水壓力作用下三峽庫區(qū)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(zhì)大學(xué)(武漢)， 武漢 430074， 中國)

0 引 言

侏羅系軟巖夾層在三峽庫區(qū)內(nèi)分布廣泛，受沉積背景與地質(zhì)構(gòu)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(lián)合作用下，該類型軟巖夾層極易發(fā)生軟化劣化，進(jìn)而產(chǎn)生滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害(簡文星等， 2005)。據(jù)統(tǒng)計(jì)庫區(qū)內(nèi)67%的滑坡災(zāi)害都發(fā)育在該地層中，目前該地層中老滑坡的復(fù)活和新滑坡的生成已經(jīng)成為威脅三峽庫區(qū)穩(wěn)定性的主要災(zāi)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(qū)侏羅系軟巖的損傷劣化特性對于庫岸邊坡的長期穩(wěn)定性評價(jià)、預(yù)測評估危巖體的壽命具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

水巖物理力學(xué)相互作用是水致巖石損傷劣化主要因素，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此已經(jīng)進(jìn)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(huán)作用和飽水軟化作用兩個(gè)研究方面。在水巖干濕循環(huán)作用方面，王子娟(2016)研究了干濕循環(huán)作用下三峽庫區(qū)消落帶巖體的累積劣化機(jī)理，并建立了干濕循環(huán)作用下砂巖的累積損傷本構(gòu)模型。張莉萍等(2018)對南京秦淮東河黃馬青組砂巖進(jìn)行了干濕循環(huán)試驗(yàn)，分析了水致巖石的劣化特征，認(rèn)為多次循環(huán)后巖石的塑性特性增強(qiáng)，破壞速度加快。鄧華鋒等(2019)對三峽庫區(qū)消落帶砂巖也進(jìn)行了系列干濕循環(huán)試驗(yàn)，認(rèn)為水壓力升降和干濕循環(huán)作用會對庫區(qū)軟巖造成不可逆的漸進(jìn)累積損傷。Luo et al. (2018)采用水巖相互作用循環(huán)試驗(yàn)，研究了庫水位波動對巖石流變性能和力學(xué)性能的影響。安陽等(2019)研究了干濕循環(huán)作用下石膏巖的劣化效應(yīng)，認(rèn)為隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件裂紋數(shù)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(rèn)為巖樣浸水后內(nèi)部結(jié)構(gòu)的膨脹效應(yīng)會使巖石發(fā)生軟化、強(qiáng)度降低。Bian et al. (2019)從微觀角度研究了浸泡條件下頁巖參數(shù)劣化的機(jī)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(jī)制，認(rèn)為黏土礦物與水反應(yīng)后所產(chǎn)生的不均勻應(yīng)力和微孔隙會是使巖石發(fā)生軟化的主要原因之一。柳萬里等(2020)認(rèn)為飽水作用會使得巴東組泥巖特征強(qiáng)度降低、脆性變形減弱、塑性變形增強(qiáng)。

水巖力學(xué)相互作用的研究主要集中在巖石滲流-應(yīng)力耦合作用方面。Li et al. (2016)對大理巖進(jìn)行了無滲流壓力和有滲流壓力三軸壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為滲流壓力的存在會使得巖石的強(qiáng)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(rèn)為滲流壓力會使巖石強(qiáng)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(xué)行為，并分析了水壓力與巖石脆性損傷之間的關(guān)系。周翠英等(2019)研究了含裂紋紅層軟巖在水-應(yīng)力-裂隙耦合作用下的力學(xué)特性變化規(guī)律，認(rèn)為三者之間的相互作用會加速軟巖變形破壞進(jìn)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(rèn)為隨水壓升高，巖石的起裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力和峰值強(qiáng)度均持續(xù)降低。孫琪皓等(2019)基于彈塑性力學(xué)、滲流力學(xué)以及損傷理論建立了巖體滲流-損傷-應(yīng)力耦合模型，并應(yīng)用該模型分析了圍巖的變形破壞規(guī)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(yīng)力路徑組合條件下的力學(xué)試驗(yàn)，研究了水力耦合作用下砂巖的漸進(jìn)破壞特征和裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

綜合分析上述研究可以發(fā)現(xiàn)，在水致巖石損傷劣化研究中前人多側(cè)重于研究巖石在動水環(huán)境下的損傷劣化特性，如庫水位升降所產(chǎn)生的干濕循環(huán)作用或滲流壓力作用，而庫區(qū)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(qū)侏羅系軟巖為研究對象，對其進(jìn)行了不同水壓力狀態(tài)下的MTS三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，建立了考慮水致初始損傷的損傷演化方程，在此基礎(chǔ)上分析了水壓力、聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與軟巖的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)及變形破壞之間的關(guān)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(lián)系，為庫區(qū)岸坡長期穩(wěn)定性評價(jià)及其演化過程研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 MTS三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)

