卸荷岩石变形参数及破裂特征试验研究

卸荷岩石变形参数及破裂特征试验研究

1试验结果在水井、交通、采矿等项目中，岩石开挖主要是为了去除莲花。在加载和卸载条件下，岩体的力学特性存在根本性差异。当今的岩(石)体力学均属于加载岩体力学范畴[2~4],近年来,部分学者基于试验分析对卸荷岩体力学特性进行较深入的探索[5~11]。大型岩体工程开挖,可能仅在某一方向卸荷,如直墙拱形洞室的顶拱部分和圆形地下洞室一般只在径向方向卸荷;也可能在2个方向卸荷,如大型地下洞室高边墙的一定范围和双侧开挖的山脊边坡。一般而言,开挖会引起工程岩体产生强烈的卸荷回弹变形,故试验中(主)卸荷方向变形(侧向变形)和体积应变的分析尤为重要。正在施工的三峡工程右岸地下电站主厂房尺寸为311.3m×32.6m×87.3m(长×宽×高)。开挖区最大水平主应力为10~12MPa,与主厂房轴线夹角约为79°,这种应力环境对围岩稳定不利。本文结合主厂房围岩应力环境,对其开挖区的花岗岩进行卸荷试验,研究了岩石卸荷过程中的变形、参数及破裂特征,为主厂房开挖稳定性分析和支护设计提供可靠依据,同时也可供其他大型岩体工程参考。2试验计划2.1试件与试件尺寸试验在MTS815Teststar程控伺服岩石刚性试验机上进行,围压采用应力控制,轴压用位移控制。试件为三峡地下电站主厂房第III开挖层中的闪云斜长花岗岩,取样桩号在K00+100~K00+200之间。试件尺寸为φ25mm×50mm。试件风干密度为2700kg/m3,常规三轴试验测得的弹性模量约为79.74GPa,泊松比为0.2。2.2围岩应力检测与分析根据三峡工程地下电站主厂房围岩二次应力的监测成果及相关的数值分析,同时参考M.Cai等围岩应力监测成果,确定2种卸荷方案。试验应力路径见图1。(1)试阶段a12模拟地下洞室围岩开挖卸荷过程中切向应力(σ1)增高,径向应力(σ3)降低的应力调整。试验分为4个阶段:①首先按静水压力条件逐步施加σ1=σ3至预定值。②稳定σ3,逐步增高σ1至试件破坏前的某一应力状态,其σ1的应力水平大致在比例极限附近。③按一定速率增高σ1的同时逐渐降低σ3(σ1的升高速率大于σ3的卸荷速率,Δσ1∶Δσ3=2∶1)。此阶段非常关键,除了揭示岩石的卸载特性,还要顺利越过峰值进入软化阶段。④试件破坏后效应的测试。试件一旦破坏后即停止卸围压σ3,并保持不变,同时继续施加轴向应变,直至应力差σ1-σ3不随轴向应变的增加而降低时结束试验。(2)高边墙局部围压试验方案方案I所述4个阶段中,①,②阶段是模拟开挖岩体卸荷前的某一应力状态的形成,而④阶段是为了揭示试件破坏后效应,并测定岩石残余强度而进行的。方案II中这几个阶段与方案I完全相同,所不同的是③阶段,即卸载阶段。方案II是同时卸载轴压和围压(σ1的卸荷速率小于σ3的卸荷速率,Δσ1∶Δσ3=1∶2)即②阶段轴压增高至比例极限附近后,开始同时缓慢降低轴压与围压。破坏后进入④阶段。此卸荷方案是为了模拟高边墙局部位置岩体开挖卸荷过程。为了对比分析,同时还进行了常规三轴压缩试验(方案III)。围压设计水平为5,10,20,30MPa四个应力水平。每个方案在不同围压下试验3~4个试件:常规加载试验每一围压下试验3个,卸荷试验每个方案的每一围压下试验4个,共进行了44个岩样加卸载试验。试件编号规定:方案编号–围压–分组试件号,如1–5–1表示方案I中围压为5MPa的1#试件。按前述3种试验方案,将制作的试件分组编号如表1所示。3卸荷过程岩样的应力图2给出了3种方案不同初始围压下岩石典型的应力–应变全过程曲线,其中体积应变εv=ΔV/V0=ε1-2ε3。由应力–应变曲线分析,可以得出:(1)轴向应变ε1:在加载试验中随围压的增大,峰值轴向应变逐渐增大,延性特征较为明显;卸荷方案I较加载条件下相应围压时的峰值轴向应变有所减小,特别是在围压较大时,卸荷过程中ε1变化很小,甚至出现回弹,脆性特征较强;卸荷方案II较方案I中相应围压时的峰值轴向应变更小,在围压较大时,卸荷过程中ε1回弹变形非常明显,脆性特征显著。