大理巖卸荷變形特征及力學(xué)參數(shù)研究

楊 廣,朱珍德,2

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

大型巖體在開挖時(shí),施工開挖對(duì)巖體產(chǎn)生卸荷作用,可能在某一個(gè)方向卸荷,也可能在兩個(gè)方向卸荷,造成巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布,致使巖體的初始損傷不斷累積和發(fā)展,進(jìn)而產(chǎn)生宏觀破壞,巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞。故對(duì)巖石巖樣進(jìn)行卸荷實(shí)驗(yàn)研究,分析卸荷對(duì)巖體產(chǎn)生的影響尤為重要。

諸多學(xué)者進(jìn)行了該方面的研究:利用常規(guī)三軸儀研究卸圍壓對(duì)巖石強(qiáng)度的影響,可知應(yīng)力路徑對(duì)巖石強(qiáng)度沒有影響[1];在卸荷條件下,巖體的力學(xué)特征與加載條件下所得的研究成果不相符合[2-3];保持主應(yīng)力差恒定和保持軸向位移恒定兩種卸圍壓試驗(yàn),認(rèn)為卸圍壓路徑相同,彈性模量隨圍壓變化的規(guī)律是不同的[4];利用adina軟件研究邊坡開挖卸荷過程,得到巖體力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律[5-6]。結(jié)合邊坡相關(guān)的重大項(xiàng)目開展了一些卸荷試驗(yàn)研究[7-9],但主要都是解決坡邊坡開挖引起的巖體穩(wěn)定問題,對(duì)于模擬和分析隧洞開挖問題研究的較少。

本文主要進(jìn)行了模擬大理巖開挖過程的升軸壓卸圍壓三軸試驗(yàn)研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和常規(guī)三軸試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比,分析了升軸壓卸圍壓條件下巖樣變形特征,對(duì)巖石的力學(xué)參數(shù)以及變形模量和泊松比的損傷劣化進(jìn)行了分析,取得了合理的結(jié)果。

1 三軸試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用的設(shè)備是MTS815.04電液壓伺服可控制剛性試驗(yàn)機(jī),專門用于巖石、混凝土試驗(yàn)的多功能剛性壓力裝置,配有伺服控制的全自動(dòng)三軸加壓和測(cè)量記錄系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四種不同的控制方式:軸向載荷控制、軸向行程控制、軸向位移控制和環(huán)向位移控制。

1.1 試驗(yàn)樣品制備

巖樣取自某水電站的引水隧道,為新鮮灰白色大理巖,礦物成分主要為方解石,均勻性好。把巖樣加工成直徑為50mm,高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱巖樣用于試驗(yàn)。大理巖物理力學(xué)性能如表1。

表1 大理巖試樣的物理力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用升軸壓卸圍壓三軸試驗(yàn)?zāi)M隧道開挖軸向應(yīng)力增加卸圍壓的過程。試驗(yàn)具體步驟如下:

(1)按靜水壓力條件逐步施加σ1=σ2=σ3至預(yù)定值,預(yù)定值分別為 10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa;

(2)保持圍巖 σ3不變,逐步增加σ1至巖樣峰前的某一應(yīng)力狀態(tài),一般達(dá)到峰值強(qiáng)度的80%左右;

(3)按一定的速率增加σ1的同時(shí),逐漸卸除圍壓 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)當(dāng)試樣破壞時(shí),停止卸圍壓 σ3并保持不變,同時(shí)繼續(xù)施加軸向應(yīng)力,直至σ1-σ3應(yīng)力差不隨軸向應(yīng)變的增加而降低時(shí)停止。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

軸向壓縮試驗(yàn)是使軸向應(yīng)力增加到巖樣的承載能力而導(dǎo)致破壞,卸荷試驗(yàn)是使巖石承載力下降到巖石的軸向應(yīng)力而導(dǎo)致破壞,因而根據(jù)兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制(σ1-σ3)—ε1應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線將其與常規(guī)試驗(yàn)進(jìn)行比較(圖1、圖2)。

圖1 常規(guī)試驗(yàn)(σ1-σ3)—ε1曲線

圖2 卸荷試驗(yàn)(σ1-σ3)—ε1曲線

比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,在加載試驗(yàn)中隨著圍壓值增大,軸向應(yīng)變峰值逐漸增大,延性特征較為明顯;而卸荷試驗(yàn)軸向應(yīng)變峰值有所減小,甚至回彈,隨著初始圍壓的增大,大理巖由脆性破壞向韌性過度。

從破壞式樣可以看出,在加載試驗(yàn)中,當(dāng)圍壓達(dá)到一定程度時(shí),巖石基本上表現(xiàn)為剪切破壞,張性破裂成分很少或沒有。而卸荷巖石有較強(qiáng)的張性破裂特征,但隨著破壞圍壓高,剪切破壞成分比重增加,巖樣由張性破壞過渡到張剪性破壞,最后由張剪性破壞過渡到剪張性破壞。

3 參數(shù)特征分析及其損傷劣化規(guī)律

根據(jù)破壞莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線推導(dǎo)出開挖卸荷巖體的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力c計(jì)算公式[10]為:

