不同應(yīng)力路徑循環(huán)加卸載下大理巖變形特性試驗(yàn)研究

袁和川 阿比爾的 劉 露

（重慶交通大學(xué),重慶 400074）

0 引言

開挖擾動下圍巖的應(yīng)力變化，通常是徑向應(yīng)力減小，而切向應(yīng)力增加的復(fù)雜的加卸載過程。在實(shí)際隧洞工程中，加卸載下圍巖擾動破壞現(xiàn)象普遍存在，巖石加卸載試驗(yàn)可以探究巖體強(qiáng)度、變形特征和破壞機(jī)制，因此室內(nèi)巖石的加卸載試驗(yàn)研究需迫切展開。巖石在經(jīng)歷循環(huán)荷載后再持續(xù)加載至破壞時會出現(xiàn)強(qiáng)化或弱化效應(yīng)[1]。葛修潤等[2]通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了巖石在疲勞荷載作用下的變形特性。

但在實(shí)際隧洞開挖工程中，深部巖體受力復(fù)雜，不同應(yīng)力水平的循環(huán)荷載對巖石力學(xué)性質(zhì)影響顯著，傳統(tǒng)應(yīng)力路徑不能真實(shí)反應(yīng)巖體的受力情況，循環(huán)加卸載后巖體繼續(xù)爆破開挖將導(dǎo)致再加載破壞。因此,本文以大理巖為研究對象，開展不同圍壓下大理巖的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究不同加載條件下大理巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與變形特征，為后續(xù)探究循環(huán)加卸載下大理巖的損傷機(jī)制及能量演化規(guī)律提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用武漢巖土力學(xué)研究所自主研發(fā)的巖石三軸應(yīng)力-滲流耦合試驗(yàn)機(jī)，主要由三軸試驗(yàn)加載機(jī)、油壓控制箱、伺服控制器、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)滿足本試驗(yàn)要求，伺服控制器可通過控制進(jìn)出油量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸壓和圍壓控制。

1.2 試驗(yàn)制備

試驗(yàn)所用巖樣選自河南南召縣侵入巖體接觸變質(zhì)帶上的大理巖，質(zhì)地良好，無雜質(zhì)，少裂隙，完整性和均勻性較好。按照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程要求，將大理巖試樣加工成規(guī)格為直徑50mm、高100mm圓柱體，經(jīng)過切割打磨后，使其平整度在0.3%范圍內(nèi)，再經(jīng)過篩選，選出最終試驗(yàn)所需巖樣。

1.3 試驗(yàn)方案

本文主要圍繞不同應(yīng)力路徑下循環(huán)加卸載次數(shù)對巖石損傷破壞影響，進(jìn)行常規(guī)三軸、恒圍壓循環(huán)加卸載、卸圍壓循環(huán)加卸載三種路徑試驗(yàn)。具體工況如表1所示。

表1 不同應(yīng)力路徑試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征

圖1為常規(guī)三軸、恒圍壓循環(huán)加卸載、卸圍壓循環(huán)加卸載3種應(yīng)力路徑，以及圍壓10～30MPa條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及滯回曲線。

圖1 圍壓10～30MPa不同路徑下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得，峰前起始階段至彈性階段，各路徑下應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近，進(jìn)入屈服不穩(wěn)定階段后，各路徑應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系逐漸開始出現(xiàn)差異，隨著圍壓增大，這種差異愈加明顯。由常規(guī)三軸路徑看出，巖石抵達(dá)強(qiáng)度峰值后，經(jīng)歷較長時間的應(yīng)變屈服，圍壓較小為10MPa時發(fā)生突然破壞呈脆性，圍壓較大為20MPa、30MPa時，破壞逐漸顯延性。恒圍壓路徑下，經(jīng)過彈性段的循環(huán)加卸載反復(fù)壓密閉合后，巖石內(nèi)部消耗了一部分能量，在裂紋不穩(wěn)定階段，抑制了巖石的變形能力，同時峰值應(yīng)力緩慢下降。卸圍壓路徑下，在進(jìn)行最后一次加軸壓卸圍壓時，由于圍壓卸載，巖石極限承載力降低，巖石提前發(fā)生破壞。對比不同路徑下大理巖破壞強(qiáng)度，由大到小依次為常規(guī)三軸加載、恒圍壓-循環(huán)加卸載、卸圍壓-循環(huán)加卸載。

