隧道围岩非等卸荷量三轴蠕变试验研究

杜春雷

(中铁十九局集团第二工程有限公司, 辽宁 辽阳 111000)

0 引言

深部岩体多处于高地应力状态下，自身存储变形势能较高，隧道开挖及地下工程等均可视为岩体能量的释放过程。能量释放的主要方向即为隧道等地下工程开挖后所产生的临空面，因此隧道开挖是一个经典的形变能卸荷过程，此时岩石的抗拉能力远小其抗压能力，且隧道临空面在卸载过程中的张拉变形在掌子面及洞周各个方向上是不同的，此原因是产生隧道围岩失稳破坏的主要因素[1-2]。由于隧道的开挖方式与施工机械的差异使得隧道围岩的卸荷情况不同，致使隧道围岩出现不同的张拉破坏模式，如果不能及时对隧道围岩进行有效支护，则有可能导致隧道围岩发生塌落、岩爆等安全事故[3-4]。

为了安全、及时、有效地进行隧道开挖施工，对隧道围岩开挖后的卸荷蠕变特性的研究势在必行，部分国内外学者对此种情况下的岩石力学特性进行了试验研究。卢自立等[5]通过卸荷蠕变试验对变质砂岩在卸围压情况下的蠕变破坏规律进行了研究，结果表明该类岩石在峰前卸荷时表现为张剪性破坏模式，且随着围压的逐渐增大，其脆性程度显著降低。张雪颖等[6]基于能量理论对大理岩在卸围压条件下的能量特征及变形规律进行了试验研究，结果表明，大理岩在高围压条件下更易发生破坏，且峰前卸荷较峰后卸荷表现出更明显脆性；孔隙水压对岩石的脆性破坏起到了促进作用，使岩石强度降低。

综上分析可知，前人多在等卸荷量前提下展开试验研究，而隧道开挖后围岩体应力释放所产的卸荷量在每一开挖内并不相同，因此，开展不同卸荷量条件下的分级卸荷蠕变试验研究，对于隧道围岩的卸荷蠕变破坏特性具有较大工程实际意义。本文通过对海棠山隧道砂岩进行非等卸荷量三轴卸荷蠕变试验，研究分析该隧道砂岩的蠕变特性及变形破坏规律，为隧道支护与隧道开挖过程中围岩的卸荷破坏特性分析提供可靠的试验依据。

1 砂岩卸围压蠕变试验

本文岩样为采自海棠山隧道施工现场的致密砂岩，无裂隙、节理等天然缺陷，整体呈灰白色。试样在现场粗加工后运至室内实验室进行细加工，经切割、钻孔取芯、打磨，最终加工出直径50 mm、高100 mm的满足国际岩石力学试验标准的圆柱试件，见图1(a)。通过X射线衍射仪对试样检测可知，本文所选砂岩的主要矿物成分包括：石英、长石、方解石和蒙脱石，同时还包含微量白云石、绿泥石、赤铁矿等物质，岩样粒径为0.01～0.43 mm，干容重为28.74 kN/m3。

图1 试验仪器与试验岩样

为研究非等卸荷量条件下的砂岩卸荷蠕变力学特性，试验均在MTS815.02多功能三轴伺服试验机上完成。该试验机是由美国生产的专门针对岩石类材料力学特性测试的多功能全自动伺服试验机，具有独立的围压、轴压和孔隙水压加载系统，同时试验机可对试样的轴向变形和径向变形进行同步测量。通过MTS815.02多功能三轴伺服试验机(见图1(b))对海棠上隧道砂岩进行定轴压卸围压蠕变试验，在进行卸围压蠕变试验之前先通过相应条件下的卸围压三轴压缩试验对每组试件所施加的荷载水平进行确定。

首先以特定加载速率对岩样施加围压至预先设定值，为研究恒轴压分级非等卸荷量卸围压砂岩的蠕变特性，待变形达到稳定后，对轴、侧向变形进行清零，按200 N/s的加载速率施加轴向荷载。当荷载满足第一级荷载水平且变形趋于稳定之后，施加围压至预定值并保持恒定，记录此时轴向应变随时间的分布规律，之后按试验方案逐级卸围压，并保持卸围压过程中轴向荷载σ1不变，以此来实现如图2所示的卸荷应力路径。重复上述步骤，直至试样失稳破坏。

