应变曲线演化规律与强度破坏特征，应用裂纹体积应变模型确定了启裂强度与损伤强度.结果表明：单轴压缩条件下，隐晶质玄武岩的启裂强度为峰值强度的52.07%，损伤强度为峰值强度的93.6%；三轴压缩条件下，启裂强度为峰值强度的48.4%～53.1%，损伤强度为峰值强度的92.4%～96.6%，随着围压的增大，启裂强度和损伤强度随之增大；启裂阶段内摩擦角小于损伤阶段的内摩擦角，损伤阶段的内摩擦角与峰值阶段的内摩擦角相当.摘 要： 针对白鹤滩隐晶质玄武岩的变形演化机理，通过室内试验分析了其应力应变曲线演化规律与强度破坏特征，应用裂纹体积应变模型确定了启裂强度与损伤强度.结果表明：单轴压缩条件下，隐晶质玄武岩的启裂强度为峰值强度的52.07%，损伤强度为峰值强度的93.6%；三轴压缩条件下，启裂强度为峰值强度的48.4%～53.1%，损伤强度为峰值强度的92.4%～96.6%，随着围压的增大，启裂强度和损伤强度随之增大；启裂阶段内摩擦角小于损伤阶段的内摩擦角，损伤阶段的内摩擦角与峰值阶段的内摩擦角相当.
随着我国基础工程建设和资源开发的快速发展，隧道建设、矿山开采、水电开发等岩体工程将进一步向地下深部发展，使得深部高应力下地下工程硬岩破坏与工程灾害问题无法避免.白鹤滩水电站地质条件复杂，地下洞室在开挖过程中由于受到地质条件与施工条件的影响，频发围岩失稳破坏，随着工程的掘进和研究工作的深入，对白鹤滩玄武岩的研究尚不能满足工程安全运行的需要，玄武岩在不同围压下的强度特征、破裂演化等特征还没有得到充分揭示.
为了对岩石的裂纹演化过程和脆性破坏机制进行深入了解，对深埋隧洞围岩做出稳定性评价，国内外许多学者对岩石的破坏进行了大量的研究.Martin等[1]认为，Lac Du Bonnet花岗岩的启裂强度一般为单轴抗压强度的40%～50%，之后岩石内部的微裂隙开始萌生扩展，达到单轴抗压强度的80%时，此时的强度为岩石的损伤强度.启裂强度与损伤强度均与试样的尺寸无关，但损伤应力会依赖于累积损伤量.刘泉声等[2]基于多种应变响应分析青砂岩的启裂机制及细观破坏特征，指出启裂破坏的主因是局部张拉应力集中，针对岩石细观启裂机制提出了适用于不同围压条件下的启裂破坏准则.高美奔等[3]通过轴向应变刚度确定岩石各阶段的强度特征值，岩石内微裂纹的不断扩展、贯通，将会引起轴向应变刚度出现波动.周辉等[4]系统总结了4种岩石启裂强度与损伤强度的计算方法，研究结果表明，裂纹体积应变模型法可以方便、准确地确定岩石的启裂强度与损伤强度，声发射法只能了解岩石的渐进破坏和损伤过程，采用移动点回归法计算体积应变刚度时，受取值点间隔影响较大，难以确定启裂强度值.牛双建等[5]对破裂岩样进行了单轴压缩再破坏试验，其应力应变曲线有多峰型和单峰型，峰前表现为单调增加，岩样在峰值时发生最终破坏.张国凯等[6]分析了岩石特征应力对应的宏/细观表征，结果表明，裂纹体积应变、波速及声发射事件对应的损伤起始应力吻合较好.张传庆等[7]基于常规三轴试验揭示了大理岩弹性变形特性、变形与强度的围压效应、脆延转换破坏特征及机制.肖桃李等[8]研究了不同围压下深部大理岩强度变形特性，结果表明，深部大理岩以弹性变形为主，破坏模式主要为脆性破坏，围压高于初始地应力时，大理岩从脆性破坏向延性转化；粘聚力为54.53 MPa，内摩擦角为38.06°.李建贺等[9]通过围压卸荷试验发现，卸荷条件下岩石通常呈张剪性破坏，且卸荷速率、围压和应力路径等因素均对其变形破裂机制有较大影响.
