分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓下粉砂巖的力學(xué)特征

中圖分類號(hào)： TU452 最近更新：2024-11-22 DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.091

摘要

針對(duì)不同的實(shí)際工程，開展不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)來研究巖體的力學(xué)特性是解決實(shí)際問題的關(guān)鍵。為研究粉砂巖在圍壓循環(huán)卸-加載特殊應(yīng)力路徑下的力學(xué)特征，采用MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)開展不同軸力水平下分級(jí)循環(huán)卸-加載圍壓試驗(yàn)，研究不同軸力水平下軸、環(huán)向塑性應(yīng)變及彈性模量的演化特征，并結(jié)合耗散能量的計(jì)算，分析能量演化與試件變形破壞之間的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)向應(yīng)變?cè)龃蠓较蛞苿?dòng)，卸-加圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸閉合，滯回環(huán)間距整體表現(xiàn)為由“疏”到“密”的變化特征；單一變量時(shí)，圍壓卸載等級(jí)越低彈性模量越低，軸力水平越低彈性模量越高，彈性模量受軸力水平和圍壓卸載等級(jí)兩種參量共同作用；單次循環(huán)中環(huán)向塑性應(yīng)變?cè)跀?shù)值上總是大于對(duì)應(yīng)的軸向塑性應(yīng)變，循環(huán)卸-加圍壓特殊應(yīng)力路徑下，高軸力水平下巖石抵抗塑性變形的能力要強(qiáng)于低軸力水平；巖石破壞最終所耗散的總能量與軸力水平一定程度上呈線性正相關(guān)。

關(guān)鍵詞

粉砂巖; 循環(huán)卸-加圍壓; 塑性應(yīng)變; 耗散能量; 巖石力學(xué); 應(yīng)力路徑

弱膠結(jié)巖石主要分布在中國(guó)西部的侏羅系和白堊系地層，具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、易崩解等特點(diǎn)[1]。對(duì)西部礦區(qū)弱膠結(jié)巖層力學(xué)性能認(rèn)識(shí)不清是開采過程中災(zāi)害性事故頻發(fā)的根本原因[2]。地下礦產(chǎn)的開采是一個(gè)復(fù)雜的過程，圍巖體會(huì)受到多種形式的應(yīng)力[3-5]。為更準(zhǔn)確地反映采礦過程中的應(yīng)力演化規(guī)律，必須考慮采礦是一個(gè)挖掘和支護(hù)循環(huán)交替進(jìn)行的過程，周圍巖石不可避免地會(huì)經(jīng)歷周期性的圍壓卸載再加載的過程[6-8]。因此，研究圍壓循環(huán)卸-加載條件下巖石的變形及破壞特征對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)擾動(dòng)對(duì)巖層的變形、破壞以及動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理具有重要的指導(dǎo)作用[9]。針對(duì)不同的實(shí)際工程，開展不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)來研究巖體的力學(xué)特性是解決實(shí)際問題的關(guān)鍵[10-11]。

在分析不同應(yīng)力路徑下巖石的力學(xué)特性方面，眾多學(xué)者開展了大量工作。王軍祥等[12]研究了分級(jí)循環(huán)荷載下裂隙巖石的疲勞破壞特性與能量演化機(jī)制。黃達(dá)等[13]基于不同卸荷應(yīng)力路徑和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了加-卸載條件下花崗巖的變形破壞及應(yīng)力脆性跌落特征。Li等[14]為研究不同加-卸載路徑下飽和灰?guī)r細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化特征，開展了不同加載速率和初始峰值應(yīng)力的加卸-載試驗(yàn)。劉婕等[15]通過開展真三軸加-卸載破壞試驗(yàn)探究不同應(yīng)力路徑花崗巖變形破壞機(jī)制，得到卸載路徑下花崗巖破壞時(shí)各能量變化幅度比加載路徑更大的結(jié)論。袁曦等[16]通過開展恒定軸壓卸圍壓、增大軸壓卸圍壓、軸壓圍壓同時(shí)卸載等3種不同加卸-載條件下的分階段卸圍壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各分階段卸載條件下煤樣的變形都具有明顯的階梯狀特性。張?jiān)讫埖萚17]通過開展不同應(yīng)力路徑下卸圍壓流變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的不斷卸載，巖體變形逐漸由彈性向塑性轉(zhuǎn)變并最終破裂。朱澤奇等[18]研究了花崗巖卸圍壓破壞過程的能量耗散規(guī)律，得出了能量耗散隨施加圍壓的增大而增大的結(jié)論。Li等[19]在各種加-卸載應(yīng)力路徑下對(duì)細(xì)粒度到中等粒度的花崗巖試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，總應(yīng)變能、彈性應(yīng)變能和耗散應(yīng)變能的時(shí)間歷史曲線具有顯著的階段性特征。苗勝軍等[20]通過開展粉砂巖循環(huán)加-卸載轉(zhuǎn)單調(diào)加載試驗(yàn)和疲勞破壞試驗(yàn)，提出了循環(huán)荷載的“薄弱結(jié)構(gòu)斷裂效應(yīng)”和“壓密嵌固效應(yīng)”。彭瑞東等[21]通過巖石三軸循環(huán)加-卸載試驗(yàn)，分析了不同圍壓作用下煤巖的損傷演化行為。

