不同含水率條件下花崗巖脆性特征評(píng)價(jià)指標(biāo)研究*

曹洋兵 陳玉華 黃真萍 劉成禹 邱冬冬

(①福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 福州 350116， 中國(guó))(②國(guó)土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 福州 350116， 中國(guó))(③地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福州 350116， 中國(guó))

0 引 言

眾多巖體工程實(shí)踐表明，工程巖體穩(wěn)定性與巖石脆性特征密切相關(guān)(王元漢等， 1998； 李庶林等， 2001； Gong et al.，2007； 徐則民等， 2007； 李慶輝， 2012)。尤其對(duì)于我國(guó)東南沿海地區(qū)廣泛分布、強(qiáng)度高、脆性明顯的花崗巖，當(dāng)在其中開(kāi)挖洞室時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)巖爆、片幫、應(yīng)力型塌方等形式的脆性破壞，威脅施工安全，增加施工成本。考慮到該類工程巖體中通常有地下水存在，因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同含水率條件下花崗巖脆性特征對(duì)此類工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要意義。

關(guān)于巖石脆性的定義，盡管當(dāng)前還沒(méi)有取得一致共識(shí)，但已有較多國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同研究角度對(duì)巖石脆性定義進(jìn)行了探討，例如：Morley(1944)和Heteny(1966)將材料的脆性定義為材料塑性損失的能力大小； Jesse(1960)將巖土體破壞前表現(xiàn)出極少或者幾乎沒(méi)有塑性變形的力學(xué)特性稱為脆性； Ramsay(1967)將巖石的脆性定義為巖石斷裂時(shí)將黏聚力轉(zhuǎn)化為內(nèi)摩擦力的能力； Obert et al. (1967)以材料達(dá)到或稍超過(guò)屈服強(qiáng)度隨即發(fā)生破壞這一力學(xué)特性稱為脆性； Andreev(1995)認(rèn)為巖石的脆性是在外部荷載的作用僅產(chǎn)生彈性變形的能力； Goktan et al. (2005)將巖石脆性定義為低圍壓條件下破壞時(shí)變形較小的能力； 李慶輝等(2012)將巖石的脆性定義為由于巖石本身天然非均質(zhì)性和外在特定加載條件下產(chǎn)生內(nèi)部非均勻力，并導(dǎo)致局部破壞，進(jìn)而形成多維破裂面的能力。上述主要從破壞前的變形角度對(duì)巖石的脆性特征進(jìn)行定義，尚缺乏綜合考慮巖石變形破壞全過(guò)程特征的脆性定義。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)不同的研究目的和對(duì)象，提出了眾多的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)已有20多種，按照強(qiáng)度、全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線、內(nèi)摩擦角、硬度、礦物組分、碎屑含量、貫入試驗(yàn)以及能量演化等進(jìn)行分類，將其編號(hào)并列于表1中。其中，Hucka et al. (1974)基于巖石單軸抗壓強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度建立了脆性指標(biāo)B1～B4，基于加卸載試驗(yàn)中可恢復(fù)應(yīng)變與總應(yīng)變比值建立脆性指標(biāo)B8，同時(shí)基于內(nèi)摩擦角的變化建立B13、B14； Altindag(2002， 2003)和Kahramana(2002， 2004)針對(duì)巖體脆性與鉆孔效率問(wèn)題對(duì)B1～B4進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分析認(rèn)為巖體可鉆性與B1、B3、B4關(guān)系不大，與B2值密切相關(guān)。此外，Altindag(2010)根據(jù)巖石破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)特征，建立了考慮峰后特征的脆性指標(biāo)B6、B7； 李慶輝等(2012)針對(duì)頁(yè)巖的脆性破壞特征，建立巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)B9； 王宇等(2014)研究了巖石起裂應(yīng)力水平與巖石脆性特征的關(guān)系，提出了脆性指標(biāo)B5； 王洪建等(2017)基于B5研究了頁(yè)巖脆性特征與層理傾角的關(guān)系； 周輝等(2014)提出了一種基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后應(yīng)力降的相對(duì)大小和絕對(duì)速率的脆性指標(biāo)B10，并開(kāi)展不同種類巖石的室內(nèi)三軸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證； 夏英杰等(2016)提出基于峰后應(yīng)力跌落速率以及能量比共同表征的脆性指數(shù)B11； 陳國(guó)慶等(2018)提出了基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線及起裂應(yīng)力水平的脆性指標(biāo)B12。除此之外，還有基于巖石硬度(B15～B17)(Lawn et al.，1979； Quinn et al.，1997； Tang et al.，1998)、碎屑含量(B18～B19)(Protodyakonov， 1963； Blindheim et al.，1998)、貫入試驗(yàn)(B20～B21)(Copur et al.，2003； Yagiz， 2006)、能量演化特征(B22～B23)(Altindag， 2002； Tarasov et al.，2013)等方面提出的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 現(xiàn)有巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)匯總表Table 1 Summary of existing brittleness indices

