岩质边坡砂岩裂隙特征对应力应变特征的影响试验研究

李华

摘要：为研究含初始裂隙的岩质边坡砂岩的力学特征，文章设计了裂隙倾角、裂隙数量、裂隙深度三个因素影响下的含初始裂隙砂岩三轴力学试验，并基于试验结果开展了应力应变分析。结果表明：裂隙倾角、裂隙数量两因素均不会影响砂岩应变破坏特征，保持同一围压下，两因素下的试样应力应变曲线趋势具有一致性；裂隙深度会影响试样破坏特征，裂隙深度＞0.08 mm时，试样塑性强化显著；围压效应仍是试样变形破坏的最主要因素；裂隙数量、裂隙深度与试样破坏强度呈负相关，裂隙数量增多，试样破坏强度受之影响愈显著，但裂隙深度梯次变化下，破坏强度降幅具有均衡变化特征，各深度下试样降幅接近；而裂隙倾角与试样破坏强度呈正相关，裂隙倾角与加载面的分布关系改变了破坏强度的变化趋势。研究成果可为岩质边坡危害处理提供试验依据。

关键词：边坡；砂岩；裂隙；应力应变；试验

中图分类号：U416.03 A 23 070 4

0 引言

水利、交通等行业中，常遇见岩质边坡工程［1-2］，其坡体安全稳定性与岩层分布特征、岩体力学特性密切相关，探讨岩体力学特征变化，对岩质边坡整治具有理论依据。王继虎、何川［3-4］为研究边坡基岩或岩层力学特征，通过开展单、三轴等室内力学试验，基于试验结果数据分析，探讨了岩石试样应力应变特征，从宏观力学角度评价了工程岩体稳定性。张安琪、赵光明等［5-6］认为，工程岩体不能仅看重室内试验样品，模拟现场岩体状态也很重要，因而开展了不同尺寸、不同含水率的岩石试样力学试验，分析了尺寸效应、含水特征等对岩石试样力学水平的影响，丰富了岩石试验力学研究成果。自然界中岩石本体常含初始裂隙，而在室内试验中模拟初始裂隙特征，对揭示岩石裂隙损伤很有意义，陈超、王星辰等［7-8］通过人工预制裂隙方法，对预制裂隙岩石试样的拉、压宏观力学进行了对比，分析了预制裂隙方式以及物理特征对试样应变破坏、应力水平影响，总结了岩石试样强度特征与裂隙因素的理论关系，为工程岩体力学分析提供试验依据。本文从岩质边坡砂岩试样预制裂隙入手，探讨了三个裂隙特征因素下的应力、应变影响，为边坡整治设计提供试验参考。

1 工程介绍

为加强北部湾城市群与南宁、柳州地区交通的联通性，计划在北部湾城市群与桂北地区拟建一重要交通干道，活跃地区人口、经济交流。在该干道K4+235区段处，存在有一岩质边坡，其位于公路东侧，整体呈南北向展开，坡体朝向正西，经开挖后，在该坡体内可形成横贯面320 m长、2～40 m宽的岩质边坡面，坡度约为30°～35°，坡体内岩层埋深较浅，厚度为3～8.5 m，上覆土层主要为人工种植土、粉质黏土等，基岩材料为弱风化砂岩。根据现场地质测量，该岩质边坡岩层倾角为45°～60°，倾向与坡向呈锐角相交，具有顺层滑移面，坡体形态如图1所示。从边坡地形测量来看，该边坡最高处为337.9 m，设计开挖后相对高程约为35～40 m，从岩层滑移面分布考慮，控制原始地形线与坡面线之间关系很有必要，能够减弱边坡滑移面与岩层软弱面夹角。从该公路建设全域考虑，不仅在区段K4+235处，在沿线其他区段处也有类似砂岩顺层边坡，但岩质物理状态特征各有差异。从总体全区段顺层岩质边坡分析，基岩破裂面特征存在一定差异，K8+126段砂岩破裂面倾角为40°，而在K6+125处砂岩破裂面倾角为60°，因而这也是全区段各岩质边坡出现滑移破坏面差异的内在影响因素。从边坡钻孔地质资料得知，所在地区最大地应力为25 MPa，地下基岩埋深深度可达4 000 m，岩土层孔隙特征包括了裂隙倾角、裂隙数量等，在不同区段各有差异，粉质黏土分布较广的地区，所在区段的砂岩裂隙倾角较小，≤60°。结合岩质边坡与公路建设安全性，考虑边坡砂岩在不同裂隙特征下力学特性，有助于揭示边坡滑移面失稳位移内在机理，也能够更清晰地了解砂岩宏观承载力学影响变化。

