不同角度單裂隙對(duì)類巖石加卸載強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究?

王永巖 王 浩 崔立樁

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

巖石內(nèi)部通常會(huì)存在無規(guī)則微裂隙，在外荷載作用下微裂隙不斷萌生擴(kuò)展，巖石損傷不斷積聚并最終導(dǎo)致巖體破裂。地下工程中，巷道開挖和爆破施工所產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)對(duì)圍巖造成嚴(yán)重的應(yīng)力擾動(dòng)，造成圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖部分區(qū)域應(yīng)力集中、應(yīng)力增加，而其他部分區(qū)域應(yīng)力降低，從而圍巖就會(huì)受到復(fù)雜的加、卸載應(yīng)力作用。因此，研究巖石在加卸載條件下的力學(xué)特性具有重要意義。

許多學(xué)者在裂隙巖體的加卸載方面進(jìn)行了研究，劉松［1］以花崗巖為研究對(duì)象進(jìn)行了單軸壓縮載荷條件下的循環(huán)加卸載試驗(yàn)試驗(yàn)研究，并采用數(shù)值模擬軟件對(duì)巖石單軸和三軸進(jìn)行了模擬加卸載試驗(yàn)試驗(yàn)，探究了加卸載次數(shù)對(duì)巖石強(qiáng)度和變形特征的影響。許江等［2］通過對(duì)加卸載條件下煤巖變形特性與滲透特征的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果證明加卸載試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度明顯低于其相應(yīng)荷載條件下的峰值強(qiáng)度。何俊［23］利用RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤樣進(jìn)行常規(guī)三軸、三軸循環(huán)加卸載作用下聲發(fā)射試驗(yàn)，得出煤樣破壞能量釋放最大值在峰值應(yīng)力的85%。王四?。?］研究了加卸載下塑性混凝土的強(qiáng)度及變形特性，結(jié)果表明，經(jīng)過循環(huán)加載后塑性混凝土的強(qiáng)度與單調(diào)直接加載相比有所降低，變化幅度均在10%以內(nèi)；塑性混凝土的卸載曲線總是滯后于加載曲線，加載曲線和卸載曲線形成了封閉的塑性滯回環(huán)。周家文［4］等針對(duì)脆性巖石單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)及斷裂損傷力學(xué)特性進(jìn)行了研究，對(duì)脆性巖石單軸循環(huán)加卸載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、峰值強(qiáng)度及斷裂損傷力學(xué)特性等進(jìn)行研究。目前，盡管在循環(huán)加卸載方面取得了一些成果，但各學(xué)者［5～19］的研究針對(duì)單軸加卸載較多，對(duì)三軸加卸載試驗(yàn)試驗(yàn)研究方面［20～22］較少，對(duì)含裂隙巖石的加卸載試驗(yàn)試驗(yàn)研究更少。本文針對(duì)含裂隙類巖石試件進(jìn)行加卸載試驗(yàn)試驗(yàn)研究，并總結(jié)出一些有參考價(jià)值的結(jié)論。

2 試驗(yàn)概況

2.1 含不同角度單裂隙類巖石試件的制作

以相似三定理為理論基礎(chǔ)，本文以水泥、河砂和水（配比2∶1∶0.13）配制的類巖石試件為研究對(duì)象，其中相似材料河砂粒徑為40目，水泥為P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。采用自制的φ50mm×100mm含裂隙的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件模具（如圖1（a）所示）制備試件，預(yù)制貫通閉合裂隙的長(zhǎng)度為20mm，厚度為0.8mm。試件脫模后，在通風(fēng)干燥的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)（普通養(yǎng)護(hù)非水養(yǎng)護(hù)）7天后將試件的上下底端打磨平整，如圖1（b）。

圖1 試件模具和類巖石試件

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

所用試驗(yàn)設(shè)備為TAW-200電子多功能試驗(yàn)機(jī)，如圖2。該儀器主-要用于巖石或混泥土的剪切流變?cè)囼?yàn)，具有剛度大、測(cè)量精確、控制精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 試驗(yàn)儀器

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 裂隙試件的單軸壓縮試驗(yàn)

對(duì)類巖石試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，選擇載荷加載方式，采取50N/s的加載速率，記錄類巖石試件的彈性模量、泊松比、峰值強(qiáng)度等參數(shù)。

根據(jù)圖3、圖4可知，單軸抗壓強(qiáng)度隨角度增加而顯著增大，含裂隙試件的最低和最高抗壓強(qiáng)度分別約是完整試件的30%和67%，貫通單裂隙對(duì)試件強(qiáng)度具有較大影響。雖然彈性模量隨角度增加逐漸增加，泊松比隨角度的增加反而減小，但其波動(dòng)范圍比較小，故認(rèn)為含裂隙試件與完整試件的彈性模量和泊松比一致。

