考慮水-力耦合和不同應(yīng)力路徑的砂巖卸荷力學(xué)特性試驗

李均奕,王 偉,曹亞軍,陳超維,朱其志

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098)

地下工程中,應(yīng)力狀態(tài)變化路徑對圍巖力學(xué)特性的影響顯著,如隧道圍巖在開挖過程中,圍巖所處的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜,在某些情況下圍巖在一個方向上應(yīng)力處于卸荷狀態(tài),另一方的應(yīng)力處于加荷或卸荷狀態(tài),不同應(yīng)力狀態(tài)變化路徑下的巖石力學(xué)特性不同,同時由于巖石內(nèi)部往往存在一定的孔隙水,孔隙水壓力與巖石變形之間存在相互動態(tài)耦合。因此,研究水-力耦合條件下不同卸荷應(yīng)力路徑對巖石力學(xué)特性的影響十分重要。

目前,很多學(xué)者從不同角度對巖石在卸荷條件下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究,葉洲元等[1]通過砂巖在復(fù)雜應(yīng)力路徑下的三軸試驗,分析了砂巖在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度、變形特性及其應(yīng)變能隨應(yīng)力路徑的變化規(guī)律;雷濤等[2]對礦石進(jìn)行了連續(xù)卸荷開挖試驗,結(jié)果表明,在卸荷試驗過程中,巖石的黏聚力與內(nèi)摩擦角等參數(shù)逐漸降低;Li等[3]通過對砂巖進(jìn)行不同條件下的三軸卸荷試驗,研究了裂隙巖體在卸荷過程中的力學(xué)特性;黃達(dá)等[4]對高應(yīng)力下脆性巖石進(jìn)行了不同條件下的三軸卸荷試驗,結(jié)果表明,高應(yīng)力下脆性巖石在卸荷過程中呈現(xiàn)較為顯著的應(yīng)變強(qiáng)化特性,同時給出了卸荷條件下參數(shù)的數(shù)值計算方法;趙航[5]對深部大理巖進(jìn)行的三軸卸荷試驗結(jié)果表明,卸荷試驗比加載試驗更易引起巖石的破壞,巖石破壞發(fā)生時,試件的側(cè)向變形更為劇烈,同時發(fā)現(xiàn)在峰值點開始卸荷條件下的破壞更加劇烈;Zhang等[6]通過進(jìn)行一系列的卸荷試驗研究了加卸載條件下巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,分析了巖石在卸荷條件下的力學(xué)特性;Wang等[7]進(jìn)行了三軸試驗和恒軸壓卸圍壓試驗,結(jié)果表明,在卸荷條件下,巖石強(qiáng)度較為脆弱,破壞時損傷較大,初始圍壓越大,越容易發(fā)生卸載破壞;Li等[8-9]通過對巖石開展三軸加卸載試驗,研究了巖石在卸荷條件下的力學(xué)特性;李地元等[10]發(fā)現(xiàn)相對于常規(guī)三軸試驗,恒軸壓卸圍壓試驗黏聚力降低24.21%,內(nèi)摩擦角增大16.71%,而加軸壓卸圍壓路徑黏聚力增大10.25%,內(nèi)摩擦角減少6.64%,表明在恒軸壓卸圍壓試驗中巖石抗破壞的主控因素為摩擦力,而在加軸壓卸圍壓路徑中為黏聚力;陳秀銅等[11]進(jìn)一步研究了水壓影響下的卸荷試驗,通過對高圍壓、高水壓下的巖石進(jìn)行試驗,得出有水壓卸荷對巖石強(qiáng)度的影響比無水壓卸荷要大的結(jié)論,有水壓卸荷,水削弱了圍壓對巖石的影響;鄧華鋒等[12]在研究水-巖作用對巖石的影響中發(fā)現(xiàn),水-巖作用過程中,砂巖的三軸卸荷強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度總體呈先陡后緩的劣化趨勢;王偉等[13]對花崗巖巖樣進(jìn)行了滲透試驗并給出了巖石滲流-應(yīng)力耦合的擬合函數(shù),表明了花崗巖滲透率和體積應(yīng)變之間的關(guān)系。綜上,目前國內(nèi)外對于考慮水-力耦合三軸卸荷試驗的研究并不多見,特別是針對不同卸荷路徑下水-力耦合的砂巖應(yīng)力-應(yīng)變特征與力學(xué)特性的研究。

