龔曉理

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司 黑龍江哈爾濱 150008）

1 引言

地下工程施工蘊(yùn)含著復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，巖體開(kāi)挖過(guò)程中初始應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)卸載是引起巖體松動(dòng)的重要因素之一，進(jìn)而誘發(fā)隧道和地下工程施工中的突泥、涌水災(zāi)害［1］。同時(shí)，研究滲透水壓力下巖石的疲勞損傷破壞機(jī)制對(duì)于評(píng)價(jià)富水環(huán)境下巖體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要的意義。

眾多學(xué)者圍繞不同循環(huán)荷載水平［2-4］、頻率［5］、循環(huán)次數(shù)下巖石的疲勞力學(xué)參數(shù)［6］和循環(huán)疲勞壽命［7］的變化規(guī)律進(jìn)行了大量研究。肖建清等［8］通過(guò)分析多種巖石在循環(huán)荷載作用下的Felicity效應(yīng)，研究了巖石的疲勞損傷演化規(guī)律。上述研究成果為探究巖石疲勞破壞特性提供了基礎(chǔ)，但并未考慮滲透水壓力對(duì)疲勞特性的影響。由于試驗(yàn)條件的限制，關(guān)于滲透水壓力和循環(huán)荷載共同作用下巖石疲勞破壞過(guò)程的研究相對(duì)不足。

另外，李浩然［9］、李曉泉［10］等人針對(duì)不同循環(huán)加載條件和溫度條件下煤的滲透特性變化進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明隨著循環(huán)次數(shù)和循環(huán)應(yīng)力的增加煤樣逐漸降低；在相同循環(huán)次數(shù)下，煤樣的滲透率隨溫度升高而減小。周志華等［11］通過(guò)開(kāi)展?jié)B透水壓力下預(yù)制裂縫混凝土的單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)荷載上限為70%單軸抗壓強(qiáng)度條件下加載20周次，與無(wú)滲透水壓力相比，1.50 MPa滲透水壓力下試件的單軸疲勞強(qiáng)度約降低30%，不可逆變形量約增加了1.20倍。以上研究主要圍繞滲透水壓力與動(dòng)荷載耦合作用的研究，并且主要集中于循環(huán)加卸載過(guò)程中巖石滲透特性變化，而針對(duì)滲透水壓力與循環(huán)荷載共同作用下巖石疲勞破壞演化過(guò)程的研究成果較少。

為探究周期性荷載與滲透水壓力共同作用下灰?guī)r的疲勞破壞特點(diǎn)，對(duì)不同滲透水壓條件下的灰?guī)r試件進(jìn)行單軸疲勞試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果探究了滲透水壓力對(duì)灰?guī)r疲勞特性的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件制備

灰?guī)r取自貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線的下麥西隧道，通過(guò)鉆孔、切割、打磨成直徑50 mm高度100 mm的柱形巖樣，巖樣雙端面不平行度小于2%。試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行密度與波速檢測(cè)，盡可能降低試件離散性。部分灰?guī)r試樣，如圖1所示。

圖1 部分灰?guī)r試樣

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在西安力創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的2 000 kN型微機(jī)控制電液伺服機(jī)上進(jìn)行。該系統(tǒng)能提供應(yīng)力控制、變形控制及多種循環(huán)荷載加載方式，最高荷載頻率為3 Hz，最大的試驗(yàn)力為600 kN。

通過(guò)增加高壓水裝置，試驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行滲透-應(yīng)力耦合試驗(yàn)，最大滲透水壓力35 MPa，最大滲流量30 mL/min，最小滲流量1.75 mL/min，滲透水壓力的分辨率0.025 PSI。試驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)對(duì)灰?guī)r試樣進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)采集。通過(guò)滲透水壓力系統(tǒng)與巖石動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)的協(xié)同作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)放性環(huán)境下的巖石滲流-流變耦合試驗(yàn)。

