砂質(zhì)板巖加卸載力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

高春玉，徐 進(jìn)，李忠洪

（1．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2．昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院實(shí)驗(yàn)中心，昆明 650051）

砂質(zhì)板巖加卸載力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

高春玉1，徐 進(jìn)1，李忠洪2

（1．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2．昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院實(shí)驗(yàn)中心，昆明 650051）

利用MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)雪峰山隧道圍巖中的砂質(zhì)板巖開(kāi)展三軸加卸載試驗(yàn)，研究這種具微面理砂質(zhì)板巖的變形特性、強(qiáng)度特性及破壞規(guī)律，結(jié)果表明：平行面理試件（微面理平行最大主應(yīng)力）加、卸載條件下峰值強(qiáng)度相近；垂直面理試件（微面理垂直最大主應(yīng)力）卸載條件峰值強(qiáng)度低于加載條件約20%，殘余強(qiáng)度低于加載條件25%。平行面理時(shí)砂質(zhì)板巖表現(xiàn)為彈脆性特征，且卸載條件下的脆裂破壞特征比加載條件下更強(qiáng)。平行面理試件破壞面基本沿試樣中的微面理面方向發(fā)育，破壞是橫向強(qiáng)烈擴(kuò)容引起的張性破壞。垂直面理時(shí)，加載條件下破裂面呈現(xiàn)對(duì)角線貫通性剪切破壞特征，卸載條件下破壞面從試件兩端的剪切屈服面向中部擴(kuò)展，中部在剪張作用下破裂，與加載條件下單個(gè)貫通剪切面有顯著差別。

砂質(zhì)板巖；加卸載；力學(xué)特性；試驗(yàn)研究

1 研究背景

隨著地下洞室和隧道工程的發(fā)展，巖體在卸載力學(xué)條件下的力學(xué)特性研究越來(lái)越受到重視。巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)是一種三向應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)際工程中洞室和隧道開(kāi)挖即是巖體的一個(gè)卸荷過(guò)程。伴隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，巖體三向應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，此時(shí)圍巖的力學(xué)特性與加載情況下有較大差別。

針對(duì)這一情況研究人員進(jìn)行了大量研究工作，哈秋舲［1］針對(duì)三峽工程永久船閘陡高邊坡開(kāi)展巖體各向異性卸荷力學(xué)研究；裴建良［2］等對(duì)層狀大理巖的卸載力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到相同卸荷條件下，平行面理面壓縮時(shí)巖石更易發(fā)生破壞，垂直面理面時(shí)大理巖脆性特征更明顯；黃潤(rùn)秋［3］等對(duì)卸荷條件下巖石變形特征進(jìn)行研究，并建立了卸荷巖石峰后脆性段本構(gòu)方程；高春玉［4］等通過(guò)三軸加卸載試驗(yàn)對(duì)大理巖在加載和多個(gè)卸載路徑條件下的變形及強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比研究；李天斌和王蘭生［5］研究了卸荷應(yīng)力狀態(tài)下玄武巖的變形和破壞特征；李建林［6］在專著中總結(jié)了巖體的卸荷力學(xué)特性。大量研究表明：巖石在卸載條件下的力學(xué)特性與常規(guī)試驗(yàn)條件下差異較大，而不同巖性巖體卸載條件下的力學(xué)特性仍有許多研究有待開(kāi)展。

本文結(jié)合雪峰山隧道工程實(shí)際，對(duì)取自該工程現(xiàn)場(chǎng)的砂質(zhì)板巖巖樣開(kāi)展三軸加載與三軸卸載試驗(yàn)，研究雪峰山隧道具微面理砂質(zhì)板巖的卸載力學(xué)特性，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，得到該砂質(zhì)板巖在最大主應(yīng)力垂直面理和平行面理時(shí)的強(qiáng)度特征、變形破壞特征及主要力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)條件

2．1 試件制備

試驗(yàn)所用巖樣采自雪峰山隧道工程現(xiàn)場(chǎng)，試件巖性主要為硅化砂質(zhì)板巖，鉆取的試件按照巖石試件取樣洞段分左右洞編號(hào)。相同方案的試件均取自同一巖塊。試件尺寸為Φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體；巖石試件按微面理與最大主應(yīng)力夾角分為平行面理（β＝0°）和垂直面理（β＝90°）兩類。