本文結(jié)合某隧道工程圍巖的卸荷應(yīng)力狀態(tài),設(shè)計了恒軸壓卸圍壓以及加軸壓卸圍壓兩種應(yīng)力路徑,以砂巖為研究對象,開展不同滲透壓力和不同卸荷路徑耦合作用下室內(nèi)巖石卸荷力學(xué)特性研究,并分析了不同卸荷路徑下的砂巖水-力耦合力學(xué)特性。

1 試驗方法

1.1 試驗巖樣與試驗儀器

試驗對象為紅砂巖,質(zhì)地由均勻的砂礫組成,顏色為暗紅色。經(jīng)過對該紅砂巖進(jìn)行測量,其平均含水率為3%,密度為2.41g/cm3。根據(jù)SL 264—264《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》和GBT50266—2013《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,最終將巖塊加工為直徑為50mm、高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣,如圖1所示。試驗采用的儀器為中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所開發(fā)的巖石多場耦合三軸儀,如圖2所示。

圖1 試驗巖樣

圖2 三軸試驗儀

1.2 試驗方案

恒軸壓卸圍壓以及加軸壓卸圍壓兩種不同卸荷路徑如圖3所示,具體試驗方案如下:①常規(guī)三軸試驗。卸荷點為常規(guī)三軸試驗破壞時強(qiáng)度的75%。為提供對比,引入一組常規(guī)三軸試驗數(shù)據(jù),試驗數(shù)據(jù)采用同種巖樣進(jìn)行常規(guī)三軸試驗得到,見表1(表中σ3為初始圍壓,pw為滲透壓力)。②恒軸壓卸圍壓路徑試驗。將軸壓升至該圍壓條件下巖石常規(guī)三軸試驗破壞時強(qiáng)度的75%,保持軸壓不變,開始卸載圍壓,至試樣發(fā)生破壞為止,試驗初始預(yù)設(shè)壓力值見表2(表中σ1為軸壓)。③加軸壓卸圍壓路徑試驗。將軸壓加載至相同圍壓條件下巖石極限強(qiáng)度的75%,然后在增加軸壓的同時卸載圍壓,在卸載圍壓過程中需保持平均應(yīng)力基本不變,直到試樣發(fā)生破壞為止。試驗初始預(yù)設(shè)壓力值見表3。

表1 常規(guī)三軸試驗數(shù)據(jù)

表2 恒軸壓卸圍壓路徑預(yù)設(shè)壓力值

表3 加軸壓卸圍壓路徑預(yù)設(shè)壓力值

圖3 應(yīng)力路徑

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同應(yīng)力路徑變形特征分析

表4 卸荷試驗結(jié)果

圖4 2種路徑下的偏壓-應(yīng)變關(guān)系

2.2 滲透壓力影響分析

2.2.1 恒軸壓卸圍壓路徑

圖5為恒軸壓卸圍壓路徑試驗在相同初始圍壓不同滲透壓力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比,圖6為不同滲透壓力卸荷段的圍壓-應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖5 恒軸壓卸圍壓路徑不同滲透壓力應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)A段關(guān)系曲線

