復(fù)雜應(yīng)力路徑下三峽庫(kù)區(qū)砂巖力學(xué)特性分析

王興霞（三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002）

復(fù)雜應(yīng)力路徑下三峽庫(kù)區(qū)砂巖力學(xué)特性分析

王興霞
（三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002）

針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)中砂巖進(jìn)行了三軸加載試驗(yàn) ，及不同應(yīng)力路徑的三軸卸荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:與加載破壞相比 ，卸荷破壞巖樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。卸荷作用引起了巖樣變形模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力等力學(xué)參數(shù)的劣化，從而導(dǎo)致巖樣質(zhì)量的降低。卸荷路徑不同時(shí)卸荷階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)有很大區(qū)別。按照軸壓、圍壓等速率減小的路徑卸載，卸荷階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈下凹形態(tài)且出現(xiàn)回彈變形，回彈變形占卸荷段總變形的比例隨初始圍壓值的增大而減小。

卸荷；回彈變形；卸荷變形模量；卸荷抗剪強(qiáng)度參數(shù)

水利水電工程建設(shè)與巖體開(kāi)挖緊密相連，開(kāi)挖面附近巖體往往處于卸荷力學(xué)狀態(tài)［1-2］，且卸荷條件下巖體的力學(xué)性質(zhì)與加載狀態(tài)下不同。以三峽永久船閘邊坡為例，距離開(kāi)挖面約20 m范圍內(nèi)的巖體受到開(kāi)挖卸荷作用的影響，該區(qū)域巖體性狀有不同程度的弱化［3］。卸荷作用對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響越來(lái)越受到人們的重視。文獻(xiàn)［4-8］基于室內(nèi)三軸加、卸荷試驗(yàn)研究了卸荷條件下巖樣的力學(xué)特性，但是，卸荷試驗(yàn)方案都采用的是升軸壓、卸圍壓試驗(yàn)或恒軸壓、卸圍壓試驗(yàn)，而鮮有采用同時(shí)降低軸壓與圍壓這種卸荷路徑的。文獻(xiàn)［9-12］均認(rèn)為卸荷作用將引起巖樣變形模量的劣化，并對(duì)卸荷過(guò)程中巖樣變形模量的劣化規(guī)律進(jìn)行了定性分析。但是，針對(duì)“卸荷過(guò)程中巖樣的變形模量如何劣化”這一問(wèn)題的試驗(yàn)研究結(jié)論并不一致。文獻(xiàn)［13-14］定量分析了卸荷作用對(duì)巖樣變形模量的劣化影響，也認(rèn)為卸荷作用造成了巖體變形模量的降低 ，但是在降低量的具體數(shù)值上存在較大區(qū)別。綜上所述，盡管卸荷巖體力學(xué)性質(zhì)方面的研究成果越來(lái)越多，但是，由于巖體的不可見(jiàn)性及卸荷問(wèn)題的復(fù)雜性，尚有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

三峽庫(kù)區(qū)很多邊坡的基巖為砂巖［15］，本文應(yīng)用RM-150C型巖石力學(xué)剛性伺服試驗(yàn)機(jī)［16］，針對(duì)該地區(qū)砂巖開(kāi)展室內(nèi)三軸試驗(yàn)，在三軸加載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展升軸壓、卸圍壓、同時(shí)等量減小軸壓和圍壓兩種卸荷試驗(yàn)，分析比較不同應(yīng)力路徑下砂巖變形特征、巖體變形參數(shù)劣化規(guī)律等力學(xué)性質(zhì)。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用巖塊取自三峽庫(kù)區(qū)，由國(guó)土資源部武漢資源環(huán)境監(jiān)督檢測(cè)中心鑒定后確定該砂巖準(zhǔn)確名稱為葉臘石化含巖屑中粒石英砂巖。按照試驗(yàn)規(guī)范制成直徑50 mm，高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)方案包括:方案1常規(guī)加載試驗(yàn)可得巖樣加載破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及基本力學(xué)參數(shù)，為卸荷試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。方案2卸荷試驗(yàn)包括兩種卸荷方式:a方案最大主應(yīng)力增大，最小主應(yīng)力卸荷；b方案最大和最小主應(yīng)力同時(shí)等速率卸荷，即保持主應(yīng)力差不變。