由表1可知，目前巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)種類繁多，一方面說(shuō)明了巖石脆性評(píng)價(jià)的重要性，同時(shí)也說(shuō)明了巖石脆性評(píng)價(jià)具有較高的復(fù)雜性。本文對(duì)現(xiàn)有脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了討論，著重分析了基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用性和準(zhǔn)確性。針對(duì)目前常用的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同含水率花崗巖的脆性特征問(wèn)題，結(jié)合不同含水率花崗巖變形破壞特征，提出基于峰值應(yīng)變大小表征峰前階段脆性特征、基于考慮破壞時(shí)間的應(yīng)力跌落速率和應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率表征峰后階段脆性特征的脆性評(píng)價(jià)新指標(biāo)，并基于試驗(yàn)結(jié)果論證了新指標(biāo)能夠準(zhǔn)確地表征花崗巖在不同含水率條件下的脆性特征的變化趨勢(shì)，可為其他巖石脆性特征評(píng)價(jià)提供參考。

1 現(xiàn)有巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)討論

以下分別對(duì)表1中20多種巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用性和準(zhǔn)確性進(jìn)行分析和討論。

1.1 基于巖石強(qiáng)度的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于強(qiáng)度的巖石脆性指標(biāo)主要依據(jù)強(qiáng)度比值法求得。周輝等(2014)研究發(fā)現(xiàn)B1、B2更多是反映巖石的強(qiáng)度差異，對(duì)巖石脆性的定量分析上不明顯。夏英杰等(2016)研究發(fā)現(xiàn)B3、B4與B1、B2類似，但其計(jì)算值變化區(qū)間上相對(duì)B1、B2較大，因此適用性較B1、B2強(qiáng)。與B1～B4類似，B5同樣更多的是反映巖石的強(qiáng)度，在定量分析巖石脆性時(shí)并不敏感。徐松林等(2001)、周輝等(2014)等通過(guò)開(kāi)展不同巖石三軸壓縮試驗(yàn)，證明了隨著圍壓的增加，巖石的強(qiáng)度和塑性逐漸增強(qiáng)，而脆性相應(yīng)減弱，對(duì)于B1～B5，隨著圍壓增大，巖石強(qiáng)度也增大，則指標(biāo)B1～B5計(jì)算值也增大，這與此時(shí)巖石的脆性程度降低的結(jié)論相悖。因此，當(dāng)巖石所處的應(yīng)力或環(huán)境條件較復(fù)雜時(shí)，該類指標(biāo)存在較大的局限性。