本文针对白鹤滩隐晶质玄武岩，在单轴及三轴压缩条件下研究其脆性破坏特征，分析不同围压条件下玄武岩内裂隙启裂、损伤演化过程，测定其启裂强度与损伤强度，同时分析启裂强度、损伤强度与围压的关系，揭示玄武岩破坏过程中的强度演化机制.
本文试验采用白鹤滩水电站取回的隐晶质玄武岩岩块，并按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-1999)加工成直径为50 mm，高度为100 mm的圆柱形标准试样，部分岩样如图1所示.
图1 玄武岩试样
Fig.1 Basalt specimens
岩石的单轴压缩试验在中国科学院武汉岩土力学研究所岩石力学试验系统RMT-150C上进行，采用位移控制方式加载，加载速率控制为0.06 mm/min，轴向变形采用LVDT监测记录.环向变形采用横向LVDT监测记录.
三轴压缩试验在中国科学院武汉岩土力学研究所岩石刚性压力机MTS815上进行，试验采用LVDT轴向位移伺服控制，加载速率为峰前0.02 mm/min，峰后0.06 mm/min，环向变形采用由链条连接的伸长计进行测量.试验时先施加围压至预定值，之后再施加轴压直至试件破坏.围压分别设定为10、20、30、50、70、90 MPa.每个围压条件下选取5个试样进行三轴压缩试验.
国内外许多研究成果表明，对脆性岩石而言，其峰前应力应变曲线可以分为4个阶段：裂纹闭合阶段(Ⅰ)；线弹性变形阶段(Ⅱ)；裂纹稳定扩展阶段(Ⅲ)；裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，如图2所示.该过程包含几个重要的岩石应力阈值，即表征弹性阶段起始的裂纹闭合强度(σcc)，表征岩石内裂纹开始萌生的启裂强度(σci)，表征裂纹失稳扩展的损伤强度(σcd)以及岩石的峰值强度(σf).当岩石所受荷载超过上述特定应力阈值后，其物理力学性质都将产生重大变化.
目前，常用的确定启裂应力的方法为裂纹体积应变模型法.根据声发射监测结果，由于在试验过程中不可避免地捕捉到较多的噪音信号，裂纹启裂瞬间的声发射信号不容易被捕捉到，因此，本文主要根据裂纹体积应变模型确定启裂应力.
图2 典型岩石应力应变曲线
Fig.2 Typical stress-strain curves of rock
根据Martin等[1]提出的裂纹体积应变模型，岩石体积应变由两部分组成：1)岩石基质在荷载作用下产生的弹性变形；2)岩石内裂纹在加载过程中由于新裂纹萌生及裂纹扩展、贯通产生的体积变形.裂纹体积应变可以表示为
(1)
εv≈ε1+2ε3
(2)
(3)
式中：εv为试样总体积应变；
为基质弹性体积应变；E、v分别为根据线弹性阶段试验曲线求得的弹性模量和泊松比；σ1为轴向应力；σ3为围压；ε1和ε3分别为轴向应变和横向应变.
在弹性阶段，总体积应变增量等于弹性体积应变增量，εv与
的差值就是原始裂纹闭合引起的总体积压缩量，因此在这一阶段，
曲线保持水平.当岩样进入裂纹扩展阶段，总体积应变中包含裂纹发育引起的体积膨胀，导致曲线向负方向偏移.于是，由曲线表示的弹性阶段与裂纹扩展阶段之间必然存在一个拐点，找到该拐点对应的轴向应力水平，即可确定启裂应力.
