大理岩卸荷变形特征及力学参数研究

杨 广,朱珍德,2

(1.河海大学 岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098)

大型岩体在开挖时,施工开挖对岩体产生卸荷作用,可能在某一个方向卸荷,也可能在两个方向卸荷,造成岩体内的应力重新分布,致使岩体的初始损伤不断累积和发展,进而产生宏观破坏,岩体发生失稳破坏。故对岩石岩样进行卸荷实验研究,分析卸荷对岩体产生的影响尤为重要。

诸多学者进行了该方面的研究:利用常规三轴仪研究卸围压对岩石强度的影响,可知应力路径对岩石强度没有影响[1];在卸荷条件下,岩体的力学特征与加载条件下所得的研究成果不相符合[2-3];保持主应力差恒定和保持轴向位移恒定两种卸围压试验,认为卸围压路径相同,弹性模量随围压变化的规律是不同的[4];利用adina软件研究边坡开挖卸荷过程,得到岩体力学参数的变化规律[5-6]。结合边坡相关的重大项目开展了一些卸荷试验研究[7-9],但主要都是解决坡边坡开挖引起的岩体稳定问题,对于模拟和分析隧洞开挖问题研究的较少。

本文主要进行了模拟大理岩开挖过程的升轴压卸围压三轴试验研究,根据实验结果和常规三轴试验进行了对比,分析了升轴压卸围压条件下岩样变形特征,对岩石的力学参数以及变形模量和泊松比的损伤劣化进行了分析,取得了合理的结果。

1 三轴试验

本试验采用的设备是MTS815.04电液压伺服可控制刚性试验机,专门用于岩石、混凝土试验的多功能刚性压力装置,配有伺服控制的全自动三轴加压和测量记录系统。该试验系统可以实现四种不同的控制方式:轴向载荷控制、轴向行程控制、轴向位移控制和环向位移控制。

1.1 试验样品制备

岩样取自某水电站的引水隧道,为新鲜灰白色大理岩,矿物成分主要为方解石,均匀性好。把岩样加工成直径为50mm,高度为100mm的标准圆柱岩样用于试验。大理岩物理力学性能如表1。

表1 大理岩试样的物理力学性能

1.2 试验方案

本试验采用升轴压卸围压三轴试验模拟隧道开挖轴向应力增加卸围压的过程。试验具体步骤如下:

(1)按静水压力条件逐步施加σ1=σ2=σ3至预定值,预定值分别为 10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa;

(2)保持围岩 σ3不变,逐步增加σ1至岩样峰前的某一应力状态,一般达到峰值强度的80%左右;

(3)按一定的速率增加σ1的同时,逐渐卸除围压 σ3,控制方法:σ1的升高速率大于 σ3的卸荷速率 ,Δ σ1/ Δ σ3=2∶1;

(4)当试样破坏时,停止卸围压 σ3并保持不变,同时继续施加轴向应力,直至σ1-σ3应力差不随轴向应变的增加而降低时停止。

2 试验结果分析

轴向压缩试验是使轴向应力增加到岩样的承载能力而导致破坏,卸荷试验是使岩石承载力下降到岩石的轴向应力而导致破坏,因而根据两种试验数据,绘制(σ1-σ3)—ε1应力-应变曲线,可以根据应力-应变曲线将其与常规试验进行比较(图1、图2)。

图1 常规试验(σ1-σ3)—ε1曲线

图2 卸荷试验(σ1-σ3)—ε1曲线

比较实验结果看出,在加载试验中随着围压值增大,轴向应变峰值逐渐增大,延性特征较为明显;而卸荷试验轴向应变峰值有所减小,甚至回弹,随着初始围压的增大,大理岩由脆性破坏向韧性过度。

从破坏式样可以看出,在加载试验中,当围压达到一定程度时,岩石基本上表现为剪切破坏,张性破裂成分很少或没有。而卸荷岩石有较强的张性破裂特征,但随着破坏围压高,剪切破坏成分比重增加,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏,最后由张剪性破坏过渡到剪张性破坏。

3 参数特征分析及其损伤劣化规律

根据破坏莫尔应力圆包络线推导出开挖卸荷岩体的内摩擦角φ和内聚力c计算公式[10]为:

假设卸围压过程中仍满足广义胡克定律,本次试验是假设三轴卸围压试验则σ2=σ3,可以对胡克定律进行变换,得到卸围压条件下试样变形模量E和泊松比ν的计算公式[9]为:

3.1 内聚力c变化

根据试验结果,绘制内聚力c与卸荷次数的关系曲线(图3)。

图3 大理岩内聚力同卸荷量的关系

从图3中看出,随着卸荷量的增大,内聚力值逐渐减小,说明在开挖卸荷过程中,初始地应力不断地释放,使应力重新分布,导致岩体中产生了次生破坏与损伤,岩体的内聚力不断减小,岩体质量随之而劣化,而最终内聚力趋于稳定,此时内聚力值为初始值的38.7%～48.4%。