1.2 基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前，基于室內(nèi)試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)特征建立的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)被廣泛提出和應(yīng)用。其中，指標(biāo)B6僅考慮峰后應(yīng)力降低幅度的大??；B7僅考慮峰后應(yīng)變?cè)龃蠓鹊拇笮?；B10僅考慮曲線峰后階段相對(duì)應(yīng)力降大小及曲線斜率。現(xiàn)有的巖石脆性特征的定義(Morley， 1944； Jesse， 1960； Heteny， 1966； Obert et al.，1967； Andreev， 1995； Goktan et al.，2005)主要是基于巖石破壞前的變形特征提出，而B(niǎo)6、B7及B10均是僅考慮應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段特征而忽略了峰前階段脆性特征，因此該類脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果是不全面的。指標(biāo)B8僅考慮峰前可恢復(fù)應(yīng)變與峰值應(yīng)變的比值來(lái)計(jì)算巖石脆性，而沒(méi)有考慮峰后階段特征，且在工程應(yīng)用中合理選擇巖石卸荷點(diǎn)難度較大，難以保證獲取所需參數(shù)的精度。已有研究成果表明，巖石破壞的峰前階段和峰后階段的脆性特征是巖石總體脆性特征的重要組成部分，均不可忽略(李慶輝等， 2012； 夏英杰等， 2016； 陳國(guó)慶等， 2018)。綜上所述，B6、B7、B8和B10的評(píng)價(jià)結(jié)果反映的僅是巖石的部分脆性特征，相對(duì)整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程并不全面。

圖1 B9不能考慮的情況示意圖Fig. 1 Diagram of cases can not be reflected by B9

李慶輝等(2012)針對(duì)頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)，提出了指標(biāo)B9，考慮由峰值應(yīng)變和峰后曲線特征對(duì)頁(yè)巖脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于反映峰前脆性特征的指標(biāo)B′9，根據(jù)定義，若峰值應(yīng)變?cè)酱?，則B′9計(jì)算結(jié)果越大，因而脆性也越強(qiáng)，這與文章自身認(rèn)為破壞前峰值應(yīng)變?cè)叫〈嘈栽礁呦嗝埽?對(duì)反映峰后脆性特征的指標(biāo)B″9，借鑒周輝等(2014)的分析，可以將CSBRIT理解為峰后曲線斜率與峰前曲線斜率的比值，在圖1所示情況中，OABC、OADE、OAFG 3條曲線，峰值應(yīng)變相同，且3條曲線CSBRIT值相同，因此指標(biāo)B9計(jì)算值相同，但由峰后應(yīng)力降不同可知其脆性不同。此外，提出的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)沒(méi)有明確的取值方法，在工程應(yīng)用中存在一定的難度。夏英杰等(2016)提出脆性指標(biāo)B11，該指標(biāo)采用破壞時(shí)所釋放能量與峰前總能量比表征峰前脆性狀態(tài)，用峰后曲線斜率表征峰后脆性程度，對(duì)指標(biāo)B′11，根據(jù)其定義，當(dāng)B′11為最小值0時(shí)，代表巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值強(qiáng)度后進(jìn)入極脆破壞狀態(tài)或完全塑性狀態(tài)，當(dāng)考慮為極脆破壞狀態(tài)，此時(shí)巖石脆性程度應(yīng)是較大的，而根據(jù)定義，B′11計(jì)算值越小，脆性程度越弱，前后結(jié)論出現(xiàn)矛盾。陳國(guó)慶等(2018)在總結(jié)了上述研究成果基礎(chǔ)上，提出了指標(biāo)B12，該指標(biāo)基于起裂點(diǎn)后應(yīng)力增大速率表征峰前脆性，基于應(yīng)力跌落速率來(lái)表征峰后脆性，B′12的定義與李慶輝等(2012)提出的曲線形態(tài)參數(shù)CSBRIT概念類似，可以將B′12理解為峰前曲線斜率與峰前起裂點(diǎn)后曲線斜率的比值。此外，由于巖石本身的非均質(zhì)性和各向異性，要準(zhǔn)確獲取起裂點(diǎn)位置存在一定的困難。

1.3 其他的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)

除上述2類常見(jiàn)的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)外，還有一些其他的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)。B13～B14采用內(nèi)摩擦角大小評(píng)價(jià)巖石脆性特征，但該指標(biāo)難以反映巖石變形破壞全過(guò)程的脆性特征；B15～B17是針對(duì)陶瓷材料的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于硬度測(cè)試確定，由于巖石不同于陶瓷材料，其不均勻性及各向異性導(dǎo)致指標(biāo)計(jì)算值誤差較大；B18～B19根據(jù)沖擊試驗(yàn)后巖石破碎程度確定其脆性特征，然而巖石脆性與外部環(huán)境密切相關(guān)，且收集巖石碎屑工作也會(huì)存在誤差，指標(biāo)精度和適用性均難以保證；B20～B21的確定對(duì)設(shè)備及試驗(yàn)場(chǎng)的要求較高，且由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)誤差偏大，導(dǎo)致其難以廣泛應(yīng)用。B22～B23與B6～B8類似，僅考慮應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前階段脆性特征，評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面。