循環(huán)加卸載路徑下在彈性段形成面積不一的滯回環(huán)，當(dāng)圍壓較小時，呈滯回加卸載曲線接近重合，隨著圍壓增大，滯回環(huán)面積也增加，尤其是徑向應(yīng)力-應(yīng)變，滯回環(huán)由“坨線形”擴(kuò)張至“紡錘形”。相同初始條件下，與恒圍壓路徑相比，卸圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)面積更大。

2.2 動彈性模量特征

由于巖石內(nèi)部本身存在一定的裂隙等缺陷，因此屬于一種非理想的彈性材料，在室內(nèi)加卸載試驗(yàn)過程中，其動應(yīng)力-應(yīng)變波形線變化不一致，存在滯后效應(yīng)，即應(yīng)力和應(yīng)變演化在時間上并不完全對應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為卸載段曲線不會沿著加載段曲線軌跡返回，而是從加載段下方迂回閉合形成滯回環(huán)。

滯回環(huán)的平均斜率可表示動彈性模量Ed的大小，其計(jì)算方法為：

式中：Ed，——動彈性模量；

σdmax、σdmin——分別為滯回曲線上限和下限偏應(yīng)力；

εdmax、εdmin——分別為滯回曲線上限和下限偏應(yīng)變。

在初始階段的循環(huán)加卸載作用下，巖石內(nèi)部的原生裂隙逐漸被壓密，其抵抗變形能力增強(qiáng)，因此巖石彈性模量也逐漸增大，尤其在首次加載后增大較明顯；隨著圍壓增大，巖石變形約束越強(qiáng)，彈性模量增大后更快趨于穩(wěn)定狀態(tài)。循環(huán)加卸載過程中，卸圍壓下的彈性模量整體低于恒圍壓下的，并且圍壓越大，兩者彈性模量差異越小。分析原因?yàn)椋盒秶鷫杭虞d方式下，軸力加載的同時卸載圍壓，圍壓對巖石的約束變?nèi)?，巖石抵抗加載變形能力減弱，而圍壓較大時，經(jīng)過卸載后剩余圍壓較高，巖石抵抗變形能力相對強(qiáng)。由于加載上限為60%峰值極限水平，本次試驗(yàn)循環(huán)20次加卸載段尚且處于彈性變形階段，巖石發(fā)生“硬化現(xiàn)象”[3]，因此循環(huán)加卸載全程的動彈性模量曲線整體呈“波浪式”緩慢上升，結(jié)合相關(guān)的研究：彈性模量隨循環(huán)次數(shù)先增大后減小[4]，可推測：當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到一定循環(huán)極限時，巖石內(nèi)部累積一定損傷后，將過渡到裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段，彈性模量又會逐漸下降。

在恒圍壓路徑下，圍壓越大，平均動彈性模量越小，10～30MPa下的平均動彈性模量分別為48.3GPa、46.0GPa、44.0GPa，20MPa、30MPa圍壓下的動彈性模量較10MPa時分別降低了4.76%、8.90%；在卸圍壓路徑下，圍壓越大，平均動彈性模量越大，10～30MPa圍壓下的平均動彈性模量分別為40.8GPa、45.4GPa、43.3GPa，在20MPa、30MPa圍壓下的動彈性模量較10MPa下的分別提高了11.27%、6.13%。

3 結(jié)束語

（1）不同路徑下應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段演變基本一致，塑性屈服段差異較大，隨圍壓增加，差異越明顯；恒圍壓和卸圍壓循環(huán)加卸載路徑相較常規(guī)三軸路徑，在經(jīng)歷彈性段疲勞荷載循環(huán)作用下，峰值強(qiáng)度都有不同程度的降低。

（2）循環(huán)加卸載下，在彈性階段加卸載曲線形成滯回環(huán)，滯回環(huán)面積、形狀與圍壓相關(guān)，即隨圍壓增加逐漸增大。

（3）巖石在彈性段經(jīng)歷循環(huán)加卸載后，發(fā)生硬化現(xiàn)象，抵抗變形能力增強(qiáng)，動彈性模量波動式增大；增加圍壓，恒圍壓下平均動彈性模量下降，卸圍壓下平均動彈性模量上升，加卸載全過程中恒圍壓路徑下的平均動彈性模量比卸圍壓路徑下的平均動彈性模量大。