2．2 試驗(yàn)設(shè)備

本次研究的試驗(yàn)均在四川大學(xué)MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)具有足夠大的剛度和計(jì)算機(jī)程控高速閉環(huán)伺服控制，可采集到單軸及三軸試驗(yàn)的全過(guò)程曲線。

2．3 試驗(yàn)方案及方法

三軸試驗(yàn)分以下2個(gè)方案（見(jiàn)表1）。

方案Ⅰ：常規(guī)三軸試驗(yàn)，其試驗(yàn)程序按照試驗(yàn)規(guī)范［7］進(jìn)行。試驗(yàn)按夾角不同分2組，每組4個(gè)樣，圍壓分別為10，20，40和60 MPa。三軸試驗(yàn)以0．05 MPa／s的速率施加到設(shè)定圍壓，待圍壓穩(wěn)定后，以0．5 MPa／s的力控制加載速率施加軸向荷載至巖樣峰值荷載的70%左右，之后轉(zhuǎn)為環(huán)向引伸計(jì)控制，得到全過(guò)程曲線，直至巖石試件破壞。

方案Ⅱ：卸荷三軸試驗(yàn)，用加軸壓降圍壓的試驗(yàn)來(lái)模擬工程開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力變化過(guò)程中最大主應(yīng)力σ1增高，最小主應(yīng)力σ3降低的力學(xué)過(guò)程。試驗(yàn)分為4個(gè)階段：第一階段逐步施加σ3至預(yù)定值40 MPa；第二階段逐步升高σ1至比例極限；第三階段緩慢升高σ1的同時(shí)逐步降低σ3；第四階段是試件破壞后效應(yīng)的測(cè)試，試件破壞后繼續(xù)施加軸向應(yīng)變，直至主應(yīng)力差不隨軸向應(yīng)變的增加而降低時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)按夾角不同分2組，平行面理組2個(gè)樣，垂直面理組4個(gè)樣。

表1 試件分組Table 1 G roups of specim ens

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3．1 變形特征

三軸加載條件的典型應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線如圖1（所選試樣圍壓均為40 MPa），平行面理時(shí)（如圖1（a）），應(yīng)力－應(yīng)變曲線在主應(yīng)力差達(dá)到峰值后經(jīng)歷了較長(zhǎng)的不穩(wěn)定破裂過(guò)程，具有明顯的彈脆性材料的特性［8］，應(yīng)力差達(dá)到峰值前變形較小，峰值后軸向應(yīng)變變化較小，環(huán)向應(yīng)變及體積應(yīng)變?cè)黾虞^大，說(shuō)明破壞是由橫向強(qiáng)烈擴(kuò)容引起的［9］。

垂直面理時(shí)（如圖1（b）），應(yīng)力差達(dá)到峰值以后變形進(jìn)入了軟化階段，并迅速破壞。峰值后基本沒(méi)有不穩(wěn)定破裂階段，但經(jīng)歷了一個(gè)較明顯的應(yīng)力降低而應(yīng)變?cè)龃蟮臄U(kuò)容過(guò)程。應(yīng)變值在應(yīng)力峰值前明顯大于平行面理，表現(xiàn)出延性特征。并且在破壞前軸向變形較大，破壞后橫向與軸向變形增長(zhǎng)量相近，試件變形主要由交層剪切破壞［1］產(chǎn)生。

從圖1可以看出，2種面理方向試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線差異明顯。平行面理試件呈現(xiàn)脆性破壞特征，而垂直面理試件呈峰后軟化特征［10］。平行面理試件有一個(gè)明顯的急劇擴(kuò)容過(guò)程，殘余強(qiáng)度的體變達(dá)到14×10－3，垂直面理時(shí)只有8．5×10－3，說(shuō)明微面理平行于最大主應(yīng)力時(shí)，破壞后試件變形更大。平行面理時(shí)彈性模量和變形模量分別比垂直面理時(shí)約大6%和20%，而側(cè)脹系數(shù)在平行面理時(shí)明顯小于垂直面理時(shí)，三軸加載條件下夾角對(duì)泊松比的影響不明顯。

