Page 48 - 水利学报2021年第52卷第1期

2.2 试验方案 采用 MTS815 岩石力学试验系统开展试验，对层理倾角为 0°、30°、45°、90°的千枚岩

岩样分别进行围压为 5、10、20、30 MPa 的三轴加载试验，每组试验做 2 个样，当两次试验结果离散较
大时补充一组试验，采用 MTS 引伸计对试验过程中的轴向、环向变形进行测量。加载方法如下：（1）采
用应力控制，以 0.1 MPa/s 的速率施加静水压力至目标值（5、10、20、30 MPa）；（2）保持围压不变，轴
向采用 0.02 mm/s 的位移速率施加轴向荷载，直至岩样破坏；（3）岩样破坏后，围压依然保持不变，继
续采用 0.02 mm/s 的轴向位移速率施加轴向荷载，直到轴向应力不再随着应变的增加而降低。

3 扩容及塑性应变特性

3.1 特征应力点 不同层理倾角千枚岩三轴加载应力-应变关系及典型破坏模式如图 3 所示。已有文
献指出：根据应力-应变曲线可将千枚岩压缩全过程划分为 5 个阶段 ［14］ ，每阶段结束点对应一特征应
力：裂纹闭合阶段（裂纹闭合应力 σ ）；弹性变形阶段（起裂应力 σ ）；裂纹稳定拓展阶段（损伤扩
ci
cc
容应力 σ ）；裂纹损伤和失稳拓展阶段（峰值应力 σ ）；峰后破坏阶段（残余应力 σ ）。
cd
γ
f
裂纹闭合阶段：加载初期，岩样内部的微裂隙、空洞闭合，应力-应变曲线上凹，曲线上各点切
线模量逐渐增加，即微裂隙闭合使岩样的弹性模量提高。倾角为 0°的岩样压密段最为显著，在应力-
应变曲线上表现为明显的上凹，倾角为 30°、45°的岩样次之，倾角为 90°的岩样几乎没有压密段，这
与岩样三轴加载下的受力模式有关。90°岩样沿轴向分布的层状岩柱承受了绝大部分轴向应力，这种
沿轴向分布的基质具有相当高的强度和刚度，故其压密效应最不显著。而层理倾角越小，弱面参与
受压的程度越大，由于裂纹闭合阶段的轴向变形主要与弱面的压密有关，故倾角越小，裂纹闭合现
［8］
象愈明显。与通常对各向同性岩体的认识 相似，不论何种倾角岩样随着围压的增加压密段均逐渐缩
短，在高围压下几乎没有压密段，认为在高静水压力下岩样内部的微裂隙已早期闭合，所以不存在
压密段。
弹性变形阶段：过裂纹闭合应力 σ 后，应力-应变曲线近似为直线，进入弹性变形阶段。这一
cc
阶段虽然存在着内部裂隙的闭合和张开，但弹性变形仍主导这一过程，从图 3 可以看出，这一阶段轴
向、环向变形与应力成明显的线性关系。层理倾角为 90°岩样因其受力模式类似于压杆失稳，弹性变
形阶段最长；倾角为 30°和 45°岩样的弹性变形阶段与围压表现出较强的离散性，主要原因是 30°和
45°岩样弱面颗粒和基质骨架按一定比例共同受力，弱面颗粒在剪切应力的作用下，可能产生局部微
裂纹，微裂纹引起的应力集中会使基质发生局部破裂，使得起裂应力 σ 并不稳定。
ci
裂纹稳定拓展阶段：由于岩样内部介质并非完全均质，加载造成局部应力集中，过起裂应力 σ ci

后，微裂纹开始发育、扩散，岩样由压缩到膨胀的过程也即将发生，一般认为这一过程是可以控制
的，这个阶段的终点即损伤扩容应力 σ 。在本组试验中，扩容应力在倾角为 30° ~ 45°左右最小，在
cd
倾角为 90°时最大。层理倾角为 0°，坚硬基质和软弱层面的受力比较均匀，最大剪应力面贯穿坚硬基
质和软弱层面，在岩体内部应力集中程度和最大剪应力面上应力集中程度较低，使得岩体扩容偏应
力相对较高。随着倾角的增加，最大剪应力面逐渐向软弱层面倾角逼近，软弱层面上的剪应力水平
逐渐增大，由于软弱层面强度相对较低，在较小的应力水平下岩样内部就能造成微裂纹的发育，这
些微裂纹的发育反过来又会加剧岩样内部的应力集中效应，这种效应在倾角为 30° ~ 45°左右表现最
为明显，对应的扩容应力也就较低。
裂纹损伤和失稳拓展阶段：过损伤扩容应力 σ cd 后，环向应变迅速增大，试件的体应变由负变

正，体积发生膨胀，与上个阶段不同，这一阶段发生的裂纹扩展是不可逆的，这个阶段的终点即峰
值应力 σ 。受层理面的影响，不同围压下千枚岩峰值应力普遍在倾角为 45°时最小，在倾角为 90°时
f
最大，这与岩样的破坏模式相对应：当倾角为 0°时，破裂模式是穿切层面的剪切破坏，强度取决于
岩石基质本身，故强度较高；当倾角为 45°时，破裂模式是沿层理弱面的剪切滑移破坏，抗压强度取
决于弱面，故强度最低；当倾角为 90°时，破裂模式类似于压杆失稳，强度由基质本身的强度决定，

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