2 试验方法

为确保试验结果可靠性，采用基础岩石力学试验方法，对含裂隙面砂岩开展力学破坏试验，由试验数据反映含裂隙面砂岩宏观力学特征。试验采用RMS-1500力学加载试验设备，该试验系统经改良升级后，具有24通道数据采集通道，可同时进行轴、环向以及体积变形监测，也可实现包括轴荷、围压等力学荷载更高精度的实时程控。该试验设备最大轴荷可达1 500 kN，单级荷载最大波动频率≤0.01 Hz，不论是轴荷或是围压加载，均为实时程控，误差≤0.1%。为匹配含裂隙面砂岩力学加载，采用了圆柱式加载平台，直径可达45 cm，可适应不同尺寸体型的圆柱体岩石试样，加载平台内所有构件均视为刚性构件，强度、刚度均超过岩石试样。试验中轴向位移采用LVDT通道数据，量程为-15～15 mm，环向位移为-20～20 mm，基于不同荷载、位移等数据监测反馈，探讨砂岩试样加载破坏过程中强度、变形特征。

根据公路沿线典型顺层岩质边坡钻孔取样，获得了岩质边坡内不同裂隙特征的砂岩样品，从裂隙分布特征来看，其倾角最大≤90°，裂隙分布主要在试样表面的中部区域，裂隙深度各有差异，最深裂隙深度为1.2 mm，裂隙数量也存在一定差异，现场钻孔的样品中裂隙数量最多的可达100条/m2。室内物理力学测定表明，该岩质边坡砂岩含水率为0.5%～2%，经室内饱和试验得到该砂岩含水率与浸泡时间关系，如图2所示，临界饱和度约为58%，含水率在到达临界饱和度后并无较显著增长，本文试验样品中饱和时间即以此为参照。为模拟岩质边坡砂岩裂隙特征影响，采用人工预制裂隙方法［7-9］，按照裂隙倾角、裂隙数量以及裂隙深度三个因素进行对比分析，所有预制裂隙宽度取边坡钻孔样品的裂隙平均宽度与长度，分别为3 mm、15 mm，且均分布在试样周身中部，经室内加工、打磨后，制作成加载试样，如图3所示即为不同裂隙倾角的代表性试样。

根据试验对比要求，砂岩预制裂隙三个因素分别按照边坡实际钻孔取样现状，其中裂隙倾角分别设定为0°～90°，梯次为15°，裂隙深度按照现场钻样上限值，设计为0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm、1.2 mm，裂隙数量根据试样表面积换算最多为10条，对比组分别设定为2条、4条、6条、8条、10条。每一组试验方案均按照单一变量因素进行试验结果对比，评价含裂隙砂岩力学特征差异，试验围压设定为5 MPa、15 MPa、25 MPa，三组试验参数如表1所示。

3 预制裂隙特征对砂岩力学特性影响

3.1 裂隙倾角影响

基于不同裂隙倾角组砂岩试样力学试验，获得了预制裂隙物理特征下试样力学特性，如下页图4所示。依据图中应力应变变化特征可知，同一围压组下，各试样的峰值应变以及峰值应力后破坏特征同化性较显著，围压5 MPa、25 MPa下两组试样峰值应变分别为1.25%、1.42%。对比两围压下差异可看出，围压增大，最主要的影响集中在峰值应力后应变特征，围压5 MPa、25 MPa下峰值后应力回落幅度以前者为更大，同为裂隙倾角30°试样在围压5 MPa、25 MPa下峰值应力后降幅分别为78.7%、18.6%，残余应力分别为9.6 MPa、46.7 MPa。由此可知，初始裂隙倾角特征不会影响砂岩变形破坏形态［10］，围压效应对其破坏特征影响更值得关注。

从裂隙倾角影响砂岩试样应力水平可知，在围压5 MPa下，倾角0°、15°、60°、90°下4个试样破坏强度分别为34.3 MPa、39.4 MPa、60.5 MPa、80.7 MPa，而在总体上随裂隙倾角15°变化，试样破坏强度平均提高了14.4%。当围压增大至25 MPa后，倾角0°～90°的试样破坏强度分布为37.6～131.2 MPa，较之围压5 MPa下分别提高了9.6%～62.5%；随裂隙倾角梯次变化，破坏强度具有平均增幅24.6%。进行宏观对比可知，围压愈大，含裂隙砂岩试样不仅应力水平可增大，且受裂隙特征影响敏感性也会提高；裂隙分布逐步靠拢于加载方向，试样有效承载面愈大，破坏强度得到提高，岩质边坡中应重点关注水平向裂隙岩层的稳定性［11］。

