加卸载应力条件下脆性花岗岩变形的试验研究

游 鹏，邓 拓，余晓彦，黄希程

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

岩体在加卸荷条件下出现变形破坏的现象广泛存在于高应力条件下隧道开挖过程中。实验室中都是通过对岩样的加载实验来模拟隧道开挖过程中岩石的破坏变形，这与围岩破坏的实际情况不尽相同。岩石在卸荷、加载条件下的力学特性有很大差异［1－3］。隧道中岩体的开挖过程实际上是在复杂应力条件下，岩体的应力得到了释放，破坏了原有的平衡状态，从而发生新的变形破坏。地下岩体开挖过程中卸荷应力路径和加载应力路径是不一样的，从而导致岩体强度、变形特性和失效机理也不尽相同［4］。深部复杂高应力条件下地下洞室开挖过程中发生的岩爆，就是一种典型的由卸荷引起的区域内岩体发生失稳破坏的现象［5－6］。近年来，随着实际工程中岩爆事故的不断发生，国内外学者越来越关注岩石的卸荷研究［7－8］。本文采用对岩石的加轴压、卸围压的试验方法来探究岩石破坏的力学问题，为实际工程问题提供参考。

1 试验方案

试验岩样选取的是广州在建高速公路茅田界隧道内的花岗闪长岩。试验在MTS液压伺服试验机上进行。为尽可能减少式样外观结构对试验结果的影响，对试样进行预处理，岩样精度满足岩石力学试验要求，试验数据整理符合相关的要求［9］。

试验的围压（σ3）设计分别为:8MPa，16MPa，32MPa三个应力水平。试验采用不同应力路径方案:方案1，在相同条件下（保持围压和轴压的加载速率不变），对试样分别施加三组不同的围压；方案2，相同围压（σ3＝8MPa）、相同的围压加载速率（Δσ3＝0.1MPa/s）条件下，施加不同速率的轴压；方案3，不同围压条件下，保持相同的轴压加载速率（Δσ1＝0.5kN/s），施加不同的围压加载速率。通过三个试验方案的试验，可以清楚的看到岩石在不同状态下的破坏形态。

2 试验结果分析

根据无侧限抗压强度试验和三轴压缩强度试验，岩石的粘结力和内摩擦角可确定如下:C＝31.249MPa，φ＝49.26°。

图1 岩石Mohr包络线

实验开始时，可以很清楚的听到试样在破坏的过程中产生的破裂响声；两个相互连接的剪切面以一定的倾斜角度共同实现对岩石的剪切破坏；此外大部分的破坏面是沿着轴向出现的，并且平行于轴应力方向，这说明该试样表现出了复杂的应力破坏特征。

在相同条件下，给试样施加不同的围压，其轴向应变与应力差的关系见图2。

图2 应力差与轴向应变曲线

由图2可以看出，当轴压σ3分别分别达到8 MPa、16MPa和32MPa时，试样所承受的最大应力差分别达到了50MPa、181MPa和252MPa。通过加压前后的对比可以看到加压后岩石的抗压强度基本上是成倍数增长。由此可知在不同围压条件下，岩石所能承受的轴应力是不一样的，试样的轴应力对围压的大小十分敏感。随着围压的逐渐增大，岩石的应力差也在逐渐增大，围压的增大很大程度上提高了岩石的轴向承载能力。这是由于在没有围压时，对试样施加轴向应力，试样迅速向侧向膨胀发生破坏，此时岩石的破坏不完全，轴向变形较小；当对试样施加围压时，延缓了试样的侧向膨胀的速度，岩石内部裂纹的伸展速率减慢，岩石的轴向变形变大，从而使得岩石的破坏更加全面。

在相同的轴压加载速（Δσ1＝0.5kN/s）条件下，对试件施加不同速率的围压。见图3，图4。

通过对图3，图4的分析可知:当试件以相同的围压速率（Δσ3＝0.1MPa/s）加载时，其应力差与轴向变形基本上成线性相关；当试件达到设定的围压后开始卸荷，即围压的速率发生改变（Δσ3＝0.2 MPa/s）时，其卸荷速率快的试验发生突变，轴向变形减小，岩石的破坏提前，破坏的速度十分迅速；而保持相同速率的试块则没有出现突变，破坏出现延缓，岩石表现出了一定的延展性。

图3 σ3＝32MPa时的应力差与轴向应变

图4 σ3＝16MPa时的应力差与轴向应变

在施加相同围压（σ3＝8MPa）和围压速率（Δσ3＝0.1MPa/s）条件下，施加不同速率的轴压。

图5 σ3＝8MPa时的应力差与轴向应变线

对图5的分析可知:在相同围压条件下，力的加载速率越大，试件破坏时其轴向变形越小；而当保持较低的加载速率时，试样的轴向变形变大，此时试样表现出一定的延性，试样发生塑性变形。

由于岩石的结构是不均匀的，其强度分布也就不完全相同。正是由于这种结构上的特征差异性，使得岩样的局部变形破坏有差异，从而导致试验的数据出现不同程度的偏差。

3 岩石的破坏形态分析

通过对不同围压的卸载速率和不同轴压的加载速率的试验数据的分析，可以很清晰地看出:在相同条件下，围压越大，试样产生的轴向变形越明显；围压的卸压速率越小，试样的轴向变形量越大；在同一围压条件下，轴向力的加载速率越小，轴向变形也就越明显。

图6 试样的破坏形态

这是因为围压的卸载速率越低（或者轴压的加载速率越大）时，试样所受到的围压减小（轴压增加）得越少，这是由于岩体内裂缝的扩展速度较慢，应力变化并发生转移所需要的时间较多，产生的破裂面也就更多了；岩石的侧向变形增大，试样的破坏程度也就完全。也就是说，围压的卸载速率加快（轴压的加载速率较大）时，裂缝的延伸和应力的转移并不是很充分，试件的破裂面只能沿着初始的几个破裂方向，破坏也就变得更加突然。

4 结论

通过对茅田界隧道内的花岗闪长岩在实验室内展开的力学性能的研究，得到以下的结论:

1）随着围压的增加，岩体的粘结力随之增大。

2）在隧道开挖过程中应根据岩石的特性实施合理的支护措施和开挖手段，以达到隧道的长期稳定性，合理的开挖速度，良好的经济效益。

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