巖質邊坡砂巖裂隙特征對應力應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邊坡砂巖的力學特征，文章設計了裂隙傾角、裂隙數量、裂隙深度三個因素影響下的含初始裂隙砂巖三軸力學試驗，并基于試驗結果開展了應力應變分析。結果表明：裂隙傾角、裂隙數量兩因素均不會影響砂巖應變破壞特征，保持同一圍壓下，兩因素下的試樣應力應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，試樣塑性強化顯著；圍壓效應仍是試樣變形破壞的最主要因素；裂隙數量、裂隙深度與試樣破壞強度呈負相關，裂隙數量增多，試樣破壞強度受之影響愈顯著，但裂隙深度梯次變化下，破壞強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度呈正相關，裂隙傾角與加載面的分布關系改變了破壞強度的變化趨勢。研究成果可為巖質邊坡危害處理提供試驗依據。

關鍵詞：邊坡；砂巖；裂隙；應力應變；試驗

中圖分類號：U416.03 A 23 070 4

0 引言

水利、交通等行業中，常遇見巖質邊坡工程［1-2］，其坡體安全穩定性與巖層分布特征、巖體力學特性密切相關，探討巖體力學特征變化，對巖質邊坡整治具有理論依據。王繼虎、何川［3-4］為研究邊坡基巖或巖層力學特征，通過開展單、三軸等室內力學試驗，基于試驗結果數據分析，探討了巖石試樣應力應變特征，從宏觀力學角度評價了工程巖體穩定性。張安琪、趙光明等［5-6］認為，工程巖體不能僅看重室內試驗樣品，模擬現場巖體狀態也很重要，因而開展了不同尺寸、不同含水率的巖石試樣力學試驗，分析了尺寸效應、含水特征等對巖石試樣力學水平的影響，豐富了巖石試驗力學研究成果。自然界中巖石本體常含初始裂隙，而在室內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］通過人工預制裂隙方法，對預制裂隙巖石試樣的拉、壓宏觀力學進行了對比，分析了預制裂隙方式以及物理特征對試樣應變破壞、應力水平影響，總結了巖石試樣強度特征與裂隙因素的理論關系，為工程巖體力學分析提供試驗依據。本文從巖質邊坡砂巖試樣預制裂隙入手，探討了三個裂隙特征因素下的應力、應變影響，為邊坡整治設計提供試驗參考。

1 工程介紹

為加強北部灣城市群與南寧、柳州地區交通的聯通性，計劃在北部灣城市群與桂北地區擬建一重要交通干道，活躍地區人口、經濟交流。在該干道K4+235區段處，存在有一巖質邊坡，其位于公路東側，整體呈南北向展開，坡體朝向正西，經開挖后，在該坡體內可形成橫貫面320 m長、2～40 m寬的巖質邊坡面，坡度約為30°～35°，坡體內巖層埋深較淺，厚度為3～8.5 m，上覆土層主要為人工種植土、粉質黏土等，基巖材料為弱風化砂巖。根據現場地質測量，該巖質邊坡巖層傾角為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。從該公路建設全域考慮，不僅在區段K4+235處，在沿線其他區段處也有類似砂巖順層邊坡，但巖質物理狀態特征各有差異。從總體全區段順層巖質邊坡分析，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°，因而這也是全區段各巖質邊坡出現滑移破壞面差異的內在影響因素。從邊坡鉆孔地質資料得知，所在地區最大地應力為25 MPa，地下基巖埋深深度可達4 000 m，巖土層孔隙特征包括了裂隙傾角、裂隙數量等，在不同區段各有差異，粉質黏土分布較廣的地區，所在區段的砂巖裂隙傾角較小，≤60°。結合巖質邊坡與公路建設安全性，考慮邊坡砂巖在不同裂隙特征下力學特性，有助于揭示邊坡滑移面失穩位移內在機理，也能夠更清晰地了解砂巖宏觀承載力學影響變化。