2.3 巖樣烘干和飽水

將灰?guī)r巖樣在108℃的恒溫下烘24 h，將其從烘箱中取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱試件質(zhì)量；繼而重復(fù)上述步驟，直到相鄰兩次稱量的質(zhì)量之差不超過(guò)后一次稱量的0.10%（認(rèn)為此時(shí)的飽水度為0）。參考以往類(lèi)似飽水經(jīng)驗(yàn)后，對(duì)干燥巖樣采用自由法飽水，在此期間內(nèi)不定時(shí)對(duì)其飽水度和波速進(jìn)行測(cè)試，為減小水-巖樣骨架的軟化作用，對(duì)其采取真空飽水。重復(fù)以上試驗(yàn)步驟并得到試驗(yàn)結(jié)果。

2.4 試驗(yàn)方案

灰?guī)r疲勞試驗(yàn)考慮了 0、2、4、6、8、10 MPa 滲透水壓的試驗(yàn)方案，見(jiàn)表1。試驗(yàn)過(guò)程中，首先按照1 MPa/s的加載速率施加軸向應(yīng)力至上、下限應(yīng)力的平均值（初始荷載，見(jiàn)表1），然后進(jìn)行單軸疲勞試驗(yàn)。循環(huán)荷載的加載波形為三角波，荷載循環(huán)頻率為1 Hz。循環(huán)荷載幅值為20 MPa，各試樣荷載循環(huán)次數(shù)均設(shè)定為300次，巖石若經(jīng)過(guò)300次加載循環(huán)后未發(fā)生破壞，則繼續(xù)以1 MPa/s的增壓速度繼續(xù)加載至整體破壞。

表1 單軸疲勞試驗(yàn)方案

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 灰?guī)r破裂形態(tài)特征

圖2為恒定上、下限循環(huán)加卸載試驗(yàn)的應(yīng)力路徑，按照該加載路徑對(duì)灰?guī)r試樣B1～B18分別進(jìn)行加卸載試驗(yàn)，灰?guī)r試樣的破壞形態(tài)，如圖3所示。為對(duì)比分析灰?guī)r的破壞特征，在每組試驗(yàn)中增加了試樣C1～C6等6個(gè)試樣作為單軸壓縮試驗(yàn)的對(duì)比試驗(yàn)。

圖2 恒定上下限循環(huán)加卸載應(yīng)力路徑

圖3 灰?guī)r試樣破壞形態(tài)

通過(guò)循環(huán)加卸載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除B2灰?guī)r試樣呈鼓狀破壞外，其余試樣的破壞形式均以劈裂破壞為主。18個(gè)巖樣中B1、B5和B13巖樣在300次的加卸載循環(huán)后未出現(xiàn)整體破壞。其他巖樣均不到300次循環(huán)荷載整體發(fā)生劈裂破壞，循環(huán)荷載次數(shù)為250～300次，其破壞形式同對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果基本一致，但循環(huán)荷載條件下的破裂塊度較小。這表明循環(huán)加卸載作用加劇了灰?guī)r試樣的破裂程度，且破裂程度與滲透水壓力呈正相關(guān)。

3.2 灰?guī)r變形特征

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，僅統(tǒng)計(jì)了循環(huán)加卸載不同滲透水壓力下典型灰?guī)r（B3、B6、B8、B11、B14 和B18試樣）的不可逆變形累積曲線，如圖4所示。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，隨著滲透水壓力提高，灰?guī)r在循環(huán)加載過(guò)程中產(chǎn)生的疲勞變形量出現(xiàn)小幅度增加，其中B6、B8、B11、B14和 B18試樣破壞時(shí)的變形量分別為 2.20 ×10-3、2.29 ×10-3、2.46 ×10-3、2.54×10-3和2.80×10-3，相比B3分別增加了2.30%、6.50%、14.40%、18.10%和30.20%。另外，由圖4中的變形累積曲線可知，不同滲透水壓力下灰?guī)r疲勞破壞演化過(guò)程可分為三個(gè)階段，即初始疲勞變形階段、穩(wěn)定變形階段和加速疲勞變形階段。

