田利勇，朱珍德，朱姝，王劍波，劉剛

（河海大學(xué)a.巖土工程科學(xué)研究所;b.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

粉砂巖卸荷變形破壞特征試驗(yàn)研究

田利勇a，b，朱珍德a，b，朱姝a，王劍波a，b，劉剛a，b

（河海大學(xué)a.巖土工程科學(xué)研究所;b.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

利用MTS815.04電液壓伺服可控制剛性試驗(yàn)機(jī)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粉砂巖巖樣進(jìn)行了保持軸向變形恒定的卸圍壓試驗(yàn)，獲得了大量的應(yīng)力、應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究表明:巖體卸圍壓試驗(yàn)大致分為3個(gè)階段，即初始階段、裂紋擴(kuò)展階段及破壞階段;巖體破壞時(shí)裂紋主要沿著最大主應(yīng)力的方向開(kāi)裂，最終形成近似平行于最大主應(yīng)力的張拉型破壞面。進(jìn)一步對(duì)巖體卸荷過(guò)程中軸壓σ1與圍壓σ3的變化曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)圍壓降低到一定程度時(shí)，裂紋在拉應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展;擴(kuò)展開(kāi)的裂紋之間由于沒(méi)有了摩擦力的作用，相對(duì)于加載破壞，巖體更容易發(fā)生卸荷破壞;在卸荷過(guò)程中巖體彈性模量E，泊松比μ隨體積應(yīng)變?chǔ)舦表現(xiàn)出明顯的非線性變化趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果可為工程提供借鑒。

粉砂巖;卸荷破壞;強(qiáng)度特征;參數(shù)變化

1 研究背景

邊坡、基坑、鐵路與公路隧道等巖體工程的施工，都會(huì)產(chǎn)生卸載效應(yīng)。巖體作為一種特殊的地質(zhì)材料，內(nèi)部形成了各種尺度的節(jié)理裂隙等缺陷［1］。葉黔元等［2］研究了多孔巖石在不同壓縮應(yīng)力下的變形破壞特征，指出張性微裂紋的擴(kuò)展是引起巖石產(chǎn)生非線性變形的重要原因。Swanson［3］，Crouch［4］研究了卸圍壓試驗(yàn)，利用常規(guī)的三軸試驗(yàn)儀器進(jìn)行巖樣的卸圍壓試驗(yàn)，驗(yàn)證不同卸圍壓路徑下巖體的強(qiáng)度。Stacey［5-6］在等效拉應(yīng)力理論的基礎(chǔ)上提出了極限拉應(yīng)變理論，解釋了在宏觀壓應(yīng)力場(chǎng)中的巖芯餅化現(xiàn)象。實(shí)際工程中，由于工程施工的擾動(dòng)，巖體原有的平衡狀態(tài)被打破，由此引起巖體內(nèi)的應(yīng)力重分布，促使巖體中內(nèi)在裂紋（裂隙）不斷累積和發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生宏觀的時(shí)效斷裂，導(dǎo)致巖體發(fā)生破壞失穩(wěn)。

卸荷巖體的研究方法一般都是按照加載巖體力學(xué)的方法，但巖體在加載和卸荷條件下，其力學(xué)特征有著本質(zhì)的區(qū)別［7］，其基本的力學(xué)參數(shù)也會(huì)發(fā)生一定的變化。如果繼續(xù)按照加載的強(qiáng)度理論進(jìn)行研究，則會(huì)產(chǎn)生較大的差異?；诖?，本文通過(guò)浙江省某公路隧道粉砂巖卸載試驗(yàn)，研究卸荷巖體的變形破壞特征及其在卸載條件下巖樣的力學(xué)參數(shù)變化情況。工程中，采用卸荷理論對(duì)開(kāi)挖隧洞初始變形量和最終變形量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，與實(shí)測(cè)值吻合的較好，為工程提供了借鑒。

2 試驗(yàn)樣品制備及試驗(yàn)儀器

巖樣取自浙江某公路隧道地層，巖性為微風(fēng)化粉砂巖，巖樣完整性較好，性質(zhì)較均勻。利用巖石切割機(jī)和雙端面磨面機(jī)將其制成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)巖樣Fig.1Standard rock sample for the test

本次試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)設(shè)備是山東科技大學(xué)MTS8 15.04電液壓伺服可控制剛性試驗(yàn)機(jī)，最大軸向力4 600 kN，最大圍壓150 MPa，應(yīng)變率適用范圍為（10-2～10-7）/s，試驗(yàn)設(shè)備如圖2。

圖2 MTS815.04電液壓伺服可控制剛性試驗(yàn)機(jī)Fig.2Electric-hydraulic servo-controlled rigid testing machine MTS815.04

3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟為:

（1）按靜水壓力條件逐步施加σ1=σ3至預(yù)定值，預(yù)定值分別為5，10，15 MPa;

（2）保持圍壓σ3不變，逐步增加σ1至巖樣峰前的某一應(yīng)力值（峰值強(qiáng)度的80%）;