1.4 對(duì)巖石脆性評(píng)價(jià)方法的討論

總體而言，筆者認(rèn)為一個(gè)合理可靠的巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該能充分表征巖石本身的力學(xué)特性及外部應(yīng)力、環(huán)境條件對(duì)巖石脆性的影響，如圍壓、溫度或含水條件的改變； 其次，指標(biāo)所需的參數(shù)要能通過(guò)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)獲取。基于室內(nèi)試驗(yàn)得出的巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，反映了處于不同物理力學(xué)狀態(tài)的巖石在外部載荷下發(fā)生變形直至破壞失去承載能力的過(guò)程，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的室內(nèi)試驗(yàn)獲取，是評(píng)價(jià)巖石脆性的最直觀、最有效的方法，相比其他方法具有顯著優(yōu)勢(shì)。

但是，目前基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)，或參數(shù)取值困難，或難以全面準(zhǔn)確地反映巖石變形破壞全過(guò)程的脆性特性，如B9～B12普遍采用峰后曲線的斜率或峰后曲線斜率和峰前曲線斜率的比值來(lái)表征峰后應(yīng)力跌落速率的大小，B12采用峰前曲線斜率與峰前起裂點(diǎn)后曲線斜率的比值來(lái)表征峰前應(yīng)力增長(zhǎng)速率。筆者認(rèn)為，若將應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段斜率表征為應(yīng)力跌落速率，物理含義比較模糊，表達(dá)式中并沒(méi)有與峰后應(yīng)力跌落時(shí)間有關(guān)的參量。若巖石達(dá)到峰值點(diǎn)后極短時(shí)間內(nèi)應(yīng)力迅速跌落，變形破壞劇烈，則脆性強(qiáng)，若破壞經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)，表示破壞的劇烈程度低，則脆性相對(duì)較弱，在目前常用的指標(biāo)中均沒(méi)有考慮該問(wèn)題。進(jìn)一步地，考慮峰值強(qiáng)度點(diǎn)到殘余強(qiáng)度起始點(diǎn)之間的破壞時(shí)間，可彌補(bǔ)應(yīng)力-應(yīng)變曲線不能準(zhǔn)確反映巖石破壞形態(tài)特征(謝和平等， 2005)的不足，使得巖石脆性評(píng)價(jià)更加全面。

2 不同含水率花崗巖脆性特征評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證目前常用的基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)是否適用于表征不同含水率花崗巖的脆性特征，本文取山東某地下水封洞庫(kù)工程的花崗巖，加工成滿足《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組， 2004)和國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定要求的試樣，基于剛性試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，試樣含水率由浸水時(shí)間控制，試樣共分為8組，分別為1(干燥，含水率0)、2(浸水6ih，平均含水率0.116%)、3(浸水12ih，平均含水率0.129%)、4(浸水24ih，平均含水率0.167%)、5(浸水48ih，平均含水率0.178%)、6(浸水72ih，平均含水率0.185%)、7(浸水96ih，平均含水率0.197%)、8(飽和，平均含水率0.223%)。軸向荷載的施加根據(jù)規(guī)定，采用力控制方式，加載速率為2ikN·s-1，數(shù)據(jù)采樣間隔0.1is。每組至少3個(gè)試樣，進(jìn)行精細(xì)加工，并在試驗(yàn)前通過(guò)在試樣兩端和承壓板涂抹黃油消除端部效應(yīng)影響，選取合理的滿足要求的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除極個(gè)別含水率或抗壓強(qiáng)度偏離程度較大或沒(méi)有得到峰后曲線的試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 不同含水率花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig. 2 Stress-strain curves of granite under different water contents