从峰后曲线来看,卸荷破坏的峰后应力跌落(从峰值强度跌落至残余强度过程)时ε1变化非常小,这种脆性破坏特征随围压增大越明显(方案II较方案I更为突出),而在加载条件下峰后曲线ε1随围压增大塑性变形增大,其延性特征更为明显,正好与卸荷条件下相反。(2)侧向应变ε3:常围压加载试验时,在峰值点附近侧向扩展变形较卸荷试验时小,卸荷过程中ε3向外扩展变形非常明显,且随围压增高其变形量越大,临近破坏点时,这种变形变得非常剧烈,方案I较II的侧向变形更为明显;加载时残余应变ε3为5‰~20‰(围压越低ε3量值越大),卸荷时残余应变ε3为15‰~40‰。围压较低和较高时ε3量值较大,围压在20MPa相对小些,这与试验时应力路径的设计有关,因为卸荷方案试验是在比例极限点附近开始卸载,故在低初始围压时,围压卸载到较低时岩样才能破坏,况且试验保持了破坏时的围压进行峰后试验。(3)体积应变εv:常围压加载时,峰前体积应变εv处于不断的压缩状态(屈服段扩容非常小),而卸荷试验在进入卸载阶段后,岩石扩容明显加剧,且这种扩容量随初始围压的增大而增大,临近破坏点附近时更为剧烈,2种卸荷方案扩容都比较剧烈,其中方案II较显著些。(4)加载试验时岩样的破坏是因为压缩(主要是轴向)变形致使岩样破坏,而卸载试验时岩样向卸荷方向的强烈扩容导致其破坏,即使是2个方向同时卸荷时,这种强烈扩容也可以导致岩样破坏。图3为卸荷过程中岩样的应力(σ3)–应变曲线。从图3可明显发现:卸荷过程中岩样向卸荷方向卸荷回弹变形强烈,扩容现象显著,脆性破坏特征明显,且这种变形特征随卸荷初始围压的增大和卸荷强度的增强愈明显。4参数参数分析4.1初始围压对变形模量的影响在岩石力学中,变形参数一般是通过单轴压缩试验得到,即常规三轴试验中由于围压不变,可将式(1)中的σ1替换为σ1-σ3进行计算。从图2中可以发现,卸荷过程中轴向应变很小,如果仍采用常规三轴的计算来求解变形参数,求解的变形模量将会很大,这与实际情况不符[7~11]。因此本文认为卸荷过程的变形参数求解应该考虑侧向变形ε3和围压σ3的影响,采用高玉春等的计算式:图4为卸荷过程中岩样的变形模量随围压卸载的变化曲线。从图4可以看出,卸荷过程中岩体变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随初始围压增大其非线性特征更为明显,方案II非线性较方案I强;在应力差约为屈服强度时呈现一定的加速减小趋势,方案II表现得更为明显。对比2种方案变形模量随围压卸载的变化曲线,可以发现:同一种卸荷应力路径时,其变化特征基本相同,只是减小量随初始围压增大有所增大。2种方案中变形模量的减小量(相对于相同初始围压条件下的加载试验)见表2。从表2可看出,变形模量减小了5%~27%,且随初始围压的增大和卸荷强度的增强而增大,在相同的初始围压条件下,方案II较方案I多减小了2%~4%。岩石卸荷破坏,是强烈扩容的结果,岩体变形参数伴随扩容而弱化,因此可建立一个卸荷过程中岩样的体积应变εv与变形模量E之间的关系式,按指数关系进行回归拟合得(见图5):(1)方案1(2)种方案泊松比试验结果图6为岩样卸荷过程中泊松比的变化特征曲线,从图中可以看出,泊松比的增大过程与变形模量的减小过程相似,卸荷初始阶段泊松比随围压减小呈相对较小速率增加,当应力差达到岩石屈服强度时,泊松比增大速率突然变大,方案II较方案I增大量及变化速率均大些。当卸荷到一定程度后,泊松比甚至超过了0.8(弹塑性材料极限泊松比值为0.5),从卸荷试件破坏型态也可清晰看到,试件存在许多竖向张开裂缝,这表明卸载方向除产生弹性回弹变形外,还存在裂缝变形,同时裂缝的方向基本垂直于卸载主方向,从而导致侧向变形剧增,因此,此时的泊松比已经不再是一般意义上的材料特性,而包括了裂隙扩展张开变形。2种方案泊松比增加量(相对相同围压加载试验)见表3。