假設(shè)卸圍壓過程中仍滿足廣義胡克定律,本次試驗(yàn)是假設(shè)三軸卸圍壓試驗(yàn)則σ2=σ3,可以對(duì)胡克定律進(jìn)行變換,得到卸圍壓條件下試樣變形模量E和泊松比ν的計(jì)算公式[9]為:

3.1 內(nèi)聚力c變化

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制內(nèi)聚力c與卸荷次數(shù)的關(guān)系曲線(圖3)。

圖3 大理巖內(nèi)聚力同卸荷量的關(guān)系

從圖3中看出,隨著卸荷量的增大,內(nèi)聚力值逐漸減小,說明在開挖卸荷過程中,初始地應(yīng)力不斷地釋放,使應(yīng)力重新分布,導(dǎo)致巖體中產(chǎn)生了次生破壞與損傷,巖體的內(nèi)聚力不斷減小,巖體質(zhì)量隨之而劣化,而最終內(nèi)聚力趨于穩(wěn)定,此時(shí)內(nèi)聚力值為初始值的38.7%～48.4%。

3.2 內(nèi)摩擦角 φ變化

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制摩擦角 φ與卸壓次數(shù)的關(guān)系曲線(圖4)。

圖4 大理巖內(nèi)摩擦角同卸荷量的關(guān)系

從圖4中看出,隨著卸荷量增加,內(nèi)摩擦角值逐漸增大,說明在開挖卸荷過程當(dāng)中巖體原有結(jié)構(gòu)面不斷擴(kuò)展,裂隙不斷張開,一般情況下張剪性破裂面的粗糙度要比壓剪性破裂面高,所以摩擦角 φ值隨著卸荷量的加大逐漸增加,最終內(nèi)摩擦角基本保持不變,約為初始值的28.7%～42.8%。

3.3 變形模量E變化

根據(jù)卸圍壓試驗(yàn)結(jié)果,繪制巖樣的變形模量E與側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系曲線(圖5)。

圖5 大理巖變形模量E同側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系

從圖5中看出,在卸圍壓的初始階段,變形模量E隨圍壓的降低變化平緩。隨著圍壓繼續(xù)降低,變形模量E突然急劇減小,巖樣徹底破壞,進(jìn)入殘余階段,此過程中變形模量E減小的突然性說明大理巖具有脆性特征。

3.4 泊松比ν的變化

繪制大理巖試樣的泊松比ν與側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系曲線(圖6)。

圖6 大理巖泊松比ν同側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系

從圖6中看出,在卸荷的初始階段,隨著圍壓的降低,泊松比ν增大的速率較大,同側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?基本呈線性增長(zhǎng)關(guān)系,但在卸荷的后期即巖樣臨近破壞時(shí),泊松比ν增大的幅度變小,至貫通破壞,巖樣側(cè)向變形 ε3劇增,軸向應(yīng)變 ε1也增加,而泊松比 ν也隨之增加。

3.5 損傷劣化規(guī)律擬合

和常規(guī)三軸試驗(yàn)相比,在卸荷試驗(yàn)中,巖石的變形模量及其泊松比均發(fā)生了一定的損傷劣化效應(yīng),本文對(duì)變形模量和泊松比的損傷效應(yīng)進(jìn)行具體的分析。

在這里定義卸荷過程中變形模量損傷因子M、泊松比損傷因子N:

式中:E為卸荷試驗(yàn)的變形模量;E0為常規(guī)三軸試驗(yàn)的變形模量;ν為卸荷試驗(yàn)的泊松比;ν0為常規(guī)三軸試驗(yàn)的泊松比。

表2 兩種試驗(yàn)方案下大理巖巖樣變形參數(shù)表

由表2得大理巖變形模量損傷因子M和初始圍壓σ3的關(guān)系曲線(圖7)與泊松比損傷因子N和初始圍壓σ3的關(guān)系曲線(圖8)。采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。

圖7 變形模量損傷因子M與圍壓的關(guān)系

圖8 泊松比損傷因子N與圍壓的關(guān)系

擬合得到以下表達(dá)式:

4 結(jié) 論

本文開展了常規(guī)三軸試驗(yàn)和升圍壓卸圍壓卸荷試驗(yàn),通過對(duì)比和分析試驗(yàn)結(jié)果,得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)通過升軸壓降圍壓卸荷試驗(yàn)對(duì)大理巖力學(xué)參數(shù)分析,可以看出,隨著卸荷量的增大,巖石的內(nèi)聚力 c減小,內(nèi)摩擦角 φ增加,巖樣的泊松比有所升高而彈性模量有較大的降低。說明升軸壓降圍壓卸荷試驗(yàn)對(duì)大理巖試樣的變形特性的影響較大。

(2)隨著大理巖試樣卸荷,側(cè)向變形速度明顯加快,宏觀上表現(xiàn)出擴(kuò)容,有較強(qiáng)的張性破壞特征,在圍壓相等的條件下卸荷,張性裂隙沿著兩個(gè)方向發(fā)展。大理巖在卸荷量達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)突然的脆性破壞,將導(dǎo)致巖體的失穩(wěn)。

(3)通過和常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,升軸壓降圍壓的卸荷試驗(yàn)變形模量和泊松比發(fā)生了劣化效應(yīng),進(jìn)行變形模量損傷因子同初始圍壓擬合,泊松比損傷因子同初始圍壓擬合,二者均呈二次非線性的關(guān)系。

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