上述試驗(yàn)研究大多集中在單調(diào)的卸載或循環(huán)加-卸載路徑下，關(guān)于卸-加圍壓應(yīng)力路徑下的巖石力學(xué)研究很少，尤其對(duì)循環(huán)圍壓條件下粉砂巖變形破壞的內(nèi)在機(jī)理缺乏必要的研究?；诖?，筆者以典型多孔弱膠結(jié)巖石粉砂巖為研究對(duì)象，進(jìn)行分級(jí)循環(huán)卸圍壓條件下三軸壓縮試驗(yàn)。為控制變量，采取圍壓卸載上限固定的方法，旨在探究不同卸載量及不同軸力水平循環(huán)卸-加圍壓條件下粉砂巖的變形、力學(xué)參數(shù)及能量演化特征，并探討其內(nèi)在關(guān)系，從而揭示循環(huán)圍壓路徑對(duì)巖石力學(xué)特性的影響，為后續(xù)研究提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用北京科技大學(xué)MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行加載，如圖1所示。粉砂巖試樣與苗勝軍等[20]研究中用的多孔弱膠結(jié)粉砂巖相同。樣品在烘箱中烘干24 h，然后用保鮮膜包好備用。試驗(yàn)前對(duì)巖石試件的尺寸、密度、孔隙率、含水率和波速進(jìn)行測(cè)量，試件如圖2所示，選取物理力學(xué)參數(shù)相似的3個(gè)巖石試件進(jìn)行試驗(yàn)，其基本參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

西部礦山普遍工作深度為地下300～500 m，為對(duì)應(yīng)西部礦山開采深度的圍壓狀況，將圍壓上限設(shè)置為16 MPa。為探究不同軸力水平下粉砂巖力學(xué)狀況并且獲得更多的循環(huán)，軸力水平設(shè)置為圍壓16 MPa粉砂巖三軸試驗(yàn)破壞時(shí)峰值應(yīng)力的73%、53%、33%，即編號(hào)為D-1、D-2、D-3的試件軸力水平分別為99.1、76.8、45.0 MPa。

按照靜水壓力條件（σ1?1=σ2?2=σ3?3=16 MPa）對(duì)巖石試件施加預(yù)定的軸向應(yīng)力和圍壓，然后將軸向應(yīng)力提高到目標(biāo)軸力。之后保持軸力不變，進(jìn)行以16 MPa為上限圍壓，圍壓卸載下限逐級(jí)降低的圍壓分級(jí)循環(huán)卸載再加載。每級(jí)圍壓卸載下限按4 MPa遞減（定義圍壓卸載下限越低，圍壓卸載等級(jí)越低），同一級(jí)別的循環(huán)次數(shù)為10次，直到巖石試件被破壞，循環(huán)停止。之后更換試件，依次完成不同軸力水平下圍壓卸-加載試驗(yàn)，具體控制步驟如表2所示，應(yīng)力路徑如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

各軸力水平下分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓試驗(yàn)軸向、環(huán)向應(yīng)變隨圍壓的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，在循環(huán)卸-加圍壓的早期，圍壓處于較高水平，隨著圍壓卸載等級(jí)的降低，巖石試件偏應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)偏應(yīng)力超過巖石的峰值強(qiáng)度時(shí)，試件發(fā)生破壞，此時(shí)軸向應(yīng)力急劇下降，軸向應(yīng)變急劇增加、環(huán)向應(yīng)變急劇下降。試件D-1在圍壓卸載等級(jí)降至4 MPa的第一個(gè)循環(huán)內(nèi)發(fā)生破壞，試件D-2在圍壓卸載等級(jí)降至0時(shí)的第一個(gè)循環(huán)內(nèi)發(fā)生破壞，試件D-3在圍壓卸載下限為0時(shí)這一等級(jí)經(jīng)歷多次循環(huán)后破壞。卸圍壓起始軸力水平越低，試件破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)越多。