圖4 不同滲透水壓力下灰?guī)r不可逆變形累積曲線

在初始疲勞階段，灰?guī)r的不可逆變形快速累積，但隨荷載循環(huán)次數(shù)增加變形的增長(zhǎng)速度逐漸降低，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)后變形速率近似達(dá)到某一常數(shù)，疲勞變形進(jìn)入穩(wěn)定階段。在穩(wěn)定變形階段，灰?guī)r的不可逆變形基本呈線性增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速率比較緩慢，循環(huán)次數(shù)約占總循環(huán)次數(shù)的40% ～73%。隨后，灰?guī)r進(jìn)入加速疲勞階段，該階段灰?guī)r的不可逆變形速率逐漸增大，直至破壞。

為詳細(xì)分析不同滲透水壓力對(duì)灰?guī)r累積變形三階段的影響規(guī)律，圖5～圖7分別給出了初始疲勞階段灰?guī)r不可逆變形累積曲線，穩(wěn)定階段灰?guī)r不可逆變形累積曲線，以及加速疲勞階段灰?guī)r不可逆變形累積曲線，圖中a、b、c、d為與擬合相關(guān)的參數(shù)，N為循環(huán)次數(shù)，εt表示變形累積值?；?guī)r試樣的三個(gè)階段的累積變形規(guī)律分析如下：

（1）初始疲勞變形階段（見(jiàn)圖5）：隨著滲透水壓力增大，灰?guī)r不可逆變形的增長(zhǎng)速率明顯提高，變形增長(zhǎng)速率隨循環(huán)次數(shù)的衰減速度明顯加快；灰?guī)r初始階段的持續(xù)周期明顯降低，巖樣更快地進(jìn)入穩(wěn)定疲勞階段，該階段時(shí)累積不可逆變形量明顯增加。相比無(wú)滲透水壓力狀態(tài)，10 MPa滲透水壓力下初始疲勞階段的不可逆變形平均增長(zhǎng)速率由8.95×10-6/周提高至1.22×10-4/周，初始階段持續(xù)周期由37周降低至11周，該階段的累積不可逆變形量由3.70×10-4增加至1.34×10-3。

圖5 初始疲勞階段灰?guī)r不可逆變形累積曲線

（2）加速變形破壞階段（見(jiàn)圖6）：隨著滲透水壓力增大，灰?guī)r的破壞演化過(guò)程逐漸由突發(fā)式向緩變式過(guò)度，其應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率不斷降低。同時(shí)，加速破壞階段與穩(wěn)定發(fā)育階段的分界點(diǎn)逐漸消失。相比無(wú)滲透水壓力狀態(tài)，10 MPa滲透水壓力下破壞階段不可逆變形的平均增長(zhǎng)速率由8.06×10-5/周降低至1.4×10-5/周，巖樣加速疲勞階段的循環(huán)周期由16周提高至61周。

圖6 穩(wěn)定階段灰?guī)r不可逆變形累積曲線

（3）穩(wěn)定變形階段（見(jiàn)圖7）：隨著滲透水壓力增大，灰?guī)r不可逆變形的增長(zhǎng)速率出現(xiàn)小幅度提高，試樣進(jìn)入破壞階段的循環(huán)周期逐漸降低。相比無(wú)滲透水壓力，10 MPa滲透水壓力下灰?guī)r在穩(wěn)定發(fā)育階段不可逆變形的平均增長(zhǎng)速率由1.81×10-6/周提高至2.95×10-6/周，進(jìn)入破壞階段的循環(huán)周期由243周降低至207周。

圖7 加速疲勞階段的不可逆變形累積曲線

4 疲勞破壞演化規(guī)律分析

巖石循環(huán)加載過(guò)程中不可逆變形量的不斷增加實(shí)際上是巖石產(chǎn)生的疲勞破壞積累的宏觀表現(xiàn)。不同滲透水壓力影響下的巖石疲勞破壞累積機(jī)理可通過(guò)巖石損傷程度來(lái)解釋，如圖8所示。由圖8可知，滲透水壓力下巖石的疲勞破壞的積累過(guò)程同樣表現(xiàn)出了三段式變化規(guī)律。