（3）保持軸向變形恒定的同時(shí)，逐漸卸除圍壓σ3直至試樣破壞。

圍壓采用應(yīng)力控制，軸壓采用位移控制。第1階段采用應(yīng)力速率控制;第2階段保持σ3不變，以0.1 mm/min的加載速率加載軸向應(yīng)力至預(yù)定值;第3階段以0.02 MPa/s的卸荷速率逐漸卸除圍壓。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 巖樣變形及破壞特征

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，本試驗(yàn)是采用保持軸向變形恒定的卸圍壓試驗(yàn)。軸向應(yīng)變?cè)趪鷫悍謩e為5，10，15 MPa時(shí)分別保持為0.005 6，0.009 5和0.011 8。保持軸向變形恒定的卸圍壓試驗(yàn)，由于在卸荷過(guò)程中軸向變形恒定，試驗(yàn)機(jī)不對(duì)試樣做功，試樣的破壞完全在前期存儲(chǔ)的可釋放彈性應(yīng)變能的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行。

從試驗(yàn)過(guò)程及所獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，卸荷巖體的變形全過(guò)程可以分為3個(gè)階段。①卸圍壓初始階段:巖體即發(fā)生側(cè)向擴(kuò)容，初始圍壓越大，體積擴(kuò)容現(xiàn)象越明顯;②裂紋擴(kuò)展階段:卸圍壓達(dá)到某一值時(shí)，巖樣的側(cè)向變形會(huì)出現(xiàn)小幅激增，此時(shí)巖樣中的微裂紋開(kāi)始起裂擴(kuò)展;③破壞階段:繼續(xù)卸圍壓，當(dāng)達(dá)到另一值時(shí)，可以聽(tīng)到壓力室內(nèi)因巖樣破壞產(chǎn)生的清脆的響聲，此時(shí)巖樣發(fā)生破壞。各階段巖樣發(fā)展變化時(shí)的圍壓值見(jiàn)表1。巖樣在破壞后也會(huì)表現(xiàn)出明顯的體積擴(kuò)容現(xiàn)象。

表1 卸圍壓各階段圍壓值Table 1Confining pressures in each stage of the unloadingMPa

對(duì)比卸荷巖體和加載巖體的破壞特征，可以明顯看到二者的不同。常規(guī)加載巖體多發(fā)生剪切破壞，剪切破壞面與巖體軸向呈一定的角度。而對(duì)于卸載巖體，破壞是發(fā)生在巖體圍壓卸載到一定程度時(shí)突然發(fā)生的，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。巖體中的裂紋主要沿著最大主應(yīng)力的方向開(kāi)裂，最終形成近似平行于最大主應(yīng)力的破壞面，多為張拉型破壞，如圖3。

圖3 加卸荷巖體破壞特征對(duì)比Fig.3Comparison between failure characteristics of loading and unloading test

4.2 卸荷巖體的強(qiáng)度特征

在卸圍壓試驗(yàn)過(guò)程中，軸向應(yīng)力σ1和圍壓σ3的關(guān)系見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，隨著圍壓的降低，軸向應(yīng)力也不斷降低，在卸圍壓初期，軸向應(yīng)力σ1隨圍壓σ3大致呈線性關(guān)系降低，當(dāng)圍壓降低到一定程度時(shí)，軸向應(yīng)力急劇降低，此時(shí)巖樣側(cè)向變形突然增大，發(fā)生脆性崩潰式破壞。根據(jù)Brown E T和Trollopr DH提出的等效拉應(yīng)力理論［8］，在巖體破壞時(shí)其內(nèi)部等效側(cè)向應(yīng)力σ'3=σ3-μ＜0（σ1+σ2）（μ為泊松比），裂紋會(huì)在拉應(yīng)力作用下快速擴(kuò)展，同時(shí)擴(kuò)展開(kāi)的裂紋之間由于沒(méi)有了摩擦力的作用，相對(duì)于加載破壞，巖體更容易發(fā)生卸荷破壞。σ1與σ3關(guān)系在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，體現(xiàn)了巖體卸荷破壞的非線性特征。

圖4 軸向應(yīng)力σ1和圍壓σ3關(guān)系曲線（卸圍壓試驗(yàn)）Fig.4Relationship between axial stress σ1and confining pressure σ3（unloading test）

4.3 卸荷巖體的力學(xué)參數(shù)變化特征

巖體在卸荷與加載條件下是有很大區(qū)別的，不同應(yīng)力路徑下其力學(xué)參數(shù)的變化也是不同的［9］，對(duì)巖石類材料，其力學(xué)參數(shù)一般是通過(guò)單軸試驗(yàn)獲得的。即但是三軸試驗(yàn)情況下力學(xué)參數(shù)的求解，如果繼續(xù)按照這種方式會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。因此在這里假設(shè)卸圍壓過(guò)程中仍滿足廣義胡克定律并考慮到試驗(yàn)中σ2=σ3，可得變形參數(shù)的求解公式為:

其中B=ε3/ε1。

為了研究卸載過(guò)程中巖樣變形與體積應(yīng)變的關(guān)系，引入體積應(yīng)變?chǔ)舦=Δv/v0=ε1+ε2+ε3［10］。由式（1）和式（2）可以看出，巖體卸荷彈性模量和泊松比隨軸向應(yīng)變?chǔ)?和側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?變化而變化。

