不同卸圍壓速率下三軸壓縮細?；◢弾r力學(xué)特性

任建喜， 云夢晨， 張 琨， 梁 鈺

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710054)

在地下硐室及隧道建設(shè)等巖土工程中，周圍巖體實質(zhì)上處于圍壓卸荷狀態(tài)，而卸荷狀態(tài)下巖體的力學(xué)特性與常規(guī)加載方式下的巖體相比，有著一定的差異，深入研究巖體卸荷力學(xué)特性對于了解圍巖體的破裂機制、準(zhǔn)確的判斷圍巖穩(wěn)定性，以及提出安全、經(jīng)濟的開挖及支護方案具有重要意義[1-3]。卸荷巖體的力學(xué)特性受到巖體的各向異性、流變特性、尺寸效應(yīng)等眾多因素的影響，除了上述方面的影響外，卸荷速率對于卸荷巖體的力學(xué)特性也有顯著的影響[4-7]，因此在埋深較大的地下硐室建設(shè)過程中需要通過降低開挖進度，減小開挖進尺，以控制圍巖的穩(wěn)定性。其本質(zhì)也是通過調(diào)整周圍巖體受卸荷速率的影響大小來控制巖體的變形發(fā)展[8]。由此可見卸荷速率對巖體卸荷特性的影響是巖體在卸荷開挖過程中的重點研究對象。

巖土工程在施工中，合理有效地控制工程進度往往可以減少施工中意外的發(fā)生，基于此，中外學(xué)者在卸荷速率對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響方面進行了廣泛關(guān)注研究，取得了豐碩的成果。Zhang等[9]研究不同卸荷速率下的大理巖的變形特性，得到了全過程變形及破壞的能量變化曲線。鄧華鋒等[10]進行了不同卸荷速率和不同孔隙壓力下的三軸卸荷試驗，得出結(jié)論：卸荷速率越大，卸荷階段的應(yīng)變圍壓柔量越小，承載力相對越高，且?guī)r石的破碎程度更加嚴重。張志婷等[11]對含裂隙花崗巖試樣進行三軸壓縮試驗，分析了裂隙巖石試樣三軸加載過程中臨空面的變化特征。沈君等[12]對脆性硬巖進行了室內(nèi)單、三軸壓縮試驗，分析了不同圍壓水平下輝綠巖的力學(xué)特性及變形特征。李夕兵等[13]利用顆粒流程序進行圍壓卸載數(shù)值模擬，研究得出不同卸荷速率下卸荷破壞時及破壞后巖樣的破裂特性。胡帥等[14]分析了卸荷速率對北山花崗巖力學(xué)性質(zhì)的影響。姚歡迎等[15]進行了室內(nèi)單軸壓縮聲發(fā)射試驗，分析了頁巖單周壓縮全過程建立基于聲發(fā)射特征的頁巖單軸壓縮蠕變本構(gòu)模型。馬德鵬等[16]對煤巖進行了不同卸壓速率的三軸卸圍壓試驗，得到了煤樣破壞過程中能量的演化規(guī)律。侯公羽等[17]基于自制研發(fā)的圍巖試件開挖卸荷模型試驗系統(tǒng),進行了水泥砂漿試樣在不同初始圍壓下不同卸荷速率試驗。但由于問題的復(fù)雜性，不同卸荷速率下巖石的三軸卸荷力學(xué)特性變化規(guī)律仍需進一步研究。

在前人工作的基礎(chǔ)上，現(xiàn)對細?；◢弾r進行不同卸荷速率的力學(xué)性能試驗，探討卸荷速率對于巖樣的軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變以及峰值強度的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果得出不同卸荷速率下變形破裂特征以及強度變化規(guī)律。目的是正確認識在不同的施工參數(shù)下圍巖的變形破壞機理，為類似工程提供參考依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