从表3可以看出,泊松比增大了50%~335%,且随初始围压的增大和卸荷强度的增强而增大,在相同的初始围压条件下,方案II较方案I泊松比多增大了40%~90%。参照前面的变形模量分析,同样可建立卸荷过程中岩石体积应变与泊松比的关系式,按多项式回归拟合得(见图7):(1)方案1(2)2级4.2加载试验界面岩石的黏聚力与摩擦角Mohr-Coulomb屈服准则中σ1与σ3是线性关系,因此,可以回归出峰值及残余状态下σ1-σ3的线性关系式,就可以求出岩样的抗剪强度参数。Mohr-Coulomb准则线性表达式为式中:ϕ为内摩擦角。其拟合曲线如图8所示,结果列于表4中,相对于加载条件,卸荷条件下岩石的黏聚力c是降低的,而内摩擦角ϕ是增大的,这种现象可以从岩石加卸载过程中变形破坏特征不同得以解释,因为在卸荷过程,岩石的变形以向卸荷主方向张裂扩容变形为主,而加载试验中试件是以压剪变形破坏为主,显然岩石张剪性破坏的c值要比压剪性破坏的c值低,一般来说张剪性破裂面的粗糙度较压剪性破裂面高,因此ϕ值相对较高些。与加载试验结果相比:方案I的峰值c减小约33.2%,而残余c减小约65.3%,峰值ϕ增大约14.7%,残余ϕ增大约33.2%;方案II的峰值c减小约47.8%,残余c减小约77.6%,峰值ϕ增大约9.4%,残余ϕ增大约5.9%。方案II的c值较方案I减小得多且ϕ值增大得也小,这是由于方案II中的试件在轴压和围压同时卸荷时,使得破裂面张开更为明显,从而造成裂隙面间的结合紧密度减弱,进而使得c和ϕ值相对要低一些。5受压围压影响岩石的破裂特征图9~11为3种试验方案岩样典型破裂素描图(柱面展开),对比分析可得:(1)卸荷岩石变形表现为沿卸荷方向强烈扩容或膨胀,与常规三轴加载试验相比,卸荷条件下更易发生变形破裂,破坏程度也更为强烈。(2)卸荷岩石具有较强的张性破裂特征,但随着破坏围压增高,剪切破坏成分比重增大,即由张性破坏过渡到张剪性破坏,由张剪性破坏过渡到剪张性破坏,张剪(剪张)性破裂面往往是追踪张性破裂面发展而成,其破裂角随破坏围压增大有所增大;而在加载试验中,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,一般只是在单轴或低围压时才表现明显。(3)卸荷岩石中往往同时并存有轴向张性裂面T,主共轭剪裂面S1a和S1b及次级共轭剪裂面S2a,S2b(或剪张裂面ST或张剪裂面TS及其共轭组)和夹于剪切裂面间的微张性破裂面等。各种级别、各种力学机制的张性破裂十分发育,除轴向主张裂缝及微张性破裂面外,还有追踪张裂缝、顺阶步的滑移拉张裂缝和单剪状态下的压致拉裂等;剪性裂面往往具有不同程度的张性特征,破裂面较压缩试验粗糙。与加载试验相比,卸荷岩石破裂特征复杂得多,主要表现在2个方面:①各种级别的张裂隙发育;②剪性破裂面以共轭X或局部剪切破坏为主,且基本是追随轴向张裂隙剪断岩桥而成。(4)在较低初始围压时,方案I中试件张性破裂面较方案II多且强烈,正好与较高初始围压时相反,这说明在低初始围压时,方案I中试件破坏还是轴向压缩破坏占主导地位,此时其张破裂是符合压致拉裂的Griffith准则。当初始围压较高时,方案II岩样2–30–2出现了环向拉裂面,因此当双向卸荷时,岩石在次卸荷方向上也可能出现张拉裂隙。(5)卸荷岩石追随张性裂面剪断岩桥时,岩桥处一般发育有一定的微小张裂隙,这说明在剪断岩桥的过程中,卸荷也起到了一定的促进作用。6不同强度泊松试验和初始围压试验的变形特征及争议问题(1)卸荷过程中岩石向卸荷方向回弹变形强烈、扩容显著、脆性破坏特征明显,且随初始围压的增大和卸荷强度的增强愈明显。卸荷条件下岩石的破坏是强烈的卸荷回弹变形和张性扩容所致。(2)卸荷过程中岩石的变形模量逐渐减小,减小量了5%~27%,与体积应变呈指数相关;泊松比逐渐增大,增大了50%~335%,与体积应变呈二次多项式相关;变形模量和泊松比的变化均随初始围压的增大和卸荷强度的增强而