损伤强度标志着岩石内部裂纹大量连接、交汇，裂纹的不断发育、扩展、贯通导致试样体积应变急剧增大，其增大趋势逐渐超过加载造成的弹性体积压缩趋势，体积应变曲线逐渐出现拐点，将该点作为岩石的损伤强度，之后即使应力不增加，裂纹也会不断扩展贯通.因此，损伤强度也被称为裂纹非稳定扩展的起点、初始屈服点、岩石的长期强度等.
3.1.1 单轴压缩试验应力应变特征
图3为隐晶质玄武岩岩样2-yjz-01、2-yjz-02、2-yjz-03、2-yjz-04在单轴压缩条件下的轴向应力轴向应变、轴向应力横向应变的关系曲线.所有试样在应力较低时，试样内部原有的裂隙、裂纹、孔洞等在外荷载作用下被不断压密闭合，初期加载出现非线性变形，轴向应力应变曲线略向上弯曲，在初始裂纹被完全压密后，施加的应力水平尚未达到启裂之前，试样中不产生新的裂纹，曲线近似直线，进入线弹性阶段后，此时玄武岩可视为理想弹性体.由图3可知，非稳定发展阶段几乎不存在，即轴向压力以近似直线的形式攀升至峰值强度，未出现明显的非线性段，表明试样内部未出现阶段性的微裂纹密集发育、贯通，且在轴向应力达到峰值强度后，岩样随即发生突发性破坏而失去承载能力，岩样的平均峰值强度为185.57 MPa，破坏时的轴向应变与横向应变均很小，表现出明显的脆性破坏特征，即应力超过屈服强度后不表现出明显的塑性变形就达到破坏的特征.
图3 单轴压缩条件下玄武岩应力应变曲线
Fig.3 Stress-strain curves of basalt under uniaxial compression condition
3.1.2 单轴压缩试验破坏特征
图4为玄武岩单轴压缩试样破坏形态.试验过程中，隐晶质玄武岩岩样破坏过程非常剧烈，有很多碎片或碎块猛烈飞溅，伴随巨大声响，破坏后的碎片主要呈薄片状，剩余部分呈块状，竖向的破裂面较为干净，无粉末分布，表现为拉伸破坏模式.可以看出，破坏面与加载方向平行或近似平行，玄武岩脆性破坏特征显著.图5为破裂面断口的电镜扫描结果.可见断裂面基本没有颗粒附着，表面的裂纹呈不规则的台阶状，粗糙度显著，表明在单轴条件下，玄武岩试件破坏机制为拉伸破坏.
3.1.3 单轴压缩试验强度特征
白鹤滩隐晶质玄武岩单轴测试结果如表1所示.单轴压缩条件下隐晶质玄武岩试样的启裂强度为峰值强度的52.07%，相较于Lac Du Bonnet花岗岩[1]的40%～50%略高，而二者峰值强度基本相同，表明隐晶质玄武岩相较于花岗岩颗粒间粘结强度更高，裂纹扩展、发育需要更高的应力水平.隐晶质玄武岩损伤强度约为峰值强度的93.6%，基本接近峰值强度，说明岩样在应力临近峰值强度时，试样内部迅速出现大量裂隙并扩展贯通，此时，由于能量释放过于集中，导致试样发生剧烈的脆性破坏，出现碎块状炸裂现象，岩样失去承载能力，无峰后残余段.
图4 单轴压缩条件下玄武岩破坏形态
Fig.4 Failure morphologies of basalt under uniaxial compression condition
图5 单轴压缩破裂面断口电镜扫描照片
Fig.5 SEM images of fracture surface under uniaxial compression
表1 隐晶质玄武岩单轴测试结果
Tab.1 Results of uniaxial tests on aphanitic basalt
试样编号峰值强度/MPa启裂强度/MPa损伤强度/MPa启裂强度/峰值强度损伤强度/峰值强度2-yjz-01189.3103.5189.054.7%99.8%2-yjz-02272.4155.3217.357.0%79.8%2-yjz-03140.067.8133.848.4%95.6%2-yjz-04124.660.1123.648.2%99.2%
3.2.1 三轴压缩试验应力应变特征
图6为玄武岩在三轴压缩条件下典型的偏应力应变曲线.由图6可知，随着围压的增加，岩石峰值强度不断升高，弹性模量随围压的增高略有增大，曲线斜率较陡，且由于加载过程中先施加预设围压大小的静水压力，试样内初始裂隙被充分压密，故与单轴应力应变曲线相比没有明显的压密阶段，而且试样变形过程中的总变形量较小，高围压下峰值应变约为1%.