圖1 三軸加載試驗(yàn)典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig．1 Typical comp lete stress-strain curves of triaxial loading tests

三軸卸載條件的典型應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線如圖2（所選試樣圍壓均為40 MPa），曲線變化規(guī)律與三軸加載條件下相似。垂直面理試件破壞時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線呈圓滑過(guò)渡，并沒(méi)有能量的瞬間釋放，變形破裂經(jīng)歷了線彈性變形、非線性變形、穩(wěn)定破裂、破壞幾個(gè)階段。平行面理試件破壞過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變曲線各階段轉(zhuǎn)折尖棱，并伴有高低起伏，沒(méi)有圓滑的過(guò)渡階段，不穩(wěn)定破裂階段在體應(yīng)變達(dá)到10×10－3時(shí)基本結(jié)束，這一階段在加載條件下對(duì)應(yīng)的體應(yīng)變?yōu)?．2×10－3，約為卸載條件下的20%，而二者的體變?cè)谶_(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)相近，表明卸載條件下平行面理試件顯示出更強(qiáng)的脆裂破壞特征。峰值前平行面理的環(huán)向應(yīng)變約為垂直面理情況下的80%；平行面理彈性模量和變形模量分別比垂直面理時(shí)約大60%和85%，這一比例遠(yuǎn)大于加載條件，說(shuō)明卸載條件下試件的彈脆性特征較加載條件下更顯著。

圖2 三軸卸載試驗(yàn)典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig．2 Typical com plete stress-strain curves of triaxial unloading tests

3．2 強(qiáng)度特征

三軸加載條件試驗(yàn)組中，平行面理和垂直面理試件的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度都隨圍壓的增大呈增大趨勢(shì)。兩組試件破壞時(shí)主應(yīng)力差（σ1－σ3）max與殘余強(qiáng)度相近。

三軸卸載條件試驗(yàn)組中，平行面理和垂直面理試件以相同初始圍壓（40 MPa）開(kāi)始卸載，試驗(yàn)得到平行面理的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度都較垂直面理高約20%，卸載條件下試件強(qiáng)度差異增大。卸載條件下垂直面理試件的強(qiáng)度比相同圍壓加載條件試件的強(qiáng)度降低約20%。

對(duì)加、卸載條件下各組試件峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度值進(jìn)行比較，平行面理時(shí)，加、卸載條件下峰值強(qiáng)度相近，垂直面理時(shí)，卸載條件峰值強(qiáng)度低于加載條件20%，殘余強(qiáng)度低于加載條件25%。

三軸加、卸載試驗(yàn)得到的結(jié)果列于表2。

3．3 破壞特征

加載試驗(yàn)試件的破壞特征如圖3。平行面理時(shí)（如圖3（a）），破壞面基本沿試樣中的面理方向發(fā)育，破裂面分散，破壞是由橫向強(qiáng)烈擴(kuò)容引起的張性破壞，說(shuō)明微面理是巖體中的弱面，當(dāng)這種弱面與巖體最大主應(yīng)力方向相近或平行時(shí)，它就控制了巖石的破壞方式和破壞特征。垂直面理時(shí)（如圖3（b）），破裂面呈現(xiàn)對(duì)角線貫通性剪切破壞特征，破壞面與面理和最大主應(yīng)力方向的夾角都較大。兩種面理方向時(shí)破壞形式的差異顯著，面理方向?qū)r石的破壞形式有較大影響，也導(dǎo)致平行面理時(shí)強(qiáng)度較垂直面理時(shí)低。

卸載試驗(yàn)試件的破壞特征如圖4。平行面理時(shí)（如圖4（a）），破壞面與加載條件下相同，基本沿試樣中的微面理面方向發(fā)育，相同的破壞方式使得二者的強(qiáng)度相近。垂直面理時(shí)（如圖4（b）），破壞面從試件兩端的剪切屈服面向中部擴(kuò)展，中部在剪張作用下破裂，與加載條件下單個(gè)貫通剪切面有顯著差別，所以，卸載條件下其強(qiáng)度較加載條件下低。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