試驗采用國際標(biāo)準(zhǔn)巖樣尺寸：Φ50 mm×100 mm 的細?；◢弾r為試驗對象(圖1)。為保證各試驗巖樣的均一性，利用NM-48超聲波檢測分析儀測得各試件的波速，進行巖樣初步篩選。并完成了巖樣密度、波速等基本物理參數(shù)的測定，如表1所示。由表1可以得出，巖樣的均值密度為2.78 g/cm3，縱波波速均值為3.99 km/s，且?guī)r樣的物理參數(shù)均與平均值較接近，說明所選巖樣的均一性較好。

1.2 實驗設(shè)備

試驗所采用自主研發(fā)的深部巖石測試系統(tǒng)DTAW-8000伺服三軸壓縮試驗系統(tǒng)(圖2)。該試驗系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成，最大軸向荷載8 000 kN，最大圍壓50 MPa，精度±0.1 MPa；可使用位移控制及力控制兩種加載方式，位移加載速率為0.001～7 mm/s，力加載速率為0.01～300 kN/s。

圖1 制備完成的標(biāo)準(zhǔn)試樣Fig.1 Prepared standard samples

表1 巖樣基本物理參數(shù)

圖2 深部巖石試驗系統(tǒng)Fig.2 Deep rock test system

1.3 試驗步驟

目前偏壓的變化規(guī)律主要存在兩種方式：偏壓力恒定不變，軸壓與圍壓等量減少；偏壓力增大，可分為恒軸壓卸載圍壓和軸壓增大，圍壓減小兩類。試驗采用軸壓恒定卸載圍壓的方式進行室內(nèi)三軸卸荷試驗，目的在于得出不同圍壓卸載速率下細?；◢弾r卸荷力學(xué)特性的研究。試驗設(shè)計圍壓水平為45 MPa，初始軸壓設(shè)計值為210 MPa，共設(shè)置5種不同卸荷速率，分別為0.01、0.02、0.03、0.04、0.06 MPa/s，具體試驗流程如下。

(1)按照靜水壓力加載條件，等速率加載圍壓及軸壓至初始預(yù)定值。以應(yīng)力控制方式加載速率為0.1 MPa/s。

(2)靜水壓力穩(wěn)定一段時間后，加載軸壓至軸壓預(yù)定值，此值為試驗所用花崗巖的常規(guī)三軸試驗所得峰值強度的80%，并保持軸壓恒定。以應(yīng)力控制方式加載速率為0.1 MPa/s。

(3)軸壓穩(wěn)定一段時間后，以不同的速率卸圍壓直至巖樣破壞。以應(yīng)力控制方式卸載。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 常規(guī)三軸應(yīng)力-應(yīng)變特征

圖4 不同卸荷速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 The stress-strain curves under different unloading rates

圖3為常規(guī)三軸加載試驗下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及體應(yīng)變曲線，分析可得：本實驗所用花崗巖巖樣在圍壓為45 MPa時的三軸抗壓強度為262.8 MPa，取峰值強度的80%，即210 MPa作為試驗的初始軸壓設(shè)定值。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢可知，在此圍壓水平下，巖樣為脆性破壞。

2.2 不同卸荷速率下的三軸應(yīng)力-應(yīng)變特征

圖4為巖樣以5種不同的卸荷速率下的軸向應(yīng)變、環(huán)形應(yīng)變及體積應(yīng)變關(guān)系曲線。分析可得：不同的卸荷速率下，花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變形規(guī)律基本一致，大致可分為3個階段。

(1)軸壓加載階段。此階段為恒圍壓加軸壓，加載過程中軸向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近直線，且過程中環(huán)向變形較小，表明巖樣處于彈性變形階段。

(2)圍壓卸載階段。當(dāng)卸圍壓開始后，軸向變形相對減弱，而徑向變形逐漸增強，且卸荷速率影響顯著，尤其當(dāng)速率達到0.04 MPa/s后，變形相對較為明顯。

(3)巖樣破壞階段。巖樣破壞時，主應(yīng)力差迅速跌落，應(yīng)變增大，卸荷速率較低時花崗巖表現(xiàn)為脆性破壞，未有明顯的軟化特征，當(dāng)卸荷速率為0.04 MPa/s及0.06 MPa/s時，巖樣表現(xiàn)出明顯的軟化特征。應(yīng)力隨著應(yīng)變增大而降低，巖樣的抗壓強度降低，巖樣完全破壞。