3.2 裂隙数量影响

基于裂隙倾角45°试样组力学试验结果，获得了裂隙数量对砂岩试样应力应变特征影响，如图5所示。根据图中应变趋势可知，与裂隙倾角特征影响性类似，不论裂隙数量如何增长，试样的应力应变曲线具有相似性：两围壓下各裂隙数量试样均呈应变脆化特征，但后者围压下应力水平降幅低于前者。同为裂隙数量6条下，围压5 MPa、25 MPa下峰值后降幅分别为79%、9.9%，前者围压下残余应力为7.7 MPa，围压效应可约束砂岩试样的脆性变形。

在围压5 MPa下裂隙数量2～10条试样破坏强度分布为15.8～52.1 MPa，随裂隙数量每梯次增长2条，试样破坏强度平均减少了25.1%，当围压增大至15 MPa后，试样破坏强度提高了41.1%～138.2%，受裂隙数量梯次影响，其破坏强度平均下降了15.2%。总体上看，裂隙数量对砂岩试样破坏强度影响为逐步增大的过程，在裂隙数量为2～6条时，试样破坏强度受之影响仍较弱，围压5 MPa下分别具有降幅13%、19.2%，而围压15 MPa下平均降低了8.9 MPa，围压15 MPa下裂隙数量为8条、10条时，试样破坏强度分别为50.1 MPa、37.6 MPa，平均降幅可达26.2%。分析认为，裂隙数量对砂岩承载强度影响为逐步加深，岩质边坡中应尽快处理分布较多的含裂隙岩层。

3.3 裂隙深度影响

同理，基于不同裂隙深度组试样力学试验，获得了该裂隙物理因素影响下的砂岩力学特性，如图6所示。由图中应力应变演变可知，不论是围压5 MPa或是围压15 MPa，当裂隙深度≤0.8 mm时，试样峰后应力回落现象显著，部分试样下降段更快、更陡；当裂隙深度为1 mm、1.2 mm时，试样峰值应力后具有一定的应变塑性强化特征，围压5 MPa下此两裂隙试样在应变0.94%后呈现长期的应力降幅慢、应变高的发展段特征。由试验结果分析可知，初始裂隙深度特征会影响砂岩加载变形破坏特征，裂隙深度过大，试样的加载破坏实质上是处于闭合裂隙、打开裂隙的微观力学“循环”［12-13］。

从裂隙深度影响破坏强度量值来看，在围压为5 MPa时，裂隙深度0.2～0.8 mm的试样强度分布为33.5～58.5 MPa，而裂隙深度1 mm、1.2 mm两试样强度分别为27.2 MPa、22.7 MPa，总体上看，裂隙深度对砂岩试样破坏强度影响具有均衡性，每梯次裂隙深度在0.2 mm变化，试样破坏强度平均下降7.2 MPa，降幅为17.2%，各方案间较为接近，如裂隙深度0.6～1.2 mm间，降幅依次为16.6%、18.9%、16.5%，与该围压组下平均降幅接近。围压为15 MPa时，此种现象仍然如此，随裂隙深度梯次变化，试样破坏强度平均减少了9.3 MPa，降幅为14.8%，整体上破坏强度分布为29.5～76 MPa。综合可知，裂隙深度会改变砂岩试样应变破坏特征，但对试样破坏强度的削弱效应具有均衡变化性。

4 结语

（1）裂隙倾角不会影响砂岩变形破坏特征，围压增大会改变试样破坏特征；围压效应不仅可提高试样强度，也能提高试样破坏强度受裂隙倾角影响的敏感性。

（2）裂隙数量同样不影响砂岩破坏特征，同一围压下裂隙数量不同的试样应力应变曲线一致；裂隙数量愈多，试样破坏强度削弱愈显著，围压15 MPa下裂隙数量每梯次变化2条，强度平均降低了15.2%，而在裂隙数量8条、10条时，强度平均降幅可达26.2%。

（3）裂隙深度会影响砂岩试样应变破坏特征，在裂隙深度＜0.8 mm时，试样具有脆性应变特征，反之具有塑性强化特点；裂隙深度增大，试样强度变化具有均衡性，围压5 MPa下裂隙深度0.2～1.2 mm下强度平均减少了17.2%，而各裂隙深度试样对比下强度降幅基本接近。

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收稿日期：2023-07-20