1.1 巖樣制備與試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用巖樣采自三峽庫區(qū)萬州區(qū)侏羅系中統(tǒng)，為沙溪廟組泥質(zhì)粉砂巖，按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)制成高為100mm，直徑為50mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。所用試驗(yàn)系統(tǒng)由MTS815.03型壓力試驗(yàn)系統(tǒng)和巖石聲發(fā)射控制采集系統(tǒng)共同組成，具備軸壓、圍壓、孔隙水壓3套獨(dú)立的伺服控制功能，聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)采用美國PAC生產(chǎn)的PCI-2型多通道、全數(shù)字化聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)，具體試樣及試驗(yàn)儀器圖見圖1、圖2。

圖1 侏羅系泥質(zhì)粉砂巖標(biāo)準(zhǔn)試樣

圖2 MTS815.03型巖石三軸壓縮及聲發(fā)射采集試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)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(yīng)變率適應(yīng)范圍10-2～10-7s-1。聲發(fā)射系統(tǒng)采用四通道傳感器組成陣列采集聲發(fā)射信號，采樣率1MFPS，門檻值設(shè)為35dB，前置放大器的增益為40dB。

1.2 試驗(yàn)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(yàn)水壓的設(shè)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(chǎn)生的靜水壓力，試驗(yàn)?zāi)M簡化示意圖如圖3所示?？紤]到三峽庫區(qū)近地表巖體受力狀態(tài)的變化，在此需要從控制變量的角度設(shè)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(yù)定值，并使圍壓在后續(xù)試驗(yàn)過程中始終保持此值不變。然后在試樣底端的進(jìn)水口加載水壓至對應(yīng)的預(yù)定值，并保持2h，使端部水壓盡可能滲入巖石內(nèi)部微空隙中，對巖石產(chǎn)生一定的損傷，在各個(gè)試驗(yàn)過程中維持水壓在預(yù)定值不變。最后采用位移控制式進(jìn)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(yàn)中位移、應(yīng)力及水壓力數(shù)據(jù)采用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。試驗(yàn)全過程采用聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，同步收集巖樣變形破壞各個(gè)階段的聲發(fā)射參數(shù)。

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M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(fā)射振鈴計(jì)數(shù)是指超過門檻信號的振蕩次數(shù)，其在一定程度上能反映聲發(fā)射信號的強(qiáng)弱及頻度，是評價(jià)巖石完整性和破裂過程的重要參數(shù)。Heiple et al.(1983)和Wadley et al. (2013)也通過大量試驗(yàn)表明，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)能反映材料內(nèi)部損傷的演化過程，因此，本文選用累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率為特征參量，來衡量不同水壓下的損傷狀態(tài)。若設(shè)無損巖樣斷面面積為A，發(fā)生完全破壞時(shí)的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)為N，則巖樣單位面積微元破壞時(shí)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率Nw為：

(1)

在加載過程中，巖樣損傷斷面面積達(dá)到Ad時(shí)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)率Nd為：

(2)

所以，加載損傷變量Dl為：

(3)

又因?yàn)樵嚇邮欠裢耆茐暮茈y判斷，因此這里進(jìn)一步對該損傷變量進(jìn)行修正，修正后的表達(dá)式如下：

(4)

式中： 1-σr/σf為修正因子；σr為殘余應(yīng)力；σf為峰值應(yīng)力。

在軸向應(yīng)力加載之前，受到水壓力的作用巖石內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了部分損傷，把這部分由水壓力導(dǎo)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(yīng)力共同作用下產(chǎn)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(yīng)力聯(lián)合作用下的損傷演化方程表達(dá)式，其中，D0Dl為耦合項(xiàng)。

2.2 三峽庫區(qū)侏羅系軟巖損傷演化過程分析

對三峽庫區(qū)侏羅系軟巖在不同水壓力下的三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，參照李存寶等(2017)中的方法計(jì)算出起裂應(yīng)力σci、損傷應(yīng)力σcd、峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力、彈性模量如表1所示，限于篇幅具體計(jì)算過程不再贅述。將表1中的數(shù)據(jù)及聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)代入式(6)，得到振鈴計(jì)數(shù)、損傷變量與應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖4所示。

表1 不同水壓力下侏羅系軟巖的強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)及圖4對比分析可以發(fā)現(xiàn)，侏羅系軟巖的起裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力、峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)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(dāng)水壓力由0MPa遞增到1MPa時(shí)，侏羅系軟巖的起裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力、峰值應(yīng)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(yīng)力的下降幅度較小，為43.4%。另外，從應(yīng)力-應(yīng)變峰后曲線的變化規(guī)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(zhuǎn)化為應(yīng)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(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化軟化，導(dǎo)致其抵抗荷載能力大幅度下降的作用。

圖4 基于聲發(fā)射的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線、損傷演化曲線及聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律均具有較好的一致性。據(jù)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(wěn)定發(fā)展階段(BC)、微裂隙非穩(wěn)定發(fā)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(jìn)行，損傷演化曲線先緩慢抬升，隨之平穩(wěn)增加，而后迅速增加，最后趨于穩(wěn)定，因此可將侏羅系軟巖的損傷演化過程劃分為4個(gè)階段，即損傷形成階段(Ⅰ)、損傷穩(wěn)定發(fā)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(fā)展過程與損傷演化過程基本保持同步，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在各個(gè)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(fā)射的損傷演化階段劃分