在同一循環(huán)內(nèi)，圍壓卸載曲線和圍壓加載曲線通常不重合，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成多樣式的滯回環(huán)。恒定軸力循環(huán)卸-加圍壓條件下，以圍壓為縱坐標(biāo)的圍壓-應(yīng)變曲線形成的滯回環(huán)開口向上。由圖4可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，同一圍壓卸載等級(jí)滯回環(huán)向應(yīng)變?cè)龃蠓较蛞苿?dòng)，卸-加圍壓曲線逐漸閉合，整體表現(xiàn)為由“疏”到“密”的過程。隨著圍壓卸載等級(jí)的降低，3個(gè)巖石試件的滯回環(huán)均發(fā)生顯著變化，環(huán)的寬度和面積均增加。在起始圍壓卸載等級(jí)中，滯回環(huán)都具有相似的“窄尖葉”形狀。但隨著圍壓卸載等級(jí)的下降，所形成的滯回環(huán)曲線內(nèi)凹現(xiàn)象越來越明顯，滯回環(huán)漸變?yōu)椤跋憬丁毙螤?，此現(xiàn)象與Yang等[7]開展的分級(jí)循環(huán)卸-加載圍壓試驗(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化情況一致。且卸載曲線非線性特征越強(qiáng)，說明圍壓卸-加載翻轉(zhuǎn)時(shí)巖石試件應(yīng)變滯后應(yīng)力的現(xiàn)象越不顯著。

2.2 破壞模式

編號(hào)為D-1、D-2、D-3的3個(gè)巖石試件破壞時(shí)偏應(yīng)力分別為92.00、73.51、57.90 MPa，均發(fā)生脆性破壞，如圖5所示（試件反面為試件正面沿軸向旋轉(zhuǎn)180°）。三者的宏觀破裂面均伴隨有明顯的摩擦痕跡，破裂面內(nèi)巖石被壓碎成粉末及顆粒狀，主破裂面兩側(cè)局部伴隨有剪切破裂面。

從試驗(yàn)粉砂巖試樣的破壞模式來看，相比于常規(guī)卸-圍壓試驗(yàn)和常規(guī)三軸試驗(yàn)破裂面單一及內(nèi)部損傷較為集中的特征，其破壞形態(tài)更為復(fù)雜，經(jīng)過循環(huán)卸-加載破壞后的巖石試件產(chǎn)生的細(xì)裂紋與散落的碎屑更多，且邊緣拉裂紋更為發(fā)育。這是由于相對(duì)于單調(diào)的卸圍壓或加載，多次的圍壓加卸載作用會(huì)使得試件的局部受拉區(qū)域增多，從而造成更多次生裂隙及軟弱顆粒斷裂。

2.3 彈性模量變化特征

彈性模量是反映巖體剛度大小的重要參數(shù)，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力的重要尺度[22]。彈性模量E?是偏應(yīng)力加-卸載時(shí)軸向應(yīng)力增量和軸向應(yīng)變?cè)隽康谋戎担礈丨h(huán)兩交點(diǎn)的斜率。

E=Δ（σ1?σ3）Δε1?=Δ（?1-?3）Δ?1"" （1）

式中：Δ（σ1?σ3）Δ（?1-?3）為滯回環(huán)兩端點(diǎn)之間的軸向應(yīng)力增量；Δε1Δ?1為滯回環(huán)兩端點(diǎn)之間的軸向應(yīng)變?cè)隽縖23]。

圖6為分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓試驗(yàn)中粉砂巖在不同軸力水平下彈性模量隨著循環(huán)次數(shù)的變化情況。隨著圍壓卸載等級(jí)的降低，各軸力水平下單次循環(huán)的彈性模量總體呈減小趨勢(shì)。但首次圍壓卸-加載循環(huán)存在著較大的彈性模量，軸力水平為99.1、76.8、45.0 MPa的分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓試驗(yàn)首次循環(huán)的彈性模量分別為13.0、18.0、25.3 GPa。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，彈性模量曲線逐漸趨于平緩，在臨近破壞的前一個(gè)圍壓卸載等級(jí)，彈性模量幾乎成一條直線。由于巖石內(nèi)部存在孔隙，首次循環(huán)中軸向應(yīng)變遠(yuǎn)大于其他循環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軸向抗變形能力相對(duì)較穩(wěn)定，因此，彈性模量變化不大。變量唯一時(shí)，圍壓卸載等級(jí)越低，單次循環(huán)的彈性模量越低，軸力水平越低，單次循環(huán)的彈性模量越高。由此發(fā)現(xiàn)彈性模量受軸力水平和圍壓卸載等級(jí)兩種參量共同作用。