2 試驗方法

為確保試驗結果可靠性，采用基礎巖石力學試驗方法，對含裂隙面砂巖開展力學破壞試驗，由試驗數據反映含裂隙面砂巖宏觀力學特征。試驗采用RMS-1500力學加載試驗設備，該試驗系統經改良升級后，具有24通道數據采集通道，可同時進行軸、環向以及體積變形監測，也可實現包括軸荷、圍壓等力學荷載更高精度的實時程控。該試驗設備最大軸荷可達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加載，采用了圓柱式加載平臺，直徑可達45 cm，可適應不同尺寸體型的圓柱體巖石試樣，加載平臺內所有構件均視為剛性構件，強度、剛度均超過巖石試樣。試驗中軸向位移采用LVDT通道數據，量程為-15～15 mm，環向位移為-20～20 mm，基于不同荷載、位移等數據監測反饋，探討砂巖試樣加載破壞過程中強度、變形特征。

根據公路沿線典型順層巖質邊坡鉆孔取樣，獲得了巖質邊坡內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域，裂隙深度各有差異，最深裂隙深度為1.2 mm，裂隙數量也存在一定差異，現場鉆孔的樣品中裂隙數量最多的可達100條/m2。室內物理力學測定表明，該巖質邊坡砂巖含水率為0.5%～2%，經室內飽和試驗得到該砂巖含水率與浸泡時間關系，如圖2所示，臨界飽和度約為58%，含水率在到達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。為模擬巖質邊坡砂巖裂隙特征影響，采用人工預制裂隙方法［7-9］，按照裂隙傾角、裂隙數量以及裂隙深度三個因素進行對比分析，所有預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，經室內加工、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。

根據試驗對比要求，砂巖預制裂隙三個因素分別按照邊坡實際鉆孔取樣現狀，其中裂隙傾角分別設定為0°～90°，梯次為15°，裂隙深度按照現場鉆樣上限值，設計為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm、1.2 mm，裂隙數量根據試樣表面積換算最多為10條，對比組分別設定為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行試驗結果對比，評價含裂隙砂巖力學特征差異，試驗圍壓設定為5 MPa、15 MPa、25 MPa，三組試驗參數如表1所示。

3 預制裂隙特征對砂巖力學特性影響

3.1 裂隙傾角影響

基于不同裂隙傾角組砂巖試樣力學試驗，獲得了預制裂隙物理特征下試樣力學特性，如下頁圖4所示。依據圖中應力應變變化特征可知，同一圍壓組下，各試樣的峰值應變以及峰值應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力后應變特征，圍壓5 MPa、25 MPa下峰值后應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下峰值應力后降幅分別為78.7%、18.6%，殘余應力分別為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［10］，圍壓效應對其破壞特征影響更值得關注。

從裂隙傾角影響砂巖試樣應力水平可知，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，試樣破壞強度平均提高了14.4%。當圍壓增大至25 MPa后，傾角0°～90°的試樣破壞強度分布為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，破壞強度具有平均增幅24.6%。進行宏觀對比可知，圍壓愈大，含裂隙砂巖試樣不僅應力水平可增大，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，破壞強度得到提高，巖質邊坡中應重點關注水平向裂隙巖層的穩定性［11］。