圖3 不同裂隙傾角彈性模量

圖4 不同裂隙傾角泊松比

3.2 裂隙試件的三軸壓縮破壞試驗(yàn)研究

對(duì)五種不同角度（0°、30°、45°、75°、90°）的裂隙試件及完整試件進(jìn)行1MPa和3MPa圍壓作用下的三軸破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線，數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 三軸壓縮下裂隙類巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5，由于存在圍壓，裂隙試件及完整試件的峰值強(qiáng)度明顯高于單軸下峰值強(qiáng)度，圍壓越高，峰值強(qiáng)度越大。1MPa圍壓下，不同角度的裂隙試件間的峰值強(qiáng)度關(guān)系與單軸下峰值強(qiáng)度關(guān)系一致；3MPa圍壓下，45°裂隙試件峰值強(qiáng)度最小。對(duì)比不同圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線，圍壓較低時(shí)，45°裂隙試件的下降幅度最大，而圍壓較高時(shí)，曲線下降幅度明顯變小，說明圍壓對(duì)不同傾角裂隙試件的峰值強(qiáng)度影響程度不同，45°裂隙試件受圍壓影響最大。

3.3 單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)

對(duì)含裂隙試件分5個(gè)等級(jí)進(jìn)行加載，每一級(jí)載荷取單軸壓縮試件強(qiáng)度的20%；不同裂隙傾角試件和完整試件均取5組，每級(jí)卸載值取0，最后對(duì)峰值應(yīng)力求取平均值。

如圖6所示，完整試件與含不同角度裂隙試件的加卸載曲線形狀為針葉狀。隨著循環(huán)載荷的增加，滯回環(huán)的面積逐漸增加，加卸載斜率并不相同，卸載過程斜率較低，因此每一次加載過程彈性模量也要低于卸載過程的彈性模量。

圖6 試件加卸載與應(yīng)變曲線

3.4 三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)

通過對(duì)裂隙試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同裂隙角度試件的三軸峰值強(qiáng)度在圍壓1MPa時(shí)保持與單軸峰值強(qiáng)度相同趨勢(shì)，所以在1MPa圍壓下對(duì)含裂隙試件分5個(gè)等級(jí)進(jìn)行加載，每一級(jí)載荷取相應(yīng)試件強(qiáng)度的20%；不同角度裂隙試件和完整試件都取5組，每級(jí)卸載值都為0，根據(jù)5組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)峰值應(yīng)力求取平均值。

三軸加卸載的試驗(yàn)結(jié)果與單軸類似，如圖7，三軸加卸載試驗(yàn)滯回環(huán)為針葉狀，隨循環(huán)載荷增加，滯回環(huán)面積逐漸增加，損耗能量增大。卸載過程斜率較低于加載過程，因此每次加載過程彈性模量也要低于卸載過程，三軸的軸向位移變化比單軸的軸向位移明顯。

圖7 三軸加卸載強(qiáng)度與應(yīng)變曲線

4 結(jié)果與討論

如圖8，單軸壓縮的峰值強(qiáng)度比經(jīng)歷五次加卸載的高，單軸加卸載強(qiáng)度、三軸峰值強(qiáng)度、三軸加卸載強(qiáng)度隨角度增大而增加。含裂隙試件的強(qiáng)度低于完整試件的強(qiáng)度，說明裂隙傾角對(duì)類巖石的單軸、三軸強(qiáng)度的影響有著同樣規(guī)律。

圖8 四種試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度對(duì)比

從圖9可以看出三軸加卸載強(qiáng)度與三軸強(qiáng)度的比曲線低于單軸加卸載強(qiáng)度與單軸強(qiáng)度的比曲線，說明圍壓對(duì)含裂隙試件強(qiáng)度造成一定的影響，單軸加卸載強(qiáng)度與單軸強(qiáng)度之比大于三軸加卸載強(qiáng)度與三軸強(qiáng)度之比；而完整試件的三軸加卸載強(qiáng)度與三軸強(qiáng)度之比大于單軸加卸載強(qiáng)度與單軸強(qiáng)度之比。含裂隙試件的單軸強(qiáng)度與三軸強(qiáng)度比隨裂隙角度增加而減小，角度為0°時(shí)，強(qiáng)度比為0.74，當(dāng)角度增加到90°，強(qiáng)度比為0.568，而完整試件的強(qiáng)度比為0.561。

圖9 單軸、三軸循環(huán)加卸載強(qiáng)度比

5 結(jié)語

本文對(duì)預(yù)置裂隙的類軟巖相似材料進(jìn)行了單軸、三軸條件下的循環(huán)加卸載試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)比分析不同裂隙傾角類軟巖相似材料的單軸、三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論。

1）單軸峰值強(qiáng)度隨角度（裂隙面與水平方向夾角）的增大顯著增加，彈性模量隨角度的增大而增加、泊松比隨角度增大而降低；

2）不同傾角類巖石循環(huán)加卸載強(qiáng)度隨裂隙傾角增加而增大；

3）三軸強(qiáng)度隨裂隙傾角增加而增大，圍壓對(duì)裂隙試件強(qiáng)度影響明顯；低圍壓應(yīng)力應(yīng)變曲線為脆性跌落，高圍壓應(yīng)力應(yīng)變曲線隨圍壓增高脆性系數(shù)降低，但峰前應(yīng)變反而變小；

4）三軸軸壓循環(huán)加卸載強(qiáng)度隨裂隙傾角增加而明顯增大。