圖8 不同滲透水壓力下疲勞破壞累積曲線

疲勞破壞的第Ⅰ階段：灰?guī)r內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疲勞破壞迅速積累，隨著滲透水壓力的提高，疲勞破壞發(fā)育速度不斷加快，導(dǎo)致巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)更早地達(dá)到新的平衡狀態(tài)。疲勞破壞進(jìn)入第Ⅱ階段前，灰?guī)r內(nèi)部的疲勞破壞程度較為顯著。進(jìn)入第Ⅱ階段后，由于滲透水壓力增加了單次循環(huán)產(chǎn)生的不可逆變形量，減少了巖樣進(jìn)入第Ⅲ階段所需的循環(huán)次數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以推斷，當(dāng)滲透水壓力提高到某一水平時(shí)，疲勞破壞的第Ⅱ階段將會(huì)消失，巖樣直接由第Ⅰ階段進(jìn)入第Ⅲ階段。當(dāng)巖樣疲勞進(jìn)入第Ⅲ階段后，由于滲透水壓力促進(jìn)了灰?guī)r殘余裂縫的擴(kuò)展，同時(shí)降低了巖樣儲(chǔ)存彈性變形能的能力，導(dǎo)致巖樣不易發(fā)生整體式脆性破壞，其疲勞破壞累積過(guò)程更加平緩，發(fā)生整體破壞所需的循環(huán)次數(shù)增加。

從細(xì)觀角度而言，滲透水壓力對(duì)巖樣疲勞破壞演化規(guī)律的影響，實(shí)際上是對(duì)巖樣內(nèi)部微裂縫萌生、擴(kuò)展與匯聚貫通過(guò)程的影響。在巖石疲勞破壞初期，滲透水壓力增加了巖石在一次循環(huán)加卸載過(guò)程中產(chǎn)生的不可逆變形，從而加快微裂縫萌生、擴(kuò)展直至達(dá)到穩(wěn)定階段。在巖樣疲勞破壞穩(wěn)定發(fā)育階段，滲透水壓力會(huì)降低巖石材料的力學(xué)性能，致使巖樣在加卸載過(guò)程中能夠儲(chǔ)備的變形能比例減少，而表面能耗散相應(yīng)提高，從而加快這一階段內(nèi)微裂縫的擴(kuò)展速度。同時(shí)，由于滲透水壓力提高了微裂縫的發(fā)育程度，進(jìn)而促進(jìn)巖石內(nèi)部殘余裂縫的生成和發(fā)育，導(dǎo)致巖石發(fā)生整體破壞前大量?jī)?nèi)部微裂縫先形成局部裂縫連接貫通，從而使得巖石最終加速破壞過(guò)程變得更為平緩。

5 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展不同滲透水壓力下灰?guī)r的單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，探究滲透水壓力對(duì)灰?guī)r疲勞力學(xué)特性和疲勞破壞演化過(guò)程的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在單軸疲勞試驗(yàn)中，滲透水壓力對(duì)灰?guī)r疲勞破壞演化過(guò)程各階段均有不同程度的影響。

（2）隨著滲透水壓力增大，在初始疲勞階段中灰?guī)r不可逆變形的增長(zhǎng)速率明顯提高，同時(shí)變形增長(zhǎng)速率隨循環(huán)次數(shù)的衰減速度明顯加快，灰?guī)r初始疲勞階段的持續(xù)周期明顯降低；相比無(wú)滲透水壓力狀態(tài)，10 MPa滲透水壓力下灰?guī)r初始疲勞階段不可逆變形平均增長(zhǎng)速率由8.95×10-6/周提高至1.22×10-4/周，階段持續(xù)周期由37周降低至11周。

（3）在穩(wěn)定疲勞階段中，灰?guī)r不可逆變形的積累速率出現(xiàn)小幅度提高，試件進(jìn)入加速疲勞階段的循環(huán)周期降低；在加速疲勞階段中，灰?guī)r的破壞演化過(guò)程逐漸由突發(fā)式增長(zhǎng)向穩(wěn)定式增長(zhǎng)過(guò)渡，加速破壞階段與穩(wěn)定疲勞階段的分界點(diǎn)逐漸消失。