2.4 塑性應(yīng)變演化特征

物體在外力作用下會(huì)發(fā)生變形，當(dāng)外力撤走后，物體逐步恢復(fù)變形，表現(xiàn)出彈性特征。然而，由于巖土類材料內(nèi)部包含孔隙和斷裂等各類缺陷，受載后去除外力變形不能完全恢復(fù)，會(huì)出現(xiàn)塑性變形。

巖石試件在循環(huán)卸-加載圍壓下的塑性應(yīng)變是指一次循環(huán)結(jié)束時(shí)的應(yīng)變與循環(huán)開始時(shí)的應(yīng)變之差，如圖7所示。

（a）" 偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

（b） "圍壓-環(huán)向應(yīng)變曲線

單次循環(huán)的環(huán)向塑性應(yīng)變可按式（2）計(jì)算[7]。

Δεtrr3（n）=εn3，h?εn3，qΔ?3（?）trr=?3，h?-?3，q? （2）

式中：Δεtrr3（n）Δ?3（?）trr和n分別為單次循環(huán)內(nèi)環(huán)向塑性應(yīng)變的增量和該周期的序號(hào)；εn3，h?3，h?為在第n個(gè)周期的最后一個(gè)采樣點(diǎn)記錄的環(huán)向應(yīng)變；εn3，q?3，q?為在第n個(gè)周期的第一個(gè)采樣點(diǎn)記錄的環(huán)向應(yīng)變。

因此，通過疊加，累積的環(huán)向塑性應(yīng)變計(jì)算為

εirr3=∑n=1NΔεirr3（n）?3irr=∑?=1?Δ?3（?）irr" （3）

式中：εirr3?3irr為環(huán)向塑性應(yīng)變的累加值；N為周期總數(shù)。軸向塑性應(yīng)變也按相同方式計(jì)算。

Δεirr1（n）=εn1，h?εn1，qΔ?1（?）irr=?1，h?-?1，q? （4）

εirr1=∑n=1NΔεirr3（n）?1irr=∑?=1?Δ?3（?）irr" （5）

式中：Δεirr1（n）Δ?1（?）irr和n分別為單次循環(huán)內(nèi)的軸向塑性應(yīng)變的增量和該周期的序號(hào)；εn1，h?1，h?為在第n個(gè)周期的最后一個(gè)采樣點(diǎn)記錄的軸向應(yīng)變；εn1，q?1，q?為在第n個(gè)周期的第一個(gè)采樣點(diǎn)記錄的軸向應(yīng)變；εirr1?1irr為軸向塑性應(yīng)變的累積值。對(duì)于破壞時(shí)的循環(huán)不進(jìn)行之后階段的分析，選取環(huán)向應(yīng)變變化速率突增點(diǎn)為止。累積環(huán)向、軸向塑性應(yīng)變與循環(huán)周期數(shù)的關(guān)系分別可以通過式（3）、式（5）確定，如圖8所示。

由圖8可見：整體而言，在分級(jí)循環(huán)卸-加載圍壓過程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軸向及環(huán)向塑性應(yīng)變持續(xù)增加，并且環(huán)向塑性應(yīng)變?cè)跀?shù)值上總是大于軸向塑性應(yīng)變。

對(duì)每個(gè)巖石試件而言，在前期圍壓卸載等級(jí)的循環(huán)過程中，塑性應(yīng)變僅表現(xiàn)出一個(gè)很小的增量或幾乎為零，說明此階段巖石試件仍處于黏彈性響應(yīng)階段。在破壞前的圍壓卸載等級(jí)中，塑性應(yīng)變明顯增加。隨著圍壓卸載等級(jí)的降低，塑性應(yīng)變的增量呈“穩(wěn)定”→“凸增”的變化特征。這主要是由于隨著圍壓的降低，偏應(yīng)力逐漸增大，對(duì)巖石試件軸向的壓縮作用增強(qiáng)。同時(shí)，應(yīng)力改變而導(dǎo)致的內(nèi)部細(xì)觀破壞逐漸發(fā)育累積也會(huì)使巖石試件逐漸損壞，降低其承載能力。在這兩種效應(yīng)的共同作用下，巖石試件最終產(chǎn)生了上述現(xiàn)象。

