不同卸荷速率條件下砂巖分級卸荷力學特性試驗研究

王 旭，陳興周，張 浩，陳莉麗，楊 沖，杜 威

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在地下資源的開采，公路、鐵路交通建設(shè)等諸多工程中，隧洞開挖活動頻次較多。開挖擾動下隧洞圍巖應力重分布，使隧洞處于復雜應力狀態(tài)，造成工程建設(shè)過程中問題頻出，例如隧洞中巖爆，底鼓等，嚴重影響安全生產(chǎn)。隧洞開挖從力學本質(zhì)上是圍巖卸荷再調(diào)整的過程，加之巖體在加載和卸載條件下其力學性質(zhì)有著本質(zhì)上的區(qū)別，因此研究圍巖卸荷力學特性對隧洞建設(shè)顯得尤為重要。

針對卸荷問題，已有諸多學者從工程實際出發(fā)，展開了一系列研究。李建林[1]根據(jù)三軸卸荷試驗，從應變-應變曲線、變形模量和抗拉強度研究了卸荷巖體的各向異性。李天斌[2]通過對玄武巖進行卸荷三軸試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著卸荷破壞時圍壓的增大，試件由張性破壞過渡到張剪性破壞。邱士利等[3]通過對大理巖進行不同速率卸圍壓試驗，研究發(fā)現(xiàn)巖石的軸向和環(huán)向變形受卸荷速率影響較大。高春玉等[4]對錦屏水電站所取大理石巖樣進行了加載、卸載三軸試驗，經(jīng)過分析對比，研究發(fā)現(xiàn)巖體卸荷在破壞過程中同等圍壓與加載相比，塑性特征減弱，脆性特征增強，側(cè)向應變值增大。張黎明[5]等對粉砂巖進行了不同圍壓下的三軸壓縮試驗，從應力-應變曲線分析發(fā)現(xiàn)，巖樣力學性質(zhì)在峰前較穩(wěn)定，而峰后處于非穩(wěn)定狀態(tài)。李新平[6]等通過對大理巖進行加卸載試驗，研究發(fā)現(xiàn)卸荷受初始圍壓水平影響顯著，初始圍壓越大，峰值強度越高。

綜上所述，眾多學者從各個方面考慮了影響巖體卸荷的各個因素，進行了諸多卸荷試驗研究，分析其在卸荷影響因素下的力學特性，對研究卸荷問題做出了巨大貢獻，但在卸荷試驗過程中，基本都是直接卸荷至破壞，較少考慮分級卸荷。開挖卸荷是應力釋放的過程，對于不同開挖方式下有不同的卸荷過程。本文以隧洞工程分部開挖為背景，分部開挖方式致使巖體逐級卸荷和應力的逐步釋放，故開展同初始圍壓下，不同卸荷速率砂巖分級卸荷試驗，分析砂巖試件的應力-應變曲線、變形特征和破壞特征，為隧洞開挖設(shè)計與生產(chǎn)提供參考。

1 試驗材料及方案

1.1 試件制備

試驗所選巖樣為某隧道的砂巖，所有的巖樣均是現(xiàn)場簡單切割，然后運輸至實驗室加工，巖樣經(jīng)過取芯、切割、打磨，成型為圓柱體，直徑為50 mm，高度為100 mm，加工精度嚴格按GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標準》執(zhí)行，砂巖試件如圖1。試件制備完成后，進行篩選，剔除掉外觀存在缺陷的試件后進行密度、孔隙率、縱波波速測試，依據(jù)所得物理參數(shù)，將差異性過大的試件再次剔除。本次試驗最終選取6個試件進行試驗，1個常規(guī)單軸壓縮試驗，1個常規(guī)三軸壓縮試驗，4個不同卸荷速率下分級卸荷試驗，所選試件物理參數(shù)如表1。

1.2 試驗方案

試驗利用THMC多場耦合三軸試驗系統(tǒng)進行，該設(shè)備可進行溫度-應力-滲流-化學(THMC)全耦合或局部耦合條件下的巖石三軸試驗及巖石常規(guī)三軸力學試驗。能夠開展大尺寸單軸壓縮、變角剪切和巴西劈裂等試驗，具有耗能低、噪音小、試驗試件長等優(yōu)點。本系統(tǒng)主要由圍壓室、大噸位偏壓加載框架、圍壓伺服控制模塊、偏壓伺服控制模塊、孔壓伺服控制模塊、溫度控制模塊和氣體滲透模塊等組成。主要技術(shù)指標有：最大圍壓100 MPa,最大軸向壓力1 500 kN，最大軸向偏應力60 MPa，最大孔壓60 MPa，最大溫度150 ℃，試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 典型砂巖試件圖