表2 不同含水率花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)現(xiàn)象描述Table 2 Description of experimental phenomena of granite with different water contents under uniaxial compression

圖3 花崗巖試樣單軸壓縮結(jié)果示意圖Fig. 3 Diagram of text results of granite with different water content under uniaxial compressiona. 1-2； b. 3-3； c. 5-2； d. 6-4； e. 7-1； f. 8-1

根據(jù)圖2獲取了各關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變值，對(duì)前述常用的基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算(表3，圖4)。

表3 脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)B6、B7、B10、B11計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Calculated results of difference brittleness indices of B6、B7、B10、B11

由圖4顯示的常用的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)B6、B7、B10、B11計(jì)算結(jié)果變化曲線可知：隨著花崗巖含水率的增大，指標(biāo)B6與B10的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)雜亂，難以評(píng)價(jià)不同含水率花崗巖的脆性特征； 指標(biāo)B7與B11計(jì)算結(jié)果在總體上能夠反映花崗巖脆性隨含水率增大而降低的趨勢(shì)，但數(shù)據(jù)離散性較大，如指標(biāo)B7在花崗巖浸水12ih(含水率0.129%)及浸水96ih(含水率0.197%)時(shí)計(jì)算值出現(xiàn)異常大現(xiàn)象，指標(biāo)B11在花崗巖飽和(含水率0.223%)的計(jì)算結(jié)果大于浸水96ih(含水率為0.197%)。綜上所述，脆性指標(biāo)B6、B7、B10、B11對(duì)不同含水率花崗巖脆性特征評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面和準(zhǔn)確。因此，針對(duì)不同含水率條件下花崗巖脆性特征評(píng)價(jià)問(wèn)題，有必要提出一個(gè)新的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖4 脆性指標(biāo)B6、B7、B10、B11計(jì)算結(jié)果曲線Fig. 4 Curves of brittleness indices B6，B7，B10，B11a. 脆性指標(biāo)B6； b. 脆性指標(biāo)B7； c. 脆性指標(biāo)B10； d. 脆性指標(biāo)B11

3 基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征及峰后破壞時(shí)間的脆性評(píng)價(jià)新指標(biāo)

借鑒目前的脆性定義及已有脆性特征評(píng)價(jià)指標(biāo)研究成果，結(jié)合不同含水率花崗巖變形破壞特征，筆者認(rèn)為，若想全面反映不同含水率花崗巖變形破壞全過(guò)程的脆性特征，則應(yīng)綜合考慮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰前及峰后兩階段。基于此，提出如下不同含水率花崗巖脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合表達(dá)式：

Bd=Bd1+Bd2

(1)

式中，Bd1為峰前脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)；Bd2為峰后脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

告警發(fā)生時(shí)間/告警恢復(fù)時(shí)間：2014-09-15 11:54:56+08:00/2014-09-15 11:55:37+08:00.

相關(guān)研究表明(David et al.，1960； Hucka， 1974； Hobbs et al.，1976； Altindag， 2010； 李慶輝等， 2012； 周輝等， 2014； 夏英杰等， 2016； 陳國(guó)慶等， 2018)，相同巖性的巖石，峰值應(yīng)變?cè)叫t脆性程度越高?？紤]到峰值應(yīng)變獲取簡(jiǎn)單，因此考慮采用峰值應(yīng)變大小表征花崗巖在不同含水率條件下的峰前脆性特征，Bd1具體計(jì)算式如下：

(2)

式中，εp為峰值應(yīng)變，取lg為底并除以一個(gè)常數(shù)K的目的是使得Bd1與Bd2的數(shù)值相當(dāng)，防止Bd1相對(duì)Bd2過(guò)大或過(guò)小而出現(xiàn)其中一個(gè)被忽略的情況出現(xiàn)，故K值應(yīng)根據(jù)特定類型巖石的試驗(yàn)結(jié)果合理選取。本文根據(jù)不同含水率花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為使構(gòu)建的反映峰前、峰后脆性特征的Bd1與Bd2數(shù)值相當(dāng)，并基于花崗巖脆性程度隨含水率增加而逐漸降低的認(rèn)識(shí)，通過(guò)試算，確定出K值取5是合適的。值得指出的是，相關(guān)研究結(jié)論和本文試驗(yàn)結(jié)果均表明應(yīng)用峰值應(yīng)變表征不同含水率花崗巖峰前脆性特征是合適的，但對(duì)于不同類型巖石(如花崗巖、大理巖和砂巖等)之間的脆性程度比較，僅應(yīng)用峰值應(yīng)變表征峰前脆性特征的合理性和準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