不同卸荷速率下巖樣的承載力如表2所示。分析可得：當(dāng)卸荷速率分別為0.01、0.02、0.03、0.04及0.06 MPa/s時，其對應(yīng)峰值強度分別為：195.94、198.1、200.83、203.33及203.93 MPa，說明花崗巖在卸荷過程中峰值強度隨著卸荷速率的增大而逐漸增大。且根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線可得，巖樣變形隨著卸荷速率的增大，巖樣由脆性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍?/p>

圖3 常規(guī)三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Conventional triaxial stress-strain curve

表2 不同卸荷速率下細?；◢弾r承載力

2.3 不同卸荷速率下細?；◢弾r力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律

為了更進一步地研究不同卸荷速率對于巖石的變形特性的影響，引入卸荷變形參數(shù)即變形模量以及泊松比進行研究，公式為

(1)

式(1)中：E為變形模量；μ為泊松比；σ1為軸向應(yīng)力；σ3為環(huán)向應(yīng)力；ε1為軸向應(yīng)變；ε3為環(huán)向應(yīng)變；B為卸圍壓階段徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值[6]。

圖5(a)為不同卸荷速率下的細?；◢弾r變形模量與圍壓的關(guān)系曲線。分析可得：細?；◢弾r初始變形模量基本一致，僅有卸荷速率為0.04 MPa/s時巖樣的初始變形模量較小，說明巖樣內(nèi)可能部存在一定的初始裂縫損傷。巖樣在卸圍壓階段變形模量與圍壓的關(guān)系曲線規(guī)律大致相同，卸荷開始階段變形模量減少較為緩慢，當(dāng)卸荷至15 MPa后，巖樣的變形模量迅速降低直至破壞。且變形模量隨著圍壓量的減小而不斷減小，卸圍壓速率越快，導(dǎo)致巖樣的變形模量減少越快，卸荷速率為0.01～0.03 MPa/s時，變形模量變化較小，當(dāng)卸荷速率為0.04 MPa/s時，當(dāng)卸載圍壓至30 MPa后，巖樣的變形模量便迅速減小，是由于巖樣內(nèi)部存在一定的初始損傷，導(dǎo)致巖樣卸荷過程中變形增大，巖樣力學(xué)性能弱化較為明顯。

圖5 不同卸荷速率下變形模量與圍壓、橫縱向變形比與圍壓的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between deformation modulus and confining pressure, confining pressure and deformation ratio under different unloading rates

圖5(b)為不同卸荷速率下的細粒花崗巖橫縱向變形之比與圍壓的關(guān)系曲線。分析可得：細?；◢弾r的初始橫縱向變形之比為0.2～0.3，只有卸荷速率為0.04 MPa/s時，初始比值較大，且當(dāng)卸圍壓至30 MPa后，巖樣發(fā)生較為明顯的徑向變形，導(dǎo)致橫縱向變形比值迅速增大。巖樣的橫縱向變形之比隨著卸圍壓量的增大而不斷增大，表明巖樣在卸圍壓過程徑向應(yīng)變的變化大于軸向應(yīng)變的變化。

2.4 不同卸荷速率下細?；◢弾r變形特征

為了更加直觀地描述細?；◢弾r在不同卸荷速率下的變形過程，本文引入一個描述變量——應(yīng)變-圍壓柔量，即應(yīng)變-圍壓柔量為卸圍壓過程中由于圍壓卸載而引起的應(yīng)變增量與卸圍壓量之比，表達式為

(2)

式(2)中：Δεi(i=1,3,v)為軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變以及體應(yīng)變變化量；Δσ3為卸圍壓量[7]。