（1）卸荷彈性模量E和體積應(yīng)變?chǔ)舦的關(guān)系曲線如圖5（a）。從圖5（a）可以看出，在卸圍壓初始階段彈性模量幾乎不隨圍壓的降低而變化，僅在破壞點(diǎn)之前較小范圍內(nèi)發(fā)生微小降低。然而當(dāng)圍壓越過(guò)破壞點(diǎn)進(jìn)一步降低時(shí)，彈性模量發(fā)生急劇降低，體現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。

（2）卸荷巖體的泊松比μ隨體積應(yīng)變的變化曲線如圖5（b）。在卸荷初期巖體中裂隙不太發(fā)育，側(cè)向變形增加比較緩慢，泊松比也沒(méi)有較大增長(zhǎng)。隨著圍壓的降低，巖體中裂隙發(fā)育擴(kuò)展，泊松比也隨著發(fā)生急劇增長(zhǎng)，曲線斜率增大。從圖5（b）中可以看出，在巖體破壞區(qū)域，泊松比甚至大于0.5，這是因?yàn)樵趲r體發(fā)生破壞時(shí)，巖體的卸載變形不僅包含基體的回彈變形，還包括由于裂紋拉開(kāi)而形成的裂縫變形。

圖5 巖體變形參數(shù)與體積應(yīng)變的關(guān)系Fig.5Relationship between deformation parameters and volume strain

5 結(jié)論

（1）巖體卸圍壓的過(guò)程可以分為3個(gè)階段:①初始階段;②巖體裂紋開(kāi)始擴(kuò)展階段，此時(shí)巖樣的側(cè)向變行會(huì)出現(xiàn)小幅激增;③破壞階段，壓力室內(nèi)伴有清脆的響聲，試樣破壞后的形態(tài)主要沿著最大主應(yīng)力方向，形成平行于最大主應(yīng)力的破壞面。卸荷巖體表現(xiàn)出明顯的張拉和脆性破壞，這與加載主要產(chǎn)生的剪切破壞是不同的。

（2）卸圍壓試驗(yàn)時(shí)，巖樣破壞時(shí)的軸向應(yīng)力σ1和圍壓σ3呈現(xiàn)出非線性的變化關(guān)系，體現(xiàn)了巖體卸荷破壞準(zhǔn)則的非線性特征。

（3）卸圍壓過(guò)程中巖體的力學(xué)參數(shù)隨著圍壓的降低在不斷劣化。彈性模量在卸荷初始階段幾乎不隨圍壓變化，但在越過(guò)破壞點(diǎn)之后就會(huì)大幅降低。巖體泊松比則隨著圍壓的降低而不斷增大，在巖體破壞區(qū)域，泊松比（嚴(yán)格的說(shuō)此時(shí)已經(jīng)不可稱為泊松比）甚至?xí)笥?.5。

［1］謝和平，鵬潤(rùn)東，鞠楊.巖石變形破壞過(guò)程中的能量耗散分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（21）: 3565-3570.（XIE He-ping，PENG Run-dong，JU Yang.Energy Dissipation of Rock Deformation and Frac-ture［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（21）:3565-3570.（in Chinese））

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（編輯:姜小蘭）

Deformation and Failure Characteristics of Siltstone Under Unloading Condition

TIAN Li-yong1，2，ZHU Zhen-de1，2，ZHU Shu1，WANG Jian-bo1，2，LIU Gang1，2
（1.Geotechnical Research Institute of Hohai University，Nanjing210098，China;
2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment
Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China）

To provide reference for a highway tunnel construction，unloading confining pressure tests are carried out on standard siltstone samples with constant axial deformation by using MTS815.04 electro-hydraulic servo-controlled rigid testing system.Results show that there are three stages during the whole test process:initial stage，crack growth stage，and failure stage.In the failure stage，the major cracks propagate along the direction of the maximum principal stress，and eventually a tension failure plane which is approximately parallel to the maximum principal stress is formed.The variation curve of axial pressure vs.confining pressure σ3during the unloading process is analyzed.It can be found that the rock is more vulnerable to unloading destruction compared with loading destruction，because when the confining pressure is reduced to a certain degree，the cracks spread rapidly due to the tensile stress，and the friction between the expanded cracks disappears at the same time.The mechanical parameters of the siltstone samples under unloading are obtained，among which the elastic modulus and Poisson’s ratio μ show a nonlinear change with the volumetric strain εv.

siltstone;unloading failure;strength characteristics;parameter variation

TU45

A

1001-5485（2013）04-0044-04

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.010

2013，30（04）:44-47

2012-09-03

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）資助項(xiàng)目（2011CB013504）;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41272329）;浙江省重大科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2009C33049）;江蘇省2011年度研究生培養(yǎng)科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CXZZ11-0428）;深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（SKLGDUEK0902）

田利勇（1986-），男，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)方面的研究，（電話）15951905343（電子信箱）zixintian@163. com。