圖3 三軸加載試驗(yàn)典型破壞形態(tài)Fig．3 Typical failurem odes of triaxial loading tests

圖4 三軸卸載試驗(yàn)典型破壞形態(tài)Fig．4 Typical failuremodes of triaxial unloading tests

4 結(jié) 論

本文結(jié)合雪峰山隧道工程實(shí)際，通過(guò)隧道圍巖中具典型微面理砂質(zhì)板巖的常規(guī)三軸和卸載三軸試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）平行面理時(shí)，在加、卸載兩種條件下砂質(zhì)板巖變形均表現(xiàn)出彈脆性特征，應(yīng)力差達(dá)到峰值前變形較小，峰值后軸向應(yīng)變變化較小，環(huán)向應(yīng)變及體積應(yīng)變?cè)黾虞^大，強(qiáng)烈橫向擴(kuò)容導(dǎo)致試樣破壞；加載條件下不穩(wěn)定破裂階段體應(yīng)變僅為卸載條件同階段的20%，說(shuō)明卸載條件下的脆裂破壞更強(qiáng)烈，破壞產(chǎn)生的變形更大。

（2）垂直面理時(shí)，在加、卸載兩種條件下變形均表現(xiàn)為峰后軟化特征，在破壞前軸向變形較大，破壞后橫向與軸向變形增長(zhǎng)量相近，試件變形主要由交層剪切屈服破壞產(chǎn)生。

（3）平行面理時(shí)，加、卸載條件下峰值強(qiáng)度相近，加載條件下殘余強(qiáng)度高于卸載條件約10%，卸載條件下破壞后巖體強(qiáng)度更低，承載能力更差；垂直面理時(shí)，卸載條件峰值強(qiáng)度低于加載條件20%，殘余強(qiáng)度低于加載條件25%。垂直面理時(shí)巖樣在加、卸載條件下的強(qiáng)度分化更明顯。在開(kāi)挖卸荷條件下，巖體實(shí)際強(qiáng)度會(huì)明顯低于規(guī)范要求室內(nèi)試驗(yàn)加載時(shí)得到的強(qiáng)度，在開(kāi)挖與支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)引起重視。

（4）卸載條件下，平行面理的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度都較垂直面理高約20%，平行面理的彈性模量和變形模量分別比垂直面理時(shí)約大60%和85%。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，面理垂直于開(kāi)挖面時(shí)巖體更容易破壞［11］。

（5）平行面理時(shí)破壞面基本沿試樣中的微面理面方向發(fā)育，破裂面分散，破壞是由橫向強(qiáng)烈擴(kuò)容引起的張性破壞。垂直面理時(shí)，加載條件下破裂面呈現(xiàn)對(duì)角線貫通性剪切破壞特征，破壞面與面理和最大主應(yīng)力方向的夾角都較大；卸載條件下破壞面從試件兩端的剪切屈服面向中部擴(kuò)展，中部在剪張作用下破裂，與加載條件下單個(gè)貫通剪切面有顯著差別。

［1］ 哈秋舲．三峽工程永久船閘陡高邊坡各向異性卸荷巖體力學(xué)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（5）：603－618．（HA Qiu-ling．Study on the Anisotropic Unloading Rock Mass Mechanics for the Steep-high Rock Slope of the Three Gorges Project Permanent Shiplock［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（5）：603－618．（in Chinese））

［2］ 裴建良，劉建鋒，徐 進(jìn)．層狀大理巖卸荷力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（12）：2496－2502．（PEI Jian-liang，LIU Jian-feng，XU Jin．Experimental Study of Mechanical Properties of Layered Marble under Unloading Condition［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（12）：2496－2502．（in Chinese））

［3］ 黃潤(rùn)秋，黃 達(dá)．卸荷條件下巖石變形特征及本構(gòu)模型研究［J］．地球科學(xué)發(fā)展，2008，23（5）：441－447．（HUANG Run-qiu，HUANG Da．Study of Deformation Characteristics and Constitutive Model of Rock on the Condition of Unloading［J］．Advances in Earth Science，2008，23（5）：441－447．（in Chinese））