在轴向应变达到峰值应变前是接近线性的，岩石的塑性变形量较小.达到峰值强度后，应力应变曲线具有明显的应力跌落现象.岩样在峰值之后仍保持一定的强度，随着围压增大，峰后的残余强度不断增加.从应力应变曲线可以看出，在本文设定的围压范围内，对于白鹤滩隐晶质玄武岩试样，在不同围压下，试样始终表现出显著的脆性破坏特征，并没有随围压的增大表现出某种延性特征，即使围压达到了90 MPa，也与低围压条件下相一致发生快速跌落，并没有出现其他脆性岩石.大理岩在单轴压缩时以破碎的方式发生破坏，但当围压仅有25 MPa时便可发生延性形变，随着围压的逐渐增高，形变中的脆性作用逐渐减小，在围压为300 MPa时，岩石完全塑性化.从岩石的组成成分分析可知，大理岩由碳酸盐岩经区域变质作用或接触变质作用形成，属于碳酸盐岩，玄武岩的主要组成成分中二氧化硅的含量在45%～52%之间，属于硅酸盐岩，而硅酸盐岩石在室温下围压较高，不会产生延性状态[10].
图6 三轴压缩条件下玄武岩应力应变曲线
Fig.6 Stress-strain curves of basalt under triaxial compression condition
3.2.2 三轴压缩试验破坏特征
图7为三轴压缩条件下隐晶质玄武岩破坏形态.试样破坏时可以听到清脆的破裂声响，由破坏面的外观形态可以看到，有围压作用时岩样的破坏主要由一条斜向的宏观主裂纹造成，当围压增加到30 MPa以后，破裂面会出现一条或多条水平裂纹，而且随着围压的增大，主裂纹的角度并没有呈现出一定的规律性，高围压下仍是大角度斜向剪切破坏.图8～9为围压30 MPa与90 MPa下破裂面断口电镜扫描结果.随着围压增大，破坏面表面逐渐平缓，甚至出现剪切擦痕，且破坏面表面遍布岩粉，放大后可以看出破坏面微观结构层次感逐渐减弱，表明随着围压增大，试样的剪切破坏特征逐渐明显，剪切破坏强度提高，破坏面岩粉颗粒减小，破坏面表面趋于光滑.
3.2.3 三轴压缩试验强度特征
表2为不同围压下玄武岩启裂强度与损伤强度.由于岩样具有离散性，表2中数据为试验结果平均值.
图7 三轴压缩条件下玄武岩破坏形态
Fig.7 Failure morphologies of basalt under triaxial compression condition
图8 围压30 MPa下破裂面断口电镜扫描照片
Fig.8 SEM images of fracture surface under confining pressure of 30 MPa
图9 围压90 MPa下破裂面断口电镜扫描照片
Fig.9 SEM images of fracture surface under confining pressure of 90 MPa
由表2可知，三轴压缩条件下试样的启裂强度为峰值强度的48.4%～53.1%，损伤强度为峰值强度的92.4%～96.6%.随着围压不断升高，岩石的启裂强度与损伤强度随之增加，但二者与峰值强度的比值无明显变化，岩样中的裂隙在峰值强度附近迅速出现并扩展，在宏观主裂纹扩展的同时，两侧的岩块发生相对运动，造成水平裂纹的产生，岩样发生破坏.