圖6 恒軸壓卸圍壓路徑不同滲透壓力卸荷階段圍壓-應(yīng)變曲線

從圖5可以看出,當(dāng)初始圍壓相同、滲透壓力不同時,在卸荷階段,隨著圍壓的逐漸降低,巖石的軸向應(yīng)變在初期降低速率較小,在巖石接近破壞圍壓時,軸向應(yīng)變降低速率增大。從圖6可以看出,滲透壓力越大破壞時的圍壓越大;同時滲透壓力越小,在卸荷初期巖石的軸向應(yīng)變增長速率越小。這主要是在相同條件下,隨著滲透壓力的減小,巖石的有效圍壓增大,此時對巖石的變形有著較好的約束作用,所以軸向應(yīng)變增長速率較小;軸向應(yīng)變相同時,滲透壓力越大,圍壓減小值越小。以初始圍壓為10MPa為例,當(dāng)軸向應(yīng)變?yōu)?0-3時,滲透壓力為0所對應(yīng)的圍壓減小量為2.03MPa,滲透壓力為3MPa所對應(yīng)的圍壓減小量為1.42MPa,滲透壓力為5MPa所對應(yīng)的圍壓減小量為0.66MPa,這主要是由于滲透壓力越大,降低單位圍壓后的有效圍壓越小,則產(chǎn)生相同軸向應(yīng)變條件下所需要降低的圍壓越小。當(dāng)圍壓減小至相同時,滲透壓力越大,巖石的軸向應(yīng)變越大。以圍壓為10MPa為例,當(dāng)圍壓降低1MPa時,滲透壓力為0所對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.27×10-3,滲透壓力為3MPa所對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.53×10-3,滲透壓力為5MPa所對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.91×10-3。可以看出,相同圍壓卸載量條件下,滲透壓力越大,產(chǎn)生的軸向應(yīng)變越大。這是由于卸載相同的圍壓后,滲透壓力越大,有效圍壓越小,則對巖石變形的約束作用就越小,則產(chǎn)生的軸向應(yīng)變就越大。在保持滲透壓力不變時,隨著初始圍壓的升高,巖石的峰值強(qiáng)度以及軸向峰值應(yīng)變也隨之增大,表明在卸荷條件下,圍壓對巖石的強(qiáng)度起著強(qiáng)化作用,當(dāng)初始圍壓不變時,隨著滲透壓力的增大,試樣的峰值強(qiáng)度逐漸降低,說明滲透壓力對巖石的強(qiáng)度起著劣化作用。

2.2.2 加軸壓卸圍壓路徑

圖7為加軸壓卸圍壓路徑下相同初始圍壓不同滲透壓力的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)A段關(guān)系曲線,圖8為卸荷階段不同滲透壓力對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖7 加軸壓卸圍壓路徑不同滲透壓力應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)A段關(guān)系曲線

圖8 加軸壓卸圍壓路徑不同滲透壓力卸荷階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖7可知,加軸壓卸圍壓路徑與恒軸壓卸圍壓路徑滲透壓力作用相同:滲透壓力對巖石的強(qiáng)度有劣化作用;由圖8可知,在相同初始圍壓條件下,滲透壓力越大,巖石的峰值強(qiáng)度越小,巖石的壓密段特征越明顯。這主要是因為隨著滲透壓力的增大,巖石的有效圍壓逐漸降低,而有效圍壓能夠抑制巖石損傷的發(fā)展。巖石的壓密程度反映了巖石變形模量的變化規(guī)律,在壓密段曲線的斜率即巖石的變形模量逐漸增大,表明在壓密段巖石的損傷逐漸降低,而有效圍壓越大巖石的損傷降低速率越快,從而導(dǎo)致壓密段變得越小,即巖石的壓密特征越不明顯。根據(jù)對恒軸壓卸圍壓路徑應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析,相同圍壓卸載量條件下,滲透壓力越大則產(chǎn)生的軸向應(yīng)變越大,在加軸壓卸圍壓路徑過程中,由于軸壓的增大,滲透壓力對巖石的劣化作用更為明顯。對圖8中曲線切線斜率進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn),在卸荷段,巖石在卸荷前期應(yīng)變的增長速率較慢,隨著圍壓的逐漸降低,軸壓逐漸增大,巖石的軸向應(yīng)變增長速率開始增大。

2.3 考慮滲透壓力的強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合分析

直線型Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論模型能線性反映巖石強(qiáng)度與圍壓之間的關(guān)系?？紤]圍壓對巖石強(qiáng)度的影響,采用其作為擬合方法:

τ=c+σtanφ

(1)

式中:σ為巖石破壞面上的主應(yīng)力;τ為破壞面上的剪應(yīng)力;c為巖石的黏聚力;φ為巖石的內(nèi)摩擦角。式(1)可以用主應(yīng)力的方式進(jìn)行表述,即:

(2)

式中σ1、σ3分別為試樣中的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力。式(2)可化簡為

σ1=aσ3+b

(3)

式中:a為強(qiáng)度擬合曲線的斜率;b為強(qiáng)度擬合曲線的截距。

已有研究表明:巖石在不同應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度特性具有一定的差異性[14-17]。為探究巖石的強(qiáng)度特性,對兩種不同應(yīng)力路徑的試驗結(jié)果分別進(jìn)行擬合。根據(jù)擬合結(jié)果預(yù)測卸荷條件下達(dá)到破壞圍壓時的常規(guī)三軸試驗壓縮強(qiáng)度值,然后將該理論值與卸荷試驗值對比,以分析卸荷路徑對巖石強(qiáng)度的影響。