3.2 裂隙數量影響

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

在圍壓5 MPa下裂隙數量2～10條試樣破壞強度分布為15.8～52.1 MPa，隨裂隙數量每梯次增長2條，試樣破壞強度平均減少了25.1%，當圍壓增大至15 MPa后，試樣破壞強度提高了41.1%～138.2%，受裂隙數量梯次影響，其破壞強度平均下降了15.2%?？傮w上看，裂隙數量對砂巖試樣破壞強度影響為逐步增大的過程，在裂隙數量為2～6條時，試樣破壞強度受之影響仍較弱，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下裂隙數量為8條、10條時，試樣破壞強度分別為50.1 MPa、37.6 MPa，平均降幅可達26.2%。分析認為，裂隙數量對砂巖承載強度影響為逐步加深，巖質邊坡中應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試驗，獲得了該裂隙物理因素影響下的砂巖力學特性，如圖6所示。由圖中應力應變演變可知，不論是圍壓5 MPa或是圍壓15 MPa，當裂隙深度≤0.8 mm時，試樣峰后應力回落現象顯著，部分試樣下降段更快、更陡；當裂隙深度為1 mm、1.2 mm時，試樣峰值應力后具有一定的應變塑性強化特征，圍壓5 MPa下此兩裂隙試樣在應變0.94%后呈現長期的應力降幅慢、應變高的發展段特征。由試驗結果分析可知，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上是處于閉合裂隙、打開裂隙的微觀力學“循環”［12-13］。

從裂隙深度影響破壞強度量值來看，在圍壓為5 MPa時，裂隙深度0.2～0.8 mm的試樣強度分布為33.5～58.5 MPa，而裂隙深度1 mm、1.2 mm兩試樣強度分別為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，此種現象仍然如此，隨裂隙深度梯次變化，試樣破壞強度平均減少了9.3 MPa，降幅為14.8%，整體上破壞強度分布為29.5～76 MPa。綜合可知，裂隙深度會改變砂巖試樣應變破壞特征，但對試樣破壞強度的削弱效應具有均衡變化性。

4 結語

（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；圍壓效應不僅可提高試樣強度，也能提高試樣破壞強度受裂隙傾角影響的敏感性。

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

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

參考文獻

［1］王天達.二級公路順層巖質邊坡滑坡穩定性分析及治理措施［J］.交通世界，2022（15）：95-97.

［2］劉 誠，劉文連，彭 普，等.基于擬動力下限法的地震作用下巖質邊坡穩定性分析［J］.水電能源科學，2022，40（4）：129-132，103.

［3］王繼虎.高陡巖質邊坡變形破壞特征及控制研究［J］.黑龍江水利科技，2022，50（7）：46-48，77.

［4］何 川.循環荷載下軟硬互層巖體力學特征及邊坡變形破壞機制研究［D］.成都：成都理工大學，2021.

［5］張安琪，袁 磊，舒中潘，等.不同含水率花崗巖凍融循環作用下的抗壓性能及強度損傷特性研究［J］.資源信息與工程，2022，37（5）：64-68.

［6］趙光明，劉之喜，孟祥瑞，等.高徑比對砂巖能量積聚與耗散試驗及分析方法［J］.煤炭學報，2022，47（3）：1 110-1 121.

［7］陳 超，王 偉，許高杰，等.考慮不同節理傾角和貫通率的類巖材料單軸壓縮試驗［J］.河海大學學報（自然科學版），2022，50（5）：124-130，146.

［8］王星辰，王志亮，黃佑鵬，等.預制裂隙巖樣宏細觀力學行為顆粒流數值模擬［J］.水文地質工程地質，2021，48（4）：86-92.

［9］岳 東，霍小泉，任建喜，等.裂隙煤巖三軸壓縮特性宏細觀試驗研究［J］.礦業研究與開發，2022，42（2）：101-107.

［10］曾佳君，張志軍，蒲成志.張開度影響的裂隙類巖試件破斷試驗與數值模擬［J］.地下空間與工程學報，2022，18（6）：1 863-1 872.

［11］吳 越.含預制裂隙水電站巖質邊坡穩定性分析［J］.地下水，2022，44（1）：203-205.

［12］范 杰，朱 星，胡桔維，等.基于3D-DIC的砂巖裂紋擴展及損傷監測試驗研究［J］.巖土力學，2022，43（4）：1 009-1 019.

［13］劉艷章，王 瑾，尹 東，等.凍融作用下單裂隙類砂巖凍脹力與強度變化規律研究［J］.礦冶工程，2021，41（6）：115-119.

收稿日期：2023-07-20