李悠然，燕 喬，李 萌，婁毅博，李 元

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000 2.仙桃市水利水電建筑勘測設(shè)計院，湖北 仙桃 433000)

自然界中存在的軟硬相間的巖體是一種較為復(fù)雜的組合性巖體，其變形參數(shù)受到多方因素的影響，但其主要是由層狀巖體中每單層巖體的變形參數(shù)和組合特征構(gòu)成[1]。由于軟硬相間層狀力學(xué)模型概念化的準(zhǔn)確性直接導(dǎo)致其變形參數(shù)理論研究的正確性[2-3]，因此，本課題擬以實(shí)地樣品巖石采集為基礎(chǔ)，采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析相結(jié)合的研究方法[4]，首先在相關(guān)現(xiàn)場資料分析基礎(chǔ)上，確定重點(diǎn)研究區(qū)域，現(xiàn)場采取符合試驗(yàn)要求的軟硬巖石塊體，加工處理成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試樣進(jìn)行三軸卸荷試驗(yàn)。

1 三軸卸荷試驗(yàn)

1.1 卸荷試驗(yàn)以及應(yīng)力分析

1.1.1 三軸卸荷試驗(yàn)方案

本次卸荷試驗(yàn)所采用的儀器為RMT-150C試驗(yàn)機(jī)，具體試驗(yàn)方案分為三個步驟。第一步采用力(圍壓)控制模式，軸向力與圍壓力分別以0.2 kN/s和0.1 MPa/s按靜水力加載至設(shè)計值(軸壓分別為10 kN、20 kN、30 kN；圍壓分別為5 MPa、10 MPa、15 MPa)；第二步采用力(圍壓)控制模式，保持圍壓處于設(shè)計值，穩(wěn)定不變，軸向力以0.5 kN/s的速率加載至對應(yīng)圍壓的抗壓強(qiáng)度的70%。緊接著第三步是采用力(圍壓)控制模式，分別以位移速率為0.02 MPa/s、0.05 MPa/s卸除圍壓至試件破壞。

本次試驗(yàn)所采用的試件巖石均為水布埡地下洞室現(xiàn)場采集加工所制，均為直徑50 mm，高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，試件進(jìn)行聲波測試后選取節(jié)理完整且?guī)r性相同的試件進(jìn)行試驗(yàn)研究。其軟硬巖石巖性如表1所示，其中燧石灰?guī)r為硬巖，團(tuán)狀塊灰?guī)r為軟巖。

1.1.2 三軸卸荷應(yīng)力分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案進(jìn)行軟硬巖石試件的三軸卸荷試驗(yàn)，其應(yīng)力應(yīng)變分析圖如圖1、圖2所示。

表1 巖石巖性

圖1 硬巖卸荷應(yīng)力應(yīng)變圖

圖2 軟巖卸荷應(yīng)力應(yīng)變圖

由圖1、圖2可以看出：

(1)軟硬巖石在加載應(yīng)力達(dá)到預(yù)定值之前，其應(yīng)力保持線性增長，X軸方向的負(fù)數(shù)表示試驗(yàn)儀器桶內(nèi)存在空氣殘留。

(2)試件在應(yīng)力達(dá)到預(yù)定值之后進(jìn)行圍壓卸荷，由卸荷過程可以看出，在相同卸荷速率下，相對于軟巖巖石，硬巖巖石的卸荷速率更快，軟巖卸荷過程持續(xù)較久。

(3)在相同試件下的卸荷試驗(yàn)，卸荷速率越大，卸荷過程越快，試件越早被破壞。

1.2 巖石變形特征分析

1.2.1 硬巖變形特征分析

現(xiàn)對試件在卸荷過程中的變形情況進(jìn)行研究，以卸荷階段中不同卸荷速率下的變形模量變化進(jìn)行分析。硬巖不同卸荷條件下的變形模量統(tǒng)計如表2所示。