圖9為常規(guī)三軸試驗的擬合結(jié)果。由圖9可得,Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論模型的參數(shù)擬合結(jié)果為c=12.23MPa,φ=47.58°。

圖9 常規(guī)三軸試驗擬合結(jié)果

2.3.1 恒軸壓卸圍壓路徑

對恒軸壓卸圍壓路徑試驗結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度理論擬合,如圖10所示,Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論模型的參數(shù)擬合結(jié)果為c=9.61MPa,φ=52.28°。

圖10 恒軸壓卸圍壓路徑

恒軸壓卸圍壓路徑條件下巖石的強(qiáng)度值普遍低于常規(guī)三軸壓縮條件下的巖石強(qiáng)度值,這是由于在恒軸壓卸圍壓路徑過程中巖石內(nèi)部的微裂隙發(fā)育更加迅速,卸圍壓過程相當(dāng)于對巖石作用側(cè)向的拉應(yīng)力。該過程不僅會降低巖石的圍壓值,降低對巖石變形的約束作用,加劇巖石裂縫的發(fā)展,同時也會由于巖石較弱的抗拉裂能力,使得巖石產(chǎn)生一定程度的微小張拉裂隙,最終使得巖石強(qiáng)度降低。當(dāng)滲透壓力較低時,巖石的卸荷強(qiáng)度相比常規(guī)三軸試驗強(qiáng)度值降低幅度較少,當(dāng)圍壓較高時,巖石的卸荷強(qiáng)度降低幅度較小。如當(dāng)滲透壓力為0時,圍壓為3.09MPa,巖石卸荷強(qiáng)度降低幅度為2.46%;圍壓為7.37MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為4.42%;圍壓為12.15MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為1.18%,平均降低幅度為2.69%。當(dāng)滲透壓力為3MPa,圍壓為8.71MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為18.69%;圍壓為13.38MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為6.84%,平均降低幅度為12.77%。當(dāng)滲透壓力為5MPa,圍壓為9.02MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為20.98%;圍壓為14.42MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為8.43%,平均降低幅度為14.71%。通過以上數(shù)據(jù)做出不同滲透壓力下巖石常規(guī)三軸預(yù)測結(jié)果與試驗值對比圖(圖11)。根據(jù)有效應(yīng)力原理,在圍壓一定的情況下,滲透壓力的增加會導(dǎo)致有效圍壓減小,圍壓對巖石內(nèi)部微裂隙的抑制作用減弱,孔隙裂紋更易發(fā)育延伸,進(jìn)而導(dǎo)致巖石的破壞,所以滲透壓力對巖石強(qiáng)度具有劣化作用。

圖11 恒軸壓卸圍壓路徑常規(guī)三軸試驗與卸荷強(qiáng)度線對比

另外,對比巖石常規(guī)三軸試驗的擬合結(jié)果可以看出,巖石的黏聚力在常規(guī)三軸試驗條件下為12.23MPa,在卸荷條件下變?yōu)?.61MPa,黏聚力降低了21.42%;巖石的內(nèi)摩擦角在常規(guī)三軸試驗條件下為47.58°,在卸荷條件下變?yōu)?2.28°,內(nèi)摩擦角提高了9.88%。這主要是由于在卸荷條件下巖石的側(cè)向張裂變形更加明顯,導(dǎo)致巖石內(nèi)部的節(jié)理發(fā)育更加發(fā)達(dá),從而使得巖石整體變得松散,即巖石的黏聚力變小,同時變形過程中的裂縫較常規(guī)三軸試驗中產(chǎn)生裂縫粗糙程度更大,因而導(dǎo)致巖石的內(nèi)摩擦角增大。

2.3.2 加軸壓卸圍壓路徑

同樣對加軸壓卸圍壓路徑干燥條件下的巖石試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖12所示。

圖12 加軸壓卸圍壓路徑

由圖12可得,直線型Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論模型的參數(shù)擬合結(jié)果為c=12.42MPa,φ=45.38°

加軸壓卸圍壓路徑常規(guī)三軸試驗與卸荷強(qiáng)度線對比見圖13。由圖13可知,在加軸壓卸載圍壓條件下,巖石的強(qiáng)度較常規(guī)三軸試驗強(qiáng)度而言也會有相應(yīng)的降低,相較常規(guī)三軸試驗,試樣在卸圍壓過程中,圍壓不斷降低,對巖石的保護(hù)程度也隨之減小,而軸壓在增大,巖石的承載能力也逐漸變小,從而使得巖石的強(qiáng)度降低。巖石在加軸壓的同時卸圍壓,即相當(dāng)于在側(cè)向?qū)r石施加拉應(yīng)力。根據(jù)直線型Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論模型的特點易知,巖石的極限強(qiáng)度與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系,所以當(dāng)圍壓降低時巖石的強(qiáng)度也隨之降低。