至于峰后階段的脆性特征評(píng)價(jià)，現(xiàn)有研究已表明(Altindag， 2010； 李慶輝等， 2012； 夏英杰等， 2016； 陳國(guó)慶等， 2018)，峰后應(yīng)力的跌落與應(yīng)變的增加均是表征峰后脆性特征的關(guān)鍵參量，此外，在深部硬巖工程中的巖爆、片幫等施工動(dòng)力災(zāi)害的強(qiáng)度與巖石脆性破壞所經(jīng)歷的時(shí)間密切相關(guān)。筆者通過(guò)研究不同含水率花崗巖單軸壓縮破壞過(guò)程，得出花崗巖脆性破壞應(yīng)該同時(shí)滿足應(yīng)力跌落速率快及應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率快這兩個(gè)條件?；谏鲜隹紤]，并為了彌補(bǔ)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的不足，對(duì)已有研究成果加以改進(jìn)，進(jìn)一步考慮峰后破壞時(shí)間，提出基于峰后應(yīng)力跌落速率及應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率的脆性指標(biāo)，Bd2具體表達(dá)式如下：

(3)

式中，σp為峰值應(yīng)力(MPa)；σr為殘余應(yīng)力(MPa)；εp為峰值應(yīng)變；εr為殘余應(yīng)變；t為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上峰值強(qiáng)度點(diǎn)到殘余強(qiáng)度起始點(diǎn)之間的時(shí)間間隔(s)。Bd2取值越大說(shuō)明花崗巖脆性越強(qiáng)。由Bd2的表達(dá)式可知，即使峰后曲線為近垂直跌落，也可以通過(guò)應(yīng)力跌落速率項(xiàng)來(lái)表征峰后脆性特征。此外，現(xiàn)有類似脆性指標(biāo)大多存在峰前峰后指標(biāo)單位不同現(xiàn)象，由于峰前峰后指標(biāo)的物理含義不同，因而單位自然也不相同。本文提出的新指標(biāo)Bd，峰前指標(biāo)Bd1為無(wú)量綱的數(shù)值，而峰后指標(biāo)Bd2的單位為s-1，雖然單位不同，但本文僅是采取其計(jì)算數(shù)值大小作為巖石脆性特征評(píng)價(jià)依據(jù)，是合理可靠的。

本文采用Bd對(duì)不同含水率花崗巖脆性特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，認(rèn)為其脆性主要從兩個(gè)方面體現(xiàn)：(1)花崗巖脆性越強(qiáng)，則峰前應(yīng)變?cè)叫。?(2)花崗巖脆性越強(qiáng)，則峰后應(yīng)變軟化階段的應(yīng)力跌落速率越快、應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率也越快。新指標(biāo)Bd通過(guò)考慮峰后破壞時(shí)間這一參量，不僅克服了應(yīng)力-應(yīng)變曲線不能反映巖石破壞形態(tài)問(wèn)題，也克服了相同應(yīng)力降時(shí)不同跌落速率產(chǎn)生的誤差(Bishop， 1967)，因此該指標(biāo)能夠更加全面準(zhǔn)確地表征不同含水率花崗巖的脆性特征，同時(shí)該指標(biāo)獲取方便也給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)便捷。

為檢驗(yàn)提出的新指標(biāo)Bd的合理性，同樣基于上述不同含水率花崗巖室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出Bd，列于表4和圖5中。

表4 脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)Bd計(jì)算成果表Table 4 Calculated results of brittleness index Bd

