,因此并不满足传统的强度准则。此外,破裂发生和发展还可能出现在弹性阶段,使得传统的力学概念、理论都难以用来描述这种破裂行为。

随着声发射、声波以及其他测试技术的发展,脆性岩石的破裂行为逐渐被人们所认识,描述破裂行为的特征应力也能够被很好的确定。但是这仅仅是针对岩石的短期破裂效应。当涉及岩石破裂的时间效应的时候,问题便变得复杂化,本项试验内容正是为了研究这一效应而开展的。

本次试验采用从锦屏二级2-1号试验洞中取出的盐塘组大理岩,岩样尺寸均为标准样ϕ50×100mm。

脆性岩石破裂的时间效应要通过一系列的疲劳破坏试验来完成,采用以下定义来描述疲劳破坏试验:σ1为轴向方向施加的应力;Pc为施加的围压水平;σf为瞬时强度试验中测得的峰值强度;σ为疲劳破坏中的偏应力,即σ=σ1-Pc;σc为瞬时强度试验中的偏应力,即σc=σf-Pc。为了对比数据,时间破坏曲线纵坐标采用破坏时间tf的对数,而横坐标采用应力驱动比,σ/σc=(σ1-Pc)/(σf-Pc)。其中峰值强度σf通过前期进行的瞬时压缩试验来确定,同时假设所有的岩样的峰值强度都相同,只有这样才会形成一条完整的时间破坏曲线。

将锦屏盐塘组大理岩的疲劳破坏数据进行整理,最后得到如图3-18所示结果。在这个试验过程中尽量保持外界环境不变。可以看出回归的曲线应该在应力驱动比为1.00时,瞬时破坏,但是由于岩样的离散型较大,无法准确地预估岩样的峰值强度,因此并没有满足这个条件。当应力驱动比为1.00时,拟合曲线的破坏时间为32s,说明在高应力驱动比下破坏的岩样有可能低估了其峰值强度。

将破坏需要无限长时间的驱动应力比称为驱动应力比峰值(σ/σc)th,也可以称作疲劳极限。目前还没有统一的对岩石疲劳破坏极限的认识。用指数函数来进行拟合,如图3-19所示。指数函数无限趋近于0.48。

当岩石在恒定荷载持续作用下,应变可以分为3个阶段,这3个阶段分别对应初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,如图3-20所示。蠕变过程是应变的增长和恢复相互竞争的结果。在蠕变的第一阶段,随着应力的增加,应变增长占主导。随着时间的增长,应变速率逐渐降低。如果应力保持不变,应变率会最终维持在一个数值保持不变。应变的增长和恢复保持平衡。这个阶段便是第二阶段。加速蠕变阶段是由于岩石本身持续增加的破坏而引起的应变率增长导致扩容的阶段。

但是对于脆性岩石,第三阶段很难被准确地测量出来,当到达第三阶段时很多岩样在极短的时间内便迅速破坏,甚至没有出现明显的第三阶段便破坏,图3-21曲线展示了蠕变的3个典型阶段:初始阶段很短,蠕变阶段近似线形增加的不明显,第三蠕变阶段最终导致试样的破坏。这个行为暗示了变形的时间相关性,并与在恒定压应力作用下的裂纹扩展密切相关。当裂缝密度达到临界值时第三阶段蠕变开始。侧向应变比轴向应变有更大的时间相关性,表明在恒定荷载作用下膨胀和裂缝的贯通。

长期加载包括两个阶段:初始加载阶段和稳定加载阶段。在初始加载阶段,当应力超过损伤强度时,在岩样中裂纹开始变得不稳定,体积开始增加。到稳定加载阶段时,岩样的体积保持增长直到一段时间后发生破坏。当脆性岩石在稳定荷载作用下,他的蠕变曲线可以分为三个阶段:初始蠕变阶段(第一阶段)、稳定蠕变阶段(第二阶段)、加速蠕变阶段(第三阶段)。在第一阶段应变率单调减少,直到最小值(图3-22)。在稳定蠕变阶段体积基本保持不变。在加速蠕变阶段应变率快速上升直到岩样破坏。

疲劳破坏试验中不变荷载部分产生的应变趋向于非弹性和不可恢复,这点已经在前面的分析中说明,其中增加的体积应变意味着轴向裂纹的扩展,剪切应变的增长意味着剪切滑移。两种破坏模式相互交结。在此试验过程中岩石破坏在沿轴向的微裂纹扩展和沿倾斜裂纹的剪切滑移都表现的比较明显(图3-23)。由于在试验过程中不能迅速停止,出现了整个的剪切破坏。然而近距离观察可以发现大量的近似平行的轴向裂纹。