图2 恒轴压分级卸围压应力路径

本次恒轴压分级卸围压蠕变试验采用加载速率为200 N/s的荷载控制方式施加围压及轴压至预定值，且以同样的速率进行卸围压。为分析岩石在不同卸荷量下的蠕变变形规律，选取4组不同卸荷量进行试验，试验方案见表1。试验结束以后，保存试验数据。绘制各蠕变阶段蠕变全过程曲线，其中σ1恒为60 MPa，σ3初始值为30 MPa。

表1 卸荷蠕变试验方案 (单位：MPa)

2 试验结果分析

图3为非等卸荷量三轴蠕变试验曲线。根据表1与图3可知，试件S1～S4卸荷量等差比分别为2、3、5和10 MPa，围压随卸荷量等差比逐渐减小，相同试验条件下，瞬时应变量随每级卸荷量Δσ3的增大而逐渐递增，卸荷等差比越大，岩石进入加速蠕变前的蠕变时间越短，岩石失稳破坏后所产生的形变量越大，岩石破坏得更彻底。在恒轴压卸围压蠕变试验过程中，偏应力逐渐递增，且随着偏应力的逐渐增大，瞬时应变在加载瞬间显著递增，随着第一级围压的卸载，瞬时应变增幅显著降低，之后呈逐渐增大趋势，岩石蠕变形变量先减小再增大，岩石蠕变变形量与瞬时应变的比值同样先减小再增大，且卸荷等差比越大，岩石在失稳破坏时的应变值越大，最后一级蠕变的变形量越大。以试样S1为例，在围压卸荷至第六级时岩石出现失稳破坏，破坏时围压约为3.7 MPa；在第一级荷载作用下，蠕变历时约38.7 h，其轴向蠕变量占轴向瞬时应变的27.24%，径向蠕变量占径向瞬时应变的32.475%，二者差别较小，表明岩石在卸荷蠕变刚开始阶段轴向与径向变形差别不大，随着围压逐级递减，岩石轴、径向蠕变量占瞬时应变的比值之差逐渐增大，在围压卸载至第五级荷载水平时，轴向、径向蠕变量占瞬时应变的百分比分别为70.28%和91.364%，与三轴加载蠕变相比，在卸荷蠕变过程中岩石的变形能力明显增强，且径向变形能力要强于轴向变形能力。

图3 不同卸荷量轴向、径向卸荷蠕变曲线

根据图3可得非等卸荷量条件下的瞬时应变与蠕变应变数据，见表2。表中ε0为瞬时蠕变，ε为蠕变应变。可知，随着卸荷量的逐渐增大，岩石在蠕变过程中，瞬时应变与蠕变应变均逐渐增大。

表2 卸围压试验结果(轴向)

以试样S3为例，按照上述将时间划分为t=0，2，4，8，12，16，20，24 h，绘制出等时应力-应变曲线，如图4所示。由图可知，加载初期岩石的轴向与径向变形相差不大，几乎在同一点集中，随着时间的逐渐延长，应变变化量逐渐增大，随着围压的逐渐减小，等时应力-应变曲线开始呈发散趋势，且增幅显著增大，同样在前几级荷载作用下，应变值逐渐趋于稳定，岩石经历了衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段，而在最后一级卸载荷载作用下，应变值逐渐增大，表明此时岩石开始进入加速蠕变阶段，并逐渐失稳破坏。根据文献[7]所指出的确定岩石长期强度的方法，取等时应力-应变曲线发散点对应的应力作为岩石的长期强度，由图4可知，海棠山隧道砂岩的长期强度为45 MPa。

图4 试样S3等时应力-应变曲线

3 结论

(1)在相同试验工况下，随着每级卸荷量Δσ3的逐渐增大，其瞬时应变量也逐渐增大，随着卸荷量等差比的逐渐增大，岩石进入加速蠕变的时间逐渐缩短，最终岩石破坏变形量越大，岩石破坏更彻底。

(2)恒轴压条件下，随着偏应力的逐渐增大，岩石瞬时应变在加载瞬间会产生一个较大应变值，随着第一级围压卸载，其增长值与开始时相比，减幅度较大，随着时间的延长，增长值逐渐趋于稳定；同样，蠕变量及其与瞬时应变的比值同瞬时应变变化规律基本相同，且卸荷量越大，最终破坏应变值越大，最后一级蠕变量也越大。

(3)岩石在初始加载时轴向与径向应变值波动较小，基本集中于某一定值，随着时间推移波动逐渐明显，且随着围压逐渐卸载，应变开始逐渐发散，增幅显著提升。