圖5 脆性指標(biāo)Bd計(jì)算結(jié)果曲線Fig. 5 Curves of brittleness indices Bd

表5 驗(yàn)證性試驗(yàn)的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)Bd計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculated results of brittleness index Bd of the new proven experiments

由圖5可知，新指標(biāo)Bd能夠直觀地反映出含水率增大時(shí)花崗巖脆性逐漸降低的變化趨勢(shì)，相對(duì)于其他常用的基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)B6、B7、B10、B11而言，對(duì)花崗巖在不同含水率條件下脆性特征的變化更為敏感。

為進(jìn)一步驗(yàn)證新指標(biāo)Bd及峰前脆性Bd1中參量K取5對(duì)評(píng)價(jià)不同含水率花崗巖脆性特征的合理性和普適性，另在同一場(chǎng)地不同空間位置取了花崗巖試樣，采用如前述相同的試驗(yàn)方法分別進(jìn)行了浸水36ih、60ih的單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及脆性指標(biāo)Bd計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。盡管由于地質(zhì)條件的較小差別導(dǎo)致新增的2組試驗(yàn)獲得的單軸抗壓強(qiáng)度比前述的近似含水率條件下略大，但脆性指標(biāo)Bd仍保持隨含水率增加而逐漸下降規(guī)律，具體為： 4(浸水24ih，Bd為1.333)>9(浸水36ih，Bd為1.255)>5(浸水48ih，Bd為1.222)>10(浸水60ih，Bd為1.211)>6(浸水72ih，Bd為1.180)。由此說(shuō)明，表征峰前脆性特征的指標(biāo)Bd1中參量K取5對(duì)于花崗巖具有較好的普適性，并且相對(duì)于其他基于應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線建立的巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)而言，新指標(biāo)Bd同時(shí)考慮了花崗巖峰前和峰后變形破壞階段的脆性特征，并進(jìn)一步考慮了花崗巖峰后破壞時(shí)間，物理含義明確，并具有計(jì)算簡(jiǎn)單、參數(shù)獲取容易等優(yōu)點(diǎn)，相比其他同類指標(biāo)能夠比較準(zhǔn)確全面的對(duì)不同含水率花崗巖脆性特征變化趨勢(shì)進(jìn)行表征。

4 結(jié) 論

針對(duì)目前常用的基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性指標(biāo)在不同含水率條件下花崗巖脆性特征評(píng)價(jià)中的適用性差問(wèn)題，基于理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出了一種全面反映不同含水率花崗巖脆性特征評(píng)價(jià)的新指標(biāo)，研究過(guò)程中主要獲得以下結(jié)論：

(1)基于理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的巖石脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析和討論，結(jié)合單軸壓縮狀態(tài)下花崗巖脆性特征隨含水率增加而逐漸降低的試驗(yàn)規(guī)律，指出目前常用的基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征的指標(biāo)難以全面準(zhǔn)確反映不同含水率花崗巖脆性特征。

(2)為全面反映不同含水率花崗巖變形破壞全過(guò)程的脆性特征，提出了基于峰值應(yīng)變表征峰前脆性特征、基于考慮破壞時(shí)間的峰后應(yīng)力跌落速率及應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率表征峰后脆性特征的花崗巖脆性特征評(píng)價(jià)新指標(biāo)Bd。Bd取值越大，脆性程度越高。該指標(biāo)綜合考慮了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰前、峰后兩階段，并應(yīng)用峰后破壞時(shí)間來(lái)表征花崗巖破壞的速率、碎裂程度、彈射距離、聲響等應(yīng)力-應(yīng)變曲線無(wú)法反映的脆性特征。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，Bd能夠準(zhǔn)確地反映出不同含水率條件下花崗巖的脆性變化趨勢(shì)。

(3)本文提出并驗(yàn)證的新指標(biāo)Bd主要針對(duì)不同含水率條件下花崗巖的脆性特征評(píng)價(jià)，而對(duì)于花崗巖在不同加載速率、圍壓、溫度等作用下的脆性特征評(píng)價(jià)以及其他類型巖石的脆性特征評(píng)價(jià)問(wèn)題，該新指標(biāo)是否適用仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。