表1 試件物理參數(shù)表

圖2 多場耦合三軸試驗系統(tǒng)圖

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)力學和卸荷巖體力學思想，試驗巖樣未開采時，處于原地應力狀態(tài)下，原巖在其初定賦存環(huán)境下具有特定的孔隙結(jié)構(gòu)特征，說明巖石礦物顆粒間存在相互關(guān)系、孔隙結(jié)構(gòu)依舊存在前后對應關(guān)系。故為了更貼近還原試件在原地應力狀態(tài)，防止后續(xù)試驗因初期加載破壞初始孔隙結(jié)構(gòu)，讓試件提前進入屈服階段，使得本次研究不能準確反映規(guī)律，需要提前確定試件的最大圍壓。本次試驗采用小荷載逐級加載法來確定最大圍壓，具體過程為：進行三軸壓縮試驗時，按靜水壓力條件以同等速率逐步施加軸壓和圍壓，觀察環(huán)向變形圖形和數(shù)值變化。砂巖為軟巖，故試件在靜水壓力階段，試件從加載初始就會出現(xiàn)體縮現(xiàn)象，環(huán)向變形逐漸降低，繼續(xù)施加荷載，待環(huán)向變形數(shù)值逐漸趨于穩(wěn)定，即得砂巖試件最大圍壓(4 MPa)，靜水壓力階段結(jié)束，最后加軸壓直至破壞。

考慮到應力路徑不同，試件所表現(xiàn)的力學特性不同。本文主要考慮分級卸荷速率對于試件力學特性的影響，結(jié)合所取試件地質(zhì)條件，綜合卸荷應力路徑為恒軸壓，卸圍壓。試驗步驟如下：

(1) 常規(guī)單軸壓縮試驗：單軸抗壓強度16 MPa。

(2) 常規(guī)三軸壓縮試驗：初始圍壓為4 MPa，三軸抗壓強度為40 MPa。

(3) 不同速率下分級卸荷試驗：① 靜水壓力條件逐步施加(速率0.6 MPa/min)σ1=σ3至預定值(4 MPa)；② 穩(wěn)定圍壓保持不變，逐步升高σ1(0.6 MPa/min)至試件破壞前的某一應力狀態(tài)(對應圍壓下巖石三軸抗壓強度的70%，即28 MPa)，σ1的應力水平要大于單軸抗壓強度且小于對應圍壓下的三軸抗壓強度；③ 穩(wěn)定軸壓保持不變的同時以0.1、0.2、0.4、0.6 MPa/min一定速率分級逐步緩慢的降低σ3，其中每級(1 MPa)卸荷完成后靜置30 min再開始下一級卸荷，直至巖樣破壞。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 破壞特征分析

表2為同初始卸荷水平下，不同卸荷速率砂巖分級卸荷的試驗結(jié)果，圖3為砂巖卸荷破壞形態(tài)，卸荷速率依次為0.6、0.4、0.2、0.1 MPa/min。

由表2、圖3可知，在同初始圍壓為4 MPa，分級卸荷的極限強度都小于三軸壓縮的極限強度，這表明卸荷更容易導致巖石破壞。試件破壞形態(tài)基本都是由一條主裂縫實現(xiàn)對試件的貫穿，隨著能量的積累，巖石內(nèi)部原有裂隙的發(fā)育和新裂紋的增加逐漸擴展、交匯，最終在兩個相互連接的剪切面形成一條主裂縫致使試件破壞，試件破壞具有突發(fā)性，破壞時可以聽到能量釋放而產(chǎn)生的清脆破裂響聲，且均表現(xiàn)為脆性破壞，可從破壞試件看出明顯的宏觀裂縫，即是剪切破壞。卸圍壓的速率越大，試件破壞越快且更強烈，當卸荷速率為0.1 MPa/min時，破裂角大致呈對角，隨著卸荷速率的增大，破裂角逐漸增大。

表2 不同速率砂巖分級卸荷試驗結(jié)果表

圖3 不同卸荷速率下分級卸荷試件破壞形態(tài)圖

2.2 全應力-應變曲線分析

圖4為不同卸荷速率分級卸荷試驗應力-應變曲線圖，橫軸以靜水壓力狀態(tài)時的變形作為應變軸，縱軸為σ1-σ3。由圖4可知，在卸圍壓前，圍壓穩(wěn)定在4 MPa，軸壓穩(wěn)定增長，應力-應變曲線近似呈線性關(guān)系，環(huán)向應變曲線變化很小，試件內(nèi)部原孔隙，裂隙受壓發(fā)生閉合，主要以軸向壓縮變形為主。當開始卸圍壓后，軸向變形緩慢增長，而環(huán)向應變曲線斜率開始減小，側(cè)向變形開始快速增加。卸荷速率越快，巖石內(nèi)部能量積攢較快，導致裂紋迅速擴大延伸，試件破壞越快，卸圍壓的速率越小，裂隙有充足的發(fā)育時間，產(chǎn)生的新裂紋逐漸增多，對側(cè)向擴容有促進作用，沿卸圍壓方向的變形就越大，使得側(cè)向擴容更加顯著?？傊?，軸向變形和環(huán)向變形受卸荷速率影響明顯，卸荷速率越低，變形越大，峰值強度越高。