根據(jù)圖1繪制出硬巖在不同條件下的卸荷情況，如圖3所示。

表2 硬巖不同卸荷條件下的變形模量統(tǒng)計

由圖3可以看出，在不同速率卸荷的情況下，隨著圍壓的增加，試件的彈性模量以及變形模量都在增加，其中彈性模量的增加幅度相對變形模量的增加幅度更大。表明彈性模量更容易受圍壓的影響而發(fā)生變化。

1.2.2 軟巖變形特征分析

對軟巖試件在卸荷過程中的變形情況進(jìn)行研究，以卸荷階段中不同卸荷速率下的變形模量變化進(jìn)行分析。軟巖不同卸荷條件下的變形模量統(tǒng)計如表3所示。

根據(jù)圖2繪制出軟巖在不同條件下的卸荷情況，如圖4所示。

圖3 硬巖不同卸荷條件下的變形特征

表3 軟巖不同卸荷條件下的變形模量統(tǒng)計

圖4 軟巖不同卸荷條件下的變形特征

由圖4可以看出，在不同速率卸荷的情況下，隨著圍壓的增加，試件的彈性模量以及變形模量都在增加，其中彈性模量的增加幅度相對變形模量的增加幅度更大。表明彈性模量更容易受圍壓的影響發(fā)生變化。

2 有限元應(yīng)力分析

利用有限元軟件模擬試驗(yàn)過程得出應(yīng)力圖可以對試驗(yàn)得出的結(jié)果以及結(jié)論進(jìn)行論證和檢驗(yàn)。本文基于Solidworks軟件，采用有限元分析的方法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M。本次有限元模擬計算旨在驗(yàn)證上述規(guī)律，所以只進(jìn)行5 MPa圍壓下的軟硬巖石試件卸荷模擬。

利用軟件模擬所得出的硬巖試件應(yīng)力分析如圖5所示，其中將特殊區(qū)域受力(圖中標(biāo)注)情況進(jìn)行單獨(dú)分析，其受力情況如圖6所示。

圖5 軟件模擬硬巖試件應(yīng)力分析

圖6 硬巖特殊區(qū)域所受應(yīng)力

接著利用軟件模擬軟巖的卸荷試驗(yàn)，軟巖試件應(yīng)力分析圖如圖7所示，特殊部位所受應(yīng)力情況如圖8所示。

通過有限元軟件模擬三軸卸荷試驗(yàn)中得出結(jié)論：

(1)通過試件應(yīng)力分布圖可以看出，軟硬巖石的應(yīng)力分布情況大致相同，試件所受最大應(yīng)力處于軸向面與垂直面的相交處。

(2)通過對比軟硬試件相同部位的受力情況，在相同圍壓卸荷作用下，硬巖所產(chǎn)生的應(yīng)力更大。

(3)通過試件的應(yīng)力分布圖可以看出，垂直面應(yīng)力分布服從正態(tài)分布。

3 結(jié) 論

(1)在相同圍壓卸荷作用下，軟巖卸荷時間持續(xù)更久。在相同卸荷速率的作用下，速率越大、試件破壞更快。

(2)在三軸卸荷試驗(yàn)過程中，隨著圍壓越高，試件的彈性模量以及變形模量都在增加，其中彈性模量的增加幅度相對變形模量的增加幅度更大。表明彈性模量更容易受圍壓的影響發(fā)生變化。

圖7 軟件模擬軟巖試件應(yīng)力分析

圖8 軟巖特殊區(qū)域所受應(yīng)力

(3)在相同圍壓作用下卸荷試驗(yàn)中，硬巖所產(chǎn)生的彈性模量以及變形模量都比軟巖所產(chǎn)生數(shù)值大。

(4)通過有限元軟件模擬三軸卸荷試驗(yàn)，通過對比軟硬試件相同部位的受力情況，在相同圍壓卸荷作用下，硬巖所產(chǎn)生的應(yīng)力更大。符合試驗(yàn)所得結(jié)論。