在同一圍壓卸載等級(jí)下，第一次循環(huán)產(chǎn)生的軸向和環(huán)向塑性應(yīng)變遠(yuǎn)大于之后同等級(jí)的循環(huán)，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軸向和徑向塑性應(yīng)變的增加幅度逐漸減小。上述現(xiàn)象與Yang等[7]研究的卸載量一定分級(jí)循環(huán)卸圍壓試驗(yàn)的現(xiàn)象相同，表明巖石試件在第一次循環(huán)中總是具有較大的塑性應(yīng)變能。而隨著圍壓的循環(huán)卸-加載，塑性應(yīng)變的變化趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象也與常規(guī)循環(huán)加-卸載路徑下的結(jié)果相似[24]，兩者均呈現(xiàn)這一現(xiàn)象可能是由于兩種加載路徑下巖石試件的偏應(yīng)力變化情況相同。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，巖石試件破壞時(shí)累積的環(huán)向和軸向塑性應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。3個(gè)巖石試件軸力水平依次下降，破壞時(shí)的圍壓卸載等級(jí)依次降低并且累積的軸向塑性應(yīng)變和環(huán)向塑性應(yīng)變也依次減少。由此發(fā)現(xiàn)：分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓路徑下，巖石試件達(dá)到破壞時(shí)所需循環(huán)次數(shù)越多，累積的軸向和環(huán)向塑性應(yīng)變?cè)叫?。此特殊?yīng)力路徑下，高軸力水平下巖石抵抗塑性變形的能力要強(qiáng)于低軸力水平。此外，該特殊應(yīng)力路徑下粉砂巖試驗(yàn)結(jié)果與朱澤奇等[18]研究的中部常見花崗巖試驗(yàn)結(jié)果相比，弱膠結(jié)粉砂巖破壞時(shí)的軸向及環(huán)向塑性變形特征均更為顯著。

2.5 耗散能量分析

巖石加載過程中，輸入的機(jī)械能會(huì)轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能和耗散能，其中彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存在巖石中，而耗散能在巖石破壞過程中不斷釋放[25]。

根據(jù)能量守恒定律，假設(shè)巖石受載變形過程與外界沒有熱交換，巖石與試驗(yàn)機(jī)為一個(gè)封閉系統(tǒng)。由熱力學(xué)第一定律，單位體積巖石試件內(nèi)外力功所產(chǎn)生的總輸入能量可表示為

W=∫σ1dε1+2∫σ3dε3?=∫?1d?1+2∫?3d?3"""""" （6）

式中：σ1?1、ε1?1分別為軸向應(yīng)力、應(yīng)變；σ3?3、ε3?3分別為環(huán)向應(yīng)力、應(yīng)變。

巖石常規(guī)三軸循環(huán)加-卸載試驗(yàn)加載過程中圍壓在軸向做正功，環(huán)向做負(fù)功，卸載過程中圍壓在軸向做負(fù)功，環(huán)向做正功。試驗(yàn)不同于常規(guī)的循環(huán)加卸載試驗(yàn)[26]，試驗(yàn)過程中圍壓相對(duì)較高且不是固定不變，故分析中不可忽略圍壓的做功。因?yàn)槟芰渴且粋€(gè)標(biāo)量，為了計(jì)算方便，假設(shè)總耗散能量由兩部分組成，即軸向耗散能量和環(huán)向耗散能量。但軸向耗散能量和環(huán)向耗散能量的物理意義只代表某一個(gè)值，只有把這兩個(gè)值疊加起來才能得到粉砂巖實(shí)際的耗散能量。在圍壓卸載和加壓的過程中，軸向耗散能量可以表示為式（7）。

Ud1=W3?Ee3=∫σ1dεunload1?∫σ1dεload1?d1=?3-?e3=∫?1d?1??????-∫?1d?1????" （7）

式中：εunload1?1unload和εload1?1load分別為卸載和加載階段的軸向應(yīng)變值。由于軸向應(yīng)力在試驗(yàn)中保持不變，有效的軸向應(yīng)力可以被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。同樣地，環(huán)向耗散的能量可以表示為式（8），單次循環(huán)的總耗散能表示為式（9）。