表2 隐晶质玄武岩三轴测试结果
Tab.2 Results of triaxial tests on aphanitic basalt
围压/MPa峰值强度/MPa启裂强度/MPa损伤强度/MPa启裂强度/峰值强度损伤强度/峰值强度10311.2150.8293.648.4%94.3%20389.5191.7366.649.2%94.1%30440.2221.6410.350.3%93.1%50525.8261.5486.050.0%92.4%70548.4291.1514.353.1%93.7%90625.4317.9604.451.0%96.6%
利用上述试验测得的隐晶质玄武岩在不同围压条件下的强度特征值，进行强度参数拟合.图10为起裂强度、损伤强度、峰值强度与围压的关系.表3为隐晶质玄武岩的强度参数.
在围压作用下，岩样的内部初始裂隙被压密，处于闭合状态，随着压力的增大，新生的裂隙在扩展前需要克服裂隙面上的摩擦作用.由拟合的强度参数结果可以看出，隐晶质玄武岩峰值阶段的内摩擦角φ明显大于启裂阶段的内摩擦角φ0.这是由于岩样内部结构较为致密，当应力达到启裂应力时，虽有微裂隙的萌生扩展，但裂隙面间并没有大规模的相对滑移，因此，摩擦强度并未起到明显的作用，其强度主要来源于裂隙面张开所需要的粘聚力，其内摩擦角φ0较小.
图10 启裂强度、损伤强度、峰值强度与围压的关系
Fig.10 Relationship between cracking strength，damage strength，peak strength and confining pressure
表3 隐晶质玄武岩的强度参数
Tab.3 Strength parameters of aphanitic basalt
峰值阶段粘聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)启裂阶段粘聚力c0/MPa内摩擦角φ0/(°)损伤阶段粘聚力c1/MPa内摩擦角φ1/(°)62.5338.9942.6323.3255.1639.11
岩石强度达到启裂强度之后，岩石微裂隙启裂扩展，损伤逐步累积，岩石裂隙面出现相对滑动趋势，当强度达到损伤强度时，岩样体积变形由压缩转为膨胀，岩样内部微裂纹开始大规模扩展，裂纹的进一步扩展需要克服接触面间的摩擦阻力，此时岩石的摩擦强度逐步发挥，内摩擦角也逐步增大到φ1=39.11°.
隐晶质玄武岩损伤阶段到峰值阶段的裂纹扩展非常迅速，裂纹扩展伴随着粘聚力的损失，岩样内部裂纹规模达到加载过程中的最大值，裂纹相互贯通形成宏观破坏面，导致峰值应力下岩样的脆性破坏，其粘聚强度和摩擦强度均得到最大发挥.
本文通过单轴及三轴压缩试验，研究了白鹤滩隐晶质玄武岩岩样的应力应变曲线以及破坏特征，测定了其启裂强度与损伤强度，并分析了岩石的破坏模式与破坏机制以及不同裂纹演化阶段中岩石强度参数的演化规律，得到了以下结论：
1) 通过玄武岩试样加载过程中的应力应变曲线可以看出，隐晶质玄武岩表现出显著的脆性破坏特征，在单轴压缩条件下，非稳定发展阶段几乎不存在，且在强度达到峰值强度后，岩样随即发生突发性破坏.在三轴压缩条件下，岩石的峰值强度随着围压增加不断升高，弹性模量随着围压增加略有增大，试样并没有随围压的增大表现出延性特征.
2) 通过对单轴及三轴条件下的破坏特征进行分析，单轴时隐晶质玄武岩岩样破坏过程非常剧烈，破坏后的碎片主要成薄片状，竖向的破裂面较为干净，无粉末分布，表现为拉伸破坏模式.三轴压缩条件下，有围压作用时岩样的破坏主要由一条斜向的宏观主裂纹造成，且主裂纹的角度并没有呈现出一定的规律性.