試驗(yàn)中軸壓、圍壓分別對(duì)應(yīng)最大、最小主應(yīng)力。加卸荷試驗(yàn)的初始圍壓值為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa，卸荷試驗(yàn)過(guò)程中軸壓與圍壓的關(guān)系示意圖如圖1所示。OA段表示等速率同步施加軸壓、圍壓至前述預(yù)定值；AB段表示保持圍壓不變，繼續(xù)施加軸壓至某一應(yīng)力水平，此時(shí)軸壓為加載破壞抗壓強(qiáng)度的70%左右；將OA段與AB段合稱為加載階段。BC段為卸荷階段 ，卸荷方式包括前述兩種方式，其中a方案由于采用位移控制方式，因此最大、最小主應(yīng)力之間為非線性關(guān)系 ，且該階段最大主應(yīng)力出現(xiàn)峰值；b方案采用應(yīng)力控制方式，因此最大、最小主應(yīng)力之間為線性關(guān)系；CD階段測(cè)試巖樣的殘余強(qiáng)度。

圖1 卸荷試驗(yàn)主應(yīng)力關(guān)系示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 巖樣加卸荷試驗(yàn)變形特征分析

圖2～圖4為中砂巖巖樣三軸加、卸荷試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，卸荷試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線用小圓點(diǎn)標(biāo)出了BC段的起始位置。

圖2 三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 a方案卸荷試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 b方案卸荷試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

比較圖2、圖3可知，當(dāng)卸荷路徑不同時(shí)，巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線在卸荷階段的形態(tài)有很大的不同。按照a方案卸荷時(shí)，卸荷階段曲線呈上凸形態(tài)，而按照b方案卸荷時(shí)，曲線則呈下凹形態(tài)，且有回彈變形產(chǎn)生，將該階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線放大如圖5～圖8所示，計(jì)算回彈變形占該階段總變形的比例 ，當(dāng)初始圍壓分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa時(shí)，比例分別為:63.37%、6.51%、2.55%、0.69%，可見(jiàn)隨著初始圍壓值的增大 ，回彈變形占卸荷段總變形量的比例迅速降低；當(dāng)初始圍壓值較大時(shí)，該比例很小，回彈變形可忽略。

表1統(tǒng)計(jì)了加、卸荷試驗(yàn)得到的部分應(yīng)力、應(yīng)變值。表中σ03指初始圍壓值；σp1指軸壓的峰值；σr1指巖樣的殘余強(qiáng)度；εr1指巖樣的殘余應(yīng)變。

圖5 b方案卸荷段應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 b方案卸荷段應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 b方案卸荷段應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 b方案卸荷段應(yīng)力-應(yīng)變曲線

比較表1中的數(shù)據(jù)可知 ，與加載破壞相比，卸荷破壞時(shí)巖樣的殘余強(qiáng)度值較低，殘余應(yīng)變值較小，說(shuō)明卸荷破壞條件下巖樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性，且按照b方案進(jìn)行卸荷較a方案巖樣的脆性更強(qiáng)。

表1 加卸荷試驗(yàn)部分應(yīng)力、應(yīng)變值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 加卸荷破壞巖樣力學(xué)參數(shù)分析

表2統(tǒng)計(jì)了巖樣加卸荷破壞條件下的力學(xué)參數(shù)，包括變形模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力。表中 E表示巖樣加載破壞的變形模量；Er，φr，cr分別表示巖樣發(fā)生卸荷破壞后的變形模量、殘余內(nèi)摩擦角、殘余黏聚力。