(I)損傷形成階段：對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)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(tài)，微裂隙基本未發(fā)生擴(kuò)展，也很少有新生微裂隙產(chǎn)生，在該階段聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)也很少，損傷開始初步形成。

(Ⅱ)損傷穩(wěn)定發(fā)展階段：包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的彈性變形階段(AB)和微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC)。該階段損傷變量開始穩(wěn)步增大，但增幅依然較?。?在該階段后期，巖樣中新生裂隙開始產(chǎn)生并逐步擴(kuò)展延伸，損傷整體呈穩(wěn)定性發(fā)展趨勢，此階段聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)逐漸增大。

(Ⅲ)損傷破壞階段：對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的微裂隙非穩(wěn)定發(fā)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(kuò)展、新生裂隙不斷產(chǎn)生，尺度較大的裂隙迅速聚集并貫通，巖樣最終出現(xiàn)宏觀破壞； 此階段裂紋之間相互作用加強(qiáng)，聲發(fā)射活動極其活躍，在該階段末期聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)接近峰值。

(Ⅳ)損傷破壞后階段：對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)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(chǎn)生宏觀破裂后，進(jìn)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(nèi)部除主裂隙外，仍有許多次生裂隙產(chǎn)生及擴(kuò)展，因此，在變形過程中巖石內(nèi)部仍會產(chǎn)生一定程度的聲發(fā)射活動，但呈現(xiàn)出下降的趨勢，直至振鈴計(jì)數(shù)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(yīng)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(diǎn)對應(yīng)的損傷變量，起裂點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變值為起裂損傷應(yīng)變，可認(rèn)為在該點(diǎn)之前無明顯損傷，該點(diǎn)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(jù)表1并結(jié)合圖4計(jì)算出不同水壓力下巖樣的4個(gè)損傷演化特征值見表2，并繪出對應(yīng)的散點(diǎn)圖及擬合回歸曲線如圖6～圖8所示，回歸方程及相關(guān)系數(shù)見表3。

表2 水壓力與損傷特征值關(guān)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(yīng)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(xiàn)出較好的線性相關(guān)關(guān)系，均隨水壓力的增大而增大，結(jié)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(dá)到了0.5以上，說明了庫水靜水壓力對侏羅系軟巖力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)及結(jié)構(gòu)完整性有著較大的影響； 同時(shí)，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(dāng)水壓力增大到1MPa左右時(shí)，兩者擬合曲線逐漸相交，說明僅由水壓力對侏羅系軟巖產(chǎn)生的損傷作用便可使巖石達(dá)到起裂損傷狀態(tài)。

起裂損傷增量反映的是含初始損傷的巖石達(dá)到起裂損傷狀態(tài)所需要的外界條件對其產(chǎn)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(xiàn)出了較好的反比例函數(shù)的變化關(guān)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(jìn)入微裂隙穩(wěn)定損傷發(fā)展階段所需的外界加載應(yīng)力損傷越小。同樣，圖8中起裂損傷應(yīng)變變化曲線也基本反映了這一規(guī)律，起裂損傷應(yīng)變與水壓力大致呈現(xiàn)出了拋物線式的變化關(guān)系，該值也同樣逐漸接近于0，反映出起裂損傷應(yīng)變對后期水壓力的變化更為敏感。其中： 0.3MPa水壓力對應(yīng)的起裂損傷應(yīng)變的數(shù)值異常則可能與巖樣物質(zhì)成分的不均勻性、試樣的離散性有關(guān)。

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

3 結(jié) 論

本文對三峽庫區(qū)侏羅系軟巖進(jìn)行了不同水壓力狀態(tài)下三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，建立了基于聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)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(qū)侏羅系軟巖在不同水壓力狀態(tài)下的力學(xué)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(guān)系，得到主要結(jié)論如下：

(1)水壓力的存在能夠使侏羅系軟巖的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)發(fā)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(yīng)力、損傷應(yīng)力、峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力以及彈性模量衰減幅度分別達(dá)74.2%、66.9%、62.4%、43.4%、51.9%，水壓力越大，巖石在各個(gè)變形破壞階段對應(yīng)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的強(qiáng)度也隨之增大，且呈現(xiàn)出的應(yīng)變軟化破壞也越明顯。

(2)根據(jù)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、損傷演化曲線變化規(guī)律，及應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可將三峽庫區(qū)侏羅系軟巖的損傷演化過程分為4個(gè)階段，即損傷形成階段、損傷穩(wěn)定發(fā)展階段、損傷破壞階段和損傷破壞后階段，分別對應(yīng)于巖石原生空隙壓密階段、彈性變形及微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段、微裂隙非穩(wěn)定發(fā)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(yīng)變4個(gè)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(gè)特征值之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)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(shù)值在逐漸接近，當(dāng)水壓力在1MPa時(shí)，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(tài)； 起裂損傷增量和起裂損傷應(yīng)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(jìn)入裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段和損傷破壞階段。