Ud3=W3?Ee3=∫σ3dεunload3?∫σ3dεload3?d3=?3-?e3=∫?3d?3??????-∫?3d?3????" （8）

Ud=Ud1+Ud3?d=?d1+?d3""""" （9）

計(jì)算并繪制每個(gè)圍壓卸載等級(jí)每次循環(huán)的耗散能量和總的累積耗散能量，如圖9、圖10所示。

綜合分析圖9、圖10可見：恒定軸力分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓實(shí)驗(yàn)中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，累積耗散能量不斷增加，說明巖石試件的破壞程度不斷加劇。軸力水平分別為99.1、76.8、45.0 MPa的巖石試件破壞時(shí)累積耗散能量依次為0.546、0.490、0.393 kJ。軸力水平越高，通過分級(jí)循環(huán)卸-加載圍壓使得巖石試件破壞所耗散能量越大，表明巖石最終破壞所耗散能量的量值與軸力水平一定程度上呈正相關(guān)。當(dāng)巖石試件進(jìn)入下一個(gè)圍壓卸載等級(jí)時(shí)，耗散能量會(huì)大幅增加，增加幅度隨著圍壓卸載等級(jí)的下降而逐級(jí)增大。并且軸力水平越高，進(jìn)入對(duì)應(yīng)下一個(gè)圍壓卸載等級(jí)時(shí)所耗散的能量越多。此外，與常規(guī)分級(jí)加卸載耗散能隨循環(huán)次數(shù)的變化相比，分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓路徑下破壞前一級(jí)會(huì)出現(xiàn)耗散能突增的先兆特征。各試件破壞前的圍壓卸載等級(jí)中，首次循環(huán)耗散的能量尤為明顯，依次占總耗散能量的38.1%、30.1%、22.1%，而在卸載量一定的分級(jí)循環(huán)卸圍壓試驗(yàn)中，能量耗散在試件破壞時(shí)的循環(huán)最明顯[7]。這是由于應(yīng)力狀態(tài)在試件變形過程中發(fā)生改變，系統(tǒng)不斷調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)以抵抗外力的擾動(dòng)，能量則不斷耗散，裂紋向局域集中的有序方向發(fā)展[27]。

在同一圍壓卸載等級(jí)下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，每次循環(huán)的耗散能量逐漸減少。在不同圍壓卸載等級(jí)下，隨著圍壓卸載等級(jí)的降低，每次循環(huán)的耗散能量越大。在不同軸力水平相同圍壓卸載等級(jí)下，軸力水平越高，每次循環(huán)的耗散能量越大。此特征與塑性應(yīng)變的變化特征一致。

3 結(jié)論

以典型膠結(jié)巖石粉砂巖為研究對(duì)象進(jìn)行分級(jí)循環(huán)卸圍壓條件下三軸壓縮試驗(yàn)，研究不同軸力水平下彈性模量、塑性應(yīng)變及耗散能的演化特征，得到以下結(jié)論：

1）循環(huán)卸-加圍壓條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)往應(yīng)變?cè)龃蟮姆较蛞苿?dòng)，卸-加圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸閉合，滯回環(huán)間距整體表現(xiàn)為由“疏”到“密”的變化特征。

2）在分級(jí)循環(huán)卸-加載圍壓過程中，單一變量下，圍壓卸載等級(jí)越低單次循環(huán)的彈性模量越低，軸力水平越低單次循環(huán)的彈性模量越高。彈性模量受軸力水平和圍壓卸載等級(jí)兩種參量共同作用。

3）在分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓過程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軸向及環(huán)向塑性應(yīng)變持續(xù)增加，并且環(huán)向塑性應(yīng)變?cè)跀?shù)值上均大于對(duì)應(yīng)的軸向塑性應(yīng)變。對(duì)比結(jié)果表明，弱膠結(jié)粉砂巖破壞時(shí)的塑性變形遠(yuǎn)大于一般結(jié)晶巖，因此，弱膠結(jié)巖層區(qū)域巷道開挖時(shí)需額外支護(hù)。

4）根據(jù)能量守恒定律，采取了適合于循環(huán)卸圍壓實(shí)驗(yàn)的耗散能量計(jì)算方式。在分級(jí)循環(huán)卸-加圍壓條件下，粉砂巖最終破壞的所耗散能量一定程度上與軸力水平呈正相關(guān)，因此地應(yīng)力測(cè)試環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，建議在西部礦山工程中依據(jù)原巖應(yīng)力去選取施工方式。

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