表2加卸荷試驗(yàn)巖樣力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

當(dāng)巖樣發(fā)生卸荷破壞時(shí)，巖樣變形模量急劇降低，由表2可知，按照b方案路徑卸荷，巖樣卸荷破壞的變形模量為三軸壓縮破壞變形模量的14%～24%；按照a方案路徑卸荷，該比例為16%～27%，說(shuō)明卸荷破壞導(dǎo)致巖樣變形模量劣化，降低了巖樣質(zhì)量，同時(shí)降低軸壓和圍壓的情況下巖樣變形模量劣化更嚴(yán)重。

卸荷作用也使巖樣的內(nèi)摩擦角、黏聚力發(fā)生了劣化。按照b方案路徑卸荷，與加載破壞相比，當(dāng)初始圍壓值分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa時(shí)，巖樣殘余內(nèi)摩擦角分別增大了8.42%、13.49%、16.65%、20.63%，而巖樣殘余黏聚力分別減小了24.59%、46.56%、34.97%、24.15%，比較這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)卸荷作用對(duì)黏聚力的影響比對(duì)內(nèi)摩擦角的影響大，或者說(shuō)，巖樣黏聚力對(duì)卸荷作用更敏感。按照a方案路徑卸荷，分析數(shù)據(jù)可以得到相似的結(jié)論。卸荷作用對(duì)巖樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的劣化規(guī)律與文獻(xiàn)［17］中卸荷試驗(yàn)得到的規(guī)律一致 ，但是，巖樣卸荷抗剪強(qiáng)度參數(shù)增大或減小的具體數(shù)值不同。

3 結(jié) 論

（1）與加載破壞相比，卸荷破壞巖樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。

（2）卸荷作用引起了巖樣力學(xué)參數(shù)的變化，巖樣發(fā)生卸荷破壞后變形模量為加載破壞變形模量的14%～27%，巖樣殘余內(nèi)摩擦角較加載破壞有不同程度的增大，而殘余黏聚力有不同程度的減小。巖樣力學(xué)參數(shù)的劣化反映了巖樣質(zhì)量的降低，因此在實(shí)際工程中應(yīng)注意對(duì)卸荷巖體的保護(hù)。

（3）當(dāng)采用同時(shí)等量降低軸壓和圍壓的方式卸荷時(shí)，卸荷階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生回彈變形，由于回彈變形占卸荷段總變形量的比例隨初始圍壓值的增大而急劇減小，因此當(dāng)初始圍壓值較大時(shí) ，可忽略回彈變形。

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Analysis of Mechanical Properties of Sandstone in Three Gorges Reservoir Area Under Complex Stress Paths

WANG Xing-xia

（College of Hydraulic&Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002，China）

Triaxial compression tests and unloading confining tests were conducted with the medium sandstone of Three Gorges Reservoir as test rock samples.The results indicate that the sandstone sample undergone unloading failure is more brittle than that from the loading failure.Unloading failure leads to the deterioration of rock sample mechanical parameters，namely deformation modulus，internal friction angle，and cohesion，which means lower quality of the rock sample. Shapes of unloading stress-strain curves are very different due to different unloading paths.When the maximum and minimum stresses decrease simultaneously，curves of unloading stage concave downward，and springback deformations occur. In addition，springback deformations decrease with the increase of initial confining pressure.

unloading；springback deformation；unloading deformation modulus；unloading parameters of shear strength

TV541

A

1672—1144（2015）02—0099—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.021

2015-01-06

2015-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51279091）；宜昌市自然基礎(chǔ)科學(xué)研究與應(yīng)用專項(xiàng)項(xiàng)目（A14-302-a01）；三峽大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目（KJ2012B027）

王興霞（1980—），女，湖北十堰人，博士 ，講師 ，主要從事工程力學(xué)及邊坡穩(wěn)定性分析方面的科研與教學(xué)工作。

E-mail:wangxingxia1980@126.com