圖4 不同卸荷速率分級卸荷試驗應力-應變曲線圖

2.3 分級卸荷特征分析

巖體所處應力環(huán)境下，實際壓力差真實存在，經(jīng)過長期變化，其加載部分的變形已基本趨于穩(wěn)定，在一定程度上可以將穩(wěn)定后的巖體視為穩(wěn)定巖體。為研究開挖卸荷后，巖體所處應力環(huán)境處于變化過程中巖體的力學變化特性，將試件分級卸荷階段的應力-應變關(guān)系進行繪制，并假定卸荷起始點為零變形，如圖5所示。

由圖5可知，從卸荷起始點開始，軸壓穩(wěn)定在28 MPa，圍壓為4 MPa以不同速率分級卸圍壓，σ1-σ3以24 MPa逐步增加，每級以σ1MPa的量級卸圍壓，每級卸圍壓完成后靜置30 min，故每個階段由卸圍壓和靜置兩部分組成。卸荷第一階段，即σ1-σ3為24～25 MPa階段，卸圍壓時，軸向和環(huán)向變形都開始緩慢增加，但環(huán)向變形明顯較快，卸圍壓完成后靜置時，側(cè)向變形緩慢增長，軸向變化基本不大，說明巖石內(nèi)部原有孔隙，裂隙由最初的受壓閉合狀態(tài)開始釋放和擴展，主要表現(xiàn)在卸圍壓方向。卸荷第二階段,σ1-σ3為25～26 MPa，卸圍壓時，側(cè)向變形愈加增快，而軸向變形依舊處于穩(wěn)定緩慢增長狀態(tài)，靜置時，環(huán)向應變較軸向增長加快，這表明隨著圍壓的不斷減小，巖石內(nèi)部裂隙不斷擴大，還產(chǎn)生許多新裂紋，并且隨著圍壓的降低，時間的增長新裂紋的產(chǎn)生越來越多，導致側(cè)向變形出現(xiàn)明顯變化，側(cè)向擴容開始顯現(xiàn)。卸荷第三階段，σ1-σ3為26～27 MPa，軸向變形加快，側(cè)向變形劇烈增長，在已有側(cè)向擴容的狀態(tài)下，此時圍壓很小的減小量都會使軸向和側(cè)向變形發(fā)生強烈變化，偏應力到達峰值，之后偏應力降低，直至試件堆積的能量最終釋放，試件強烈擴容破壞。當卸荷速率在0.6 MPa/min和0.4 MPa/min時，試件在卸圍壓時破壞，而卸荷速率為0.2 MPa/min和0.1 MPa/min時，試件卻是在靜置時破壞，這說明分級卸荷受卸荷速率的影響，試件不僅在卸圍壓過程中破壞，也可在卸荷穩(wěn)壓狀態(tài)下破壞。

圖5 卸荷起始點分級卸圍壓應力-應變曲線圖

3 結(jié) 論

(1) 針對開挖擾動下隧洞圍巖的分部開挖，對砂巖進行同初始卸荷水平下不同卸荷速率分級卸荷試驗，結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)力學思想，對原巖進行初始場模擬，確定在其賦存環(huán)境下保持原有孔隙結(jié)構(gòu)特征，三軸試驗加載初期產(chǎn)生體縮變形，以體縮變形趨于穩(wěn)定為臨界點的方式，確定了試件的最大初始圍壓為4 MPa。

(2) 通過分析試件的破壞特征和變形特征，同初始圍壓下卸荷更容易導致破壞，破壞都表現(xiàn)為強烈的脆性破壞，具突發(fā)性且伴隨破裂響聲，有明顯的宏觀破裂，表現(xiàn)為貫穿形式的剪切破壞，且卸荷速率越大，破裂角越大。卸圍壓前后，變形分別以軸向和環(huán)向為主，卸荷速率越低，峰值強度越高，變形越大，側(cè)向擴容越顯著。

(3) 考慮軟巖的變形特征，凸顯了卸荷起始點開始的分級卸荷應力-應變曲線，卸荷第一階段，軸向和環(huán)向變形都較為緩慢，巖石內(nèi)部孔隙，裂隙開始由閉合狀態(tài)得到釋放；第二階段相對于軸向，環(huán)向變形快速增長，隨著圍壓的降低，裂隙的擴張和新裂紋的產(chǎn)生沿著卸圍壓方向迅速發(fā)展，側(cè)向變形出現(xiàn)擴容現(xiàn)象；第三階段卸圍壓累積量的增加，很小的圍壓減少量都使變形特別敏感，導致環(huán)向變形強烈，最終隨著能量的釋放，擴容破壞，破壞可發(fā)生在卸圍壓過程中和穩(wěn)壓過程中，受卸荷速率影響。

本文對原巖進行了初始應力場模擬測試，并以所測最大圍壓進行試驗，主要針對軟巖在低速率下的分級卸荷變形破壞，在強度特征方面的探索、分析略顯不足，還需進一步深入研究。