3) 通过裂纹体积应变模型，计算得到了单轴及三轴条件下岩样的启裂强度与损伤强度，相较于花岗岩(启裂强度40%，损伤强度80%)略高，尤其是隐晶质玄武岩的损伤强度基本接近峰值强度.
4) 利用M-C准则进行参数拟合，可以看到随着围压的增大，隐晶质玄武岩的启裂强度与损伤强度不断增大，启裂阶段的内摩擦角φ0=23.32°，损伤阶段的内摩擦角φ1=39.11°，与峰值阶段接近，揭示了玄武岩破坏过程中强度的演化机制.
[1]Martin C D，Christiansson R.Estimating the potential for spalling around a deep nuclear waste repository in crystalline rock [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2009，46(2)：219-228.
[2]刘泉声，魏莱，刘学伟，等.基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究 [J].岩石力学与工程学报，2017，36(7)：1561-1569.
(LIU Quan-sheng，WEI Lai，LIU Xue-wei，et al.A revised empirical method for predicting crack initiation based on Griffith strength criterion [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36(7)：1561-1569.)
[3]高美奔，李天斌，孟陆波，等.岩石变形破坏各阶段强度特征值确定方法 [J].岩石力学与工程学报，2016，35(增刊2)：3577-3588.
(GAO Mei-ben，LI Tian-bin，MENG Lu-bo，et al.The method to identify characteristic stresses of rock in different stages during failure process [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，35(Sup 2)：3577-3588.)
[4]周辉，孟凡震，卢景景，等.硬岩裂纹起裂强度和损伤强度取值方法探讨 [J].岩土力学，2014，35(4)：913-918.
(ZHOU Hui，MENG Fan-zhen，LU Jing-jing，et al.Discussion on methods for calculating crack initiation strength and crack damage strength for hard rock [J].Rock and Soil Mechanics，2014，35(4)：913-918.)
[5]牛双建，靖洪文，杨大方，等.单轴压缩下破裂岩样强度及变形特征 [J].采矿与安全工程学报，2015，32(1)：112-118.
(NIU Shuang-jian，JING Hong-wen，YANG Da-fang，et al.Experimental study on strength characteristics and deformation behavior of the cracked rock samples under uniaxial compression [J].Journal of Mining & Safety Engineering，2015，32(1)：112-118.)
[6]张国凯，李海波，王明洋，等.岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究 [J].岩土工程学报，2019，41(6)：1074-1082.
(ZHANG Guo-kai，LI Hai-bo，WANG Ming-yang，et al.Comparative study on damage characterization and damage evolution of rock under uniaxial compres-sion [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2019，41(6)：1074-1082.)
[7]张传庆，张玲，周辉，等.深部硬岩的力学特性与支护要求 [J].武汉工程大学学报，2018，40(5)：543-549.
(ZHANG Chuan-qing，ZHANG Ling，ZHOU Hui，et al.Mechanical properties and support requirements of hard rock in deep engineering [J].Journal of Wuhan Institute of Technology，2018，40(5)：543-549.)
[8]肖桃李，黄梅，李新平.考虑围压效应的深埋大理岩强度变形特性研究 [J].地下空间与工程学报，2018，14(2)：362-368.
(XIAO Tao-li，HUANG Mei，LI Xin-ping.Research on strength and deformation with marble of deep rock mass considering confining pressure effect [J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2018，14(2)：362-368.)
[9]李建贺，盛谦，朱泽奇，等.岩石卸荷力学特性及本构模型研究进展 [J].长江科学院院报，2017，34(7)：87-93.
(LI Jian-he，SHENG Qian，ZHU Ze-qi，et al.Research progress of mechanical characteristics and constitutive model of rock under unloading condition [J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2017，34(7)：87-93.)
[10]常兆荣.硬脆性玄武岩力学特征及力学参数演化规律研究 [D].沈阳：沈阳工业大学，2019.
(CHANG Zhao-rong.Study on mechanical characte-ristics and evolution of mechanical parameters of hard and brittle basalt [D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2019.)