［4］ 高春玉，徐 進(jìn)，何 鵬，等．大理巖加卸載力學(xué)特性的研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（3）：456－460．（GAO Chun-Yu，XU Jin，HE Peng，et al．Study on Mechanical Properties of Marble under Loading and Unloading Conditions［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（3）：456－460．（in Chinese））

［5］ 李天斌，王蘭生．卸荷應(yīng)力狀態(tài)下玄武巖變形破壞特征的試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1993，12（4）：321－327．（LI Tian-bin，WANG Lan-sheng．An Experimental Study of the Deformation and Failure Features of a Basalt under Unloading Condition［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1993，12（4）：321－327．（in Chinese））

［6］ 李建林．卸荷巖體力學(xué)［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2003．（LIJian-lin．Unloading Rock MassMechanics［M］．Beijing：China Water Power Press，2003．（in Chinese））

［7］ SL264—2001，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2001．（SL264—2001，Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering［S］．Beijing：China Water Power Press，2001．（in Chinese））

［8］ 蔡 朋，鄔愛(ài)清，汪 斌，等．一種基于II型全過(guò)程曲線的巖爆傾向性指標(biāo)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，5（增1）：3290－3294．（CAI Peng，WU Ai-qing，WANG bin，etal．A Rockburst Proneness Index Based on Class IIWhole Process Curve［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，5（Sup．1）：3290－3294．（in Chinese））

［9］ 尤明慶．巖石的力學(xué)性質(zhì)［M］．北京：地質(zhì)出版社，2007．（YOU Ming-qing．Mechanical Properties of Rock Masses［M］．Beijing：Geological Publishing House，2007．（in Chinese））

［10］許 強(qiáng)，黃潤(rùn)秋．巖體強(qiáng)度的各向異性研究［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1993，（6）：10－12．（XU Qiang，HUANG Run-qiu．Strength Anisotropy Study of Rockmass［J］．Hydrogeology and Engineering Geology，1993，（6）：10－12．（in Chinese））

［11］張學(xué)民．巖石材料各向異性特征及其對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究［D］．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007．（ZHANG Xue-min．Anisotropic Characteristic of Rock Material and Its Effect on Stability of Tunnel Surrounding Rock［D］．Changsha：Central South University，2007．（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

M echanical Properties of Sandy Slate under Loading and Unloading Conditions

GAO Chun-yu1，XU Jin1，LIZhong-hong2
（1．School ofWater Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2．Hydrochina Kunming Engineering Corporation，Kunming 650051，China）

To research the strength characteristics，deformation properties，and failure regularities of sandy slate which hasmicro-bedding，triaxial compressed tests in loading and unloading conditions are carried out by MTS815 Flex test GT rock mechanics test system．The test results show that the peak intensities under loading are close to those under unloading condition when the bedding parallels to the maximum principal stress（parallel bedding）．When the bedding is vertical to the maximum principal stress（vertical bedding），peak intensity and residual strength under unloading condition are respectively 20%and 25%lower than those under loading condition．The sandy slate with parallel bedding shows elastic brittle feature，and this brittle failure under unloading condition is stronger than that under loading condition．Failure surfaces of parallel bedding samples develop along the bedding planes direction，and the failure is caused by strong lateral expansion under tension．The failure faces of vertical bedding samples under loading condition display shear feature with diagonal transfixion plane，and the failure faces under unloading condition develop from the shear yielding planes at both ends to the center of the sample．

sandy slate；loading and unloading；mechanical property；experimental study

TU 458

A

1001－5485（2013）02－0052－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．011

2011－11－25；

2012－06－13

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項(xiàng)目（2011CB201201）

高春玉（1975－），女，四川宜賓人，講師，主要從事巖石力學(xué)性質(zhì)、地下工程穩(wěn)定及安全監(jiān)測(cè)方面的研究工作，（電話）028－85465866（電子信箱）chygao＠scu．edu．cn。