圖13 加軸壓卸圍壓路徑常規(guī)三軸試驗與卸荷強(qiáng)度線對比

當(dāng)滲透壓力較低時,巖石的卸荷強(qiáng)度相比常規(guī)三軸試驗強(qiáng)度值降低幅度較小;當(dāng)圍壓較高時,巖石卸荷強(qiáng)度的降低幅度較大。如當(dāng)滲透壓力為0,在圍壓為3.31MPa時,巖石卸荷強(qiáng)度降低幅度為7.74%;圍壓為7.92MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為4.39%;圍壓為15.26MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為8.70%,平均降低幅度為6.94%。當(dāng)滲透壓力為3MPa,圍壓為8.52MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為15.01%;圍壓為15.01MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為5.55%,平均降低幅度為10.28%。當(dāng)滲透壓力為5MPa,圍壓為9.03MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為18.80%,圍壓為15.72MPa時,卸荷強(qiáng)度降低幅度為6.40%,平均降低幅度為12.60%。

就巖石的物理性質(zhì)而言,加軸壓卸圍壓路徑條件下巖石的內(nèi)摩擦角為45.38°,黏聚力為12.42MPa,其中內(nèi)摩擦角相比常規(guī)三軸試驗條件下的47.58°降低了4.62%,黏聚力相比常規(guī)三軸試驗條件下的12.23MPa提高了1.55%,這是由于相較于恒軸壓卸圍壓路徑條件而言,在卸圍壓的同時增加軸壓,使得巖石沿著破壞面迅速滑移,此時作用在節(jié)理面上巖塊之間的力為滑動摩擦力,低于相對靜止?fàn)顟B(tài)時節(jié)理面兩側(cè)巖塊之間的靜摩擦力,所以表現(xiàn)為內(nèi)摩擦力降低的現(xiàn)象,而對于黏聚力而言,由于在卸荷過程中軸壓逐漸增加,使得巖石會沿著一個主要的破壞面產(chǎn)生滑移,而不會持續(xù)作用在主裂縫兩側(cè)的巖塊上,從而使得主裂縫兩側(cè)的巖塊完整性得以保持,即降低了主裂縫附近巖塊的松散性,使得巖石的黏聚力相對于常規(guī)三軸試驗條件得以提高。

3 結(jié) 論

a.加軸壓卸圍壓和恒軸壓卸圍壓兩種卸荷路徑下的巖石強(qiáng)度較同條件下常規(guī)三軸試驗中巖石強(qiáng)度具有較大的降低幅度,其中加軸壓卸圍壓路徑條件下的巖石強(qiáng)度降低幅度最大,其次為恒軸壓卸圍壓路徑,這是由于與恒軸壓卸圍壓路徑相比,加軸壓卸圍壓路徑過程中不僅巖石抵抗變形能力逐漸降低,而且同時軸向荷載使得巖石內(nèi)部的能量在不斷地增加,從而造成強(qiáng)度降低幅度更大。

b.在卸荷條件下,滲透壓力對巖石強(qiáng)度有著劣化作用,且隨著滲透壓力的增大,試樣的峰值強(qiáng)度逐漸降低,相同初始圍壓滲透壓力越大,其平均降低幅度越大。

c.恒軸壓卸荷路徑,相同圍壓卸載量條件下,滲透壓力越大則產(chǎn)生的軸向應(yīng)變越大。加軸壓卸荷路徑,在相同初始圍壓條件下,滲透壓力越大,巖石的峰值強(qiáng)度越小,巖石的壓密段特征越明顯。

d.巖石的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角在不同的應(yīng)力路徑下具有不同的變化規(guī)律,以常規(guī)三軸試驗中的黏聚力和內(nèi)摩擦角值作為基本值,根據(jù)恒軸壓卸圍壓路徑試驗數(shù)據(jù)可知,黏聚力逐漸降低,內(nèi)摩擦角逐漸增大,而加軸壓卸圍壓路徑過程中的黏聚力逐漸增大,內(nèi)摩擦角逐漸降低。