3.2 内摩擦角 φ变化

根据试验结果,绘制摩擦角 φ与卸压次数的关系曲线(图4)。

图4 大理岩内摩擦角同卸荷量的关系

从图4中看出,随着卸荷量增加,内摩擦角值逐渐增大,说明在开挖卸荷过程当中岩体原有结构面不断扩展,裂隙不断张开,一般情况下张剪性破裂面的粗糙度要比压剪性破裂面高,所以摩擦角 φ值随着卸荷量的加大逐渐增加,最终内摩擦角基本保持不变,约为初始值的28.7%～42.8%。

3.3 变形模量E变化

根据卸围压试验结果,绘制岩样的变形模量E与侧向应变ε3的关系曲线(图5)。

图5 大理岩变形模量E同侧向应变ε3的关系

从图5中看出,在卸围压的初始阶段,变形模量E随围压的降低变化平缓。随着围压继续降低,变形模量E突然急剧减小,岩样彻底破坏,进入残余阶段,此过程中变形模量E减小的突然性说明大理岩具有脆性特征。

3.4 泊松比ν的变化

绘制大理岩试样的泊松比ν与侧向应变ε3的关系曲线(图6)。

图6 大理岩泊松比ν同侧向应变ε3的关系

从图6中看出,在卸荷的初始阶段,随着围压的降低,泊松比ν增大的速率较大,同侧向应变ε3基本呈线性增长关系,但在卸荷的后期即岩样临近破坏时,泊松比ν增大的幅度变小,至贯通破坏,岩样侧向变形 ε3剧增,轴向应变 ε1也增加,而泊松比 ν也随之增加。

3.5 损伤劣化规律拟合

和常规三轴试验相比,在卸荷试验中,岩石的变形模量及其泊松比均发生了一定的损伤劣化效应,本文对变形模量和泊松比的损伤效应进行具体的分析。

在这里定义卸荷过程中变形模量损伤因子M、泊松比损伤因子N:

式中:E为卸荷试验的变形模量;E0为常规三轴试验的变形模量;ν为卸荷试验的泊松比;ν0为常规三轴试验的泊松比。

表2 两种试验方案下大理岩岩样变形参数表

由表2得大理岩变形模量损伤因子M和初始围压σ3的关系曲线(图7)与泊松比损伤因子N和初始围压σ3的关系曲线(图8)。采用二次多项式进行拟合。

图7 变形模量损伤因子M与围压的关系

图8 泊松比损伤因子N与围压的关系

拟合得到以下表达式:

4 结 论

本文开展了常规三轴试验和升围压卸围压卸荷试验,通过对比和分析试验结果,得出如下几点结论:

(1)通过升轴压降围压卸荷试验对大理岩力学参数分析,可以看出,随着卸荷量的增大,岩石的内聚力 c减小,内摩擦角 φ增加,岩样的泊松比有所升高而弹性模量有较大的降低。说明升轴压降围压卸荷试验对大理岩试样的变形特性的影响较大。

(2)随着大理岩试样卸荷,侧向变形速度明显加快,宏观上表现出扩容,有较强的张性破坏特征,在围压相等的条件下卸荷,张性裂隙沿着两个方向发展。大理岩在卸荷量达到一定程度时会出现突然的脆性破坏,将导致岩体的失稳。

(3)通过和常规三轴试验结果对比,升轴压降围压的卸荷试验变形模量和泊松比发生了劣化效应,进行变形模量损伤因子同初始围压拟合,泊松比损伤因子同初始围压拟合,二者均呈二次非线性的关系。

[1]Swanson S R.An observationof loading pathindependence of frac-ture rock[M].Int.J.Rock Mech.Sci,1971,8(3):277-281.

[2]周小平,哈秋聆,张永兴,等.峰前围压卸荷条件下岩石的应力—应变全过程分析和变形局部化研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(18):3236-3245.

[3]周 华,王国进,傅少君,等.小湾拱坝坝基开挖卸荷松弛效应的有限元分析[J].岩土力学,2009,30(4):1175-1180.

[4]王战鹏.锦屏二级水电站引水隧洞围岩卸荷力学特性试验研究与应用[D].南京:河海大学,2006.

[5]胡海浪.岩质边坡稳定参数敏感性分析及其开挖卸荷岩体力学参数研究[D].宜昌:三峡大学,2008.

[6]李建林.卸荷岩体力学[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[7]李建林.卸荷岩体力学理论与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[8]陶履彬,夏才初,陆益鸣.三峡工程花岗岩卸荷全过程特性的试验研究[J].同济大学学报,1998,26(3):330-334.

[9]高春玉,徐 进,何 鹏,等.大理岩加卸载力学特性的研究[J].岩石力学与工程报,2005,24(3):456-460.

[10]Ling J M.Experimental research on damage and failure of rock mass under unloading[C]//International Symposium on Application of Computer Method in RockMechanics and Engineering.Xi'an:Shaanxi Science and Technology Press,1993:727-732.