應(yīng)變-圍壓柔量表示試驗卸圍壓過程中卸單位圍壓后引起巖樣的軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變以及體應(yīng)變的變形快慢，可以更加方便地描述卸圍壓過程圍壓的減少對于各變形的影響程度，應(yīng)變-圍壓柔量越大，表明圍壓變化對于此方向的應(yīng)變變形影響程度越顯著。

圖6為不同卸荷速率下的軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變以及體應(yīng)變對應(yīng)柔量的變化曲線。分析可得：

圖6 不同卸荷速率下應(yīng)變-圍壓柔量的關(guān)系Fig.6 The relationship between the pressure discharge and unloading volume at different unloading rates

(1)卸荷速率從0.01 MPa/s增至0.06 MPa/s的過程中，軸向應(yīng)變-卸圍壓柔量隨著卸圍壓量的增加具有逐漸增大的趨勢，說明卸荷速率的增加對于巖樣的軸向變形產(chǎn)生促進作用，卸荷速率0.01 MPa/s 時，軸向應(yīng)變-卸圍壓柔量為速率 0.06 MPa/s 時的3倍，說明卸荷速率對于巖樣的軸向變形影響明顯。

(2)不同卸荷速率下的環(huán)向及體積應(yīng)變-卸圍壓柔量隨卸荷量變化規(guī)律曲線基本一致。環(huán)向及體積應(yīng)變-卸圍壓柔量隨著卸荷量的增大而增大，試驗卸圍壓過程中卸荷開始階段應(yīng)變-柔量變化較小，說明卸荷單位圍壓下環(huán)向應(yīng)變及體積應(yīng)變增量變化小，即開時階段卸荷量對巖樣的應(yīng)變影響不明顯，當(dāng)卸荷量達到30 MPa后，巖樣的環(huán)向及體積應(yīng)變-卸圍壓柔量發(fā)生明顯的增大，且卸荷速率越快越明顯。

(3)卸荷速率對于軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變以及體應(yīng)變增量影響明顯，且相比于環(huán)向應(yīng)變以及體積應(yīng)變而言，巖樣的軸向應(yīng)變偏小，表明卸荷過程中卸荷速率的變化對于巖樣的環(huán)向變形影響更明顯。

為了更加直觀地表現(xiàn)卸荷速率對于巖樣的應(yīng)變-卸圍壓柔量的影響程度，根據(jù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)給出卸荷速率與應(yīng)變-卸圍壓柔量的關(guān)系曲線圖，如圖7所示。

分析可得：應(yīng)變-卸圍壓柔量隨卸荷速率變化趨勢基本一致，即隨著卸荷速率增加，卸載單位圍壓時各應(yīng)變增量增大。卸荷速率為0.01、0.02、0.04及0.06 MPa/s 時，各應(yīng)變?nèi)崃块g差值均勻，說明卸載單位圍壓時各方向應(yīng)變增量相差不大。當(dāng)卸荷速率為0.03 MPa/s時，軸向柔量有突增，環(huán)向及體積柔量有突減，說明在此卸荷速率下，卸載單位軸壓軸向變形大于環(huán)向變形。隨著卸荷速率的增加應(yīng)變-卸圍壓柔量呈現(xiàn)較快的增長狀態(tài)，擬合公式為

438.02X-1.53，R2=0.992

(3)

(4)

341.73X+2.53，R2=0.991

(5)

圖7 應(yīng)變-卸圍壓柔量與卸荷速率關(guān)系曲線Fig.7 Strain-unloading pressure and unloading rate curve

3.5 不同卸荷速率下細粒花崗巖破壞特征

圖8～圖10為45 MPa圍壓條件下花崗巖在卸荷速率為0.01、0.03及0.06 MPa/s時的試驗破壞照片以及裂紋展開圖，分析可得：

圖8 卸荷速率為0.01 MPa/s巖樣破壞圖Fig.8 The rock sample failure diagram when the unloading rate is 0.01 MPa/s

圖9 卸荷速率為0.03 MPa/s巖樣破壞圖Fig.9 The rock sample failure diagram when the unloading rate is 0.03 MPa/s

圖10 卸荷速率為0.06 MPa/s巖樣破壞圖Fig.10 The rock sample failure diagram when the unloading rate is 0.06 MPa/s

(1)總體來說，在初始圍壓為45 MPa以不同的卸載速率進行卸荷試驗時，巖樣的卸荷破壞主要以剪切破壞為主，且在主要破壞剪切面跡線上產(chǎn)生較為明顯的張拉裂紋。

(2)根據(jù)裂紋展開圖得出，隨著卸荷速率的增大，巖樣主裂縫的破裂角有所減少，由于卸荷速率差異性較小，因而對于巖樣的三軸卸荷破壞模式的影響也較小。

(3)根據(jù)巖樣破壞照片可以看出，隨著卸荷速率的增大，巖樣的鼓脹現(xiàn)象越發(fā)明顯，說明在較快的卸荷速率下，加快巖樣裂隙發(fā)展產(chǎn)生更加明顯的環(huán)向變形。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)三軸卸圍壓試驗，對細?；◢弾r進行了不同卸荷速率下的室內(nèi)三軸卸荷力學(xué)試驗，研究不同卸荷速率對細?；◢弾r的變形規(guī)律的影響，主要得到以下結(jié)論。

(1)卸圍壓速率為0.01～0.06 MPa/s范圍內(nèi)，細?；◢弾r的卸荷引起的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢基本一致，恒圍壓加軸壓階段軸向變形迅速增加，環(huán)向變形緩慢，巖樣處于彈性變形階段；恒軸壓卸圍壓階段，環(huán)向變形迅速增大，受到卸荷速率的影響較大，當(dāng)卸荷速率達到0.04 MPa/s之后，環(huán)向變形更加明顯；不同卸荷速率下的巖樣達到承載強度后產(chǎn)生明顯的應(yīng)力下降的現(xiàn)象，具有明顯的脆性破壞特征，當(dāng)卸荷速率達到0.04 MPa/s后巖樣產(chǎn)生一定的軟化特征。

(2)為了便于描述不同卸荷速率所引起的各方向的巖樣變形，引入應(yīng)變-卸圍壓這一描述變量，根據(jù)應(yīng)變-卸圍壓與卸荷速率以及卸荷量之間的關(guān)系曲線可得知：

①卸荷速率從0.01 MPa/s增至0.06 MPa/s的過程中，軸向應(yīng)變-卸圍壓柔量具有逐漸增大的趨勢，說明卸荷速率的增加對于巖樣的軸向變形產(chǎn)生促進作用。

②不同卸荷速率下巖樣的環(huán)向及體積應(yīng)變-卸圍壓柔量隨卸圍壓量的變化規(guī)律大致相同。環(huán)向及體積應(yīng)變-卸圍壓柔量隨著卸荷量的增大而增大，初始階段卸荷量對巖樣的應(yīng)變影響不明顯，當(dāng)卸荷量達到30 MPa后，巖樣的環(huán)向及體積應(yīng)變-卸圍壓柔量發(fā)生顯著增大，且卸荷速率越快柔量增加越明顯。

③相比于環(huán)向應(yīng)變以及體積應(yīng)變而言，巖樣的軸向應(yīng)變偏小，表明卸荷過程中卸荷速率對于環(huán)向應(yīng)變的影響程度更大，即環(huán)向及體積變形受到卸荷速率的響應(yīng)更加顯著。

(3)根據(jù)所示的巖樣的破壞照片及裂紋展開圖可知：初始圍壓為45 MPa以不同的卸載速率進行卸荷試驗時，巖樣的卸荷破壞主要是以剪切破壞為主，在主要破壞剪切面跡線上產(chǎn)生較為明顯的張拉裂紋。隨著卸荷速率的增大，巖樣主要破壞裂縫與水平線的夾角有所減少，由于卸荷速率差異性較小，因而對于巖樣的三軸卸荷破壞模式的影響很小。且?guī)r樣的鼓脹現(xiàn)象越發(fā)明顯，說明在較快的卸荷速率下，巖樣產(chǎn)生更加明顯的環(huán)向變形。