双轴压缩下隧道流纹岩力学特性试验研究

双轴压缩下隧道流纹岩力学特性试验研究

0对比试验研究双轴压缩（1.2，3.0）是工程岩石的常见压力状态。例如，在隧道和斜坡开挖后，表面岩石的压力状态接近双向轴，即3与零差附近。目前,在岩石单轴和三轴压缩状态下的力学特性研究较多,并获得大量资料,而对岩石在双轴压缩平面应力状态下的力学特性研究较少。对此,典型的研究有Mogi使用白云岩长方体试件进行双向加载的试验研究,通过双轴压缩试验与单轴压缩试验、三轴压缩试验的对比,研究了中间主应力对白云岩试件破坏的影响作用。文献对石膏和混凝土进行双轴测试后,得出双轴抗压强度大于单轴抗压强度的结论。熊良宵等在不同应力水平、不同加载路径下对绿片岩进行双轴压缩蠕变试验,将一维Burgers模型推广到双轴受压状态。朱维申、陈卫中等对类岩石材料进行模拟试验,研究了双轴加载条件下闭合裂隙的起裂、扩展和岩桥的贯穿机理。目前,对于岩石双轴压缩的研究大都集中在加载方式影响和裂隙扩展贯穿等方面,对破坏准则及破坏机理的研究比较少见。本文对流纹岩进行双轴压缩试验,研究了在一定侧压下,流纹岩双轴力学特性和破坏机理,以及适用的破坏准则,为全面地了解流纹岩力学特性,提供必要的试验依据,同时也为同类岩石在近似工程状态下,特别是边坡及隧道开挖与支护设计时提供参考。1试验计划1.1真三轴仪试验双轴加载系统及制样,如图1。双轴加载系统主要由3部分组成:真三轴仪,液压控制系统和数据采集系统。成都理工大学地质灾害防治与环境保护国家重点实验室拥有真三轴仪,其中σ3方向不加载,可用真三轴仪进行双轴加载试验。真三轴仪主要技术指标为:最大主应力为0~110MPa,中间主应力为0~80MPa,最小主应力为0~55MPa。加载过程中σ1和σ2方向的位移可用位移计测出,位移计最大量程为100mm。液压控制系统可通过手动控制输出油压值来控制σ1和σ2的大小。1.2双轴压缩试验本次研究采用的流纹岩取自京昆高速公路泥巴山隧道隧址区。双轴压缩采用长方体试件(30mm×60mm×120mm),切割法制取。用作双轴试验的方柱体岩石毛坯试件经切割后,进行打磨等精加工,如图1(b)。1.3岩石层理与岩石层理的关系流纹岩试件备制后进行分组,见表1。由于流纹岩中存在层理,加载方向与岩石层理之间的关系对试验结果有一定的影响。泥巴山隧道的流纹岩存在斜层理,为与实际工程相符,在制作流纹岩试件时,要使试件中侧向荷载和轴向荷载的方向分别与层理面斜交,且各试件层理面方位角相近,见图2。1.4加载分级加载双轴试验加载方式,如图3。双轴试验加载步骤:(1)流纹岩试件制备后,将其置于真三轴仪承压板中心,并对中,然后调节轴向位移传感器和位移计。(2)开始阶段采用分级加载方式,加载时采用手动控制油压加载,先加侧向荷载,从零开始分级加载,级差为2MPa,直至设定值(根据试验要求侧向荷载σ2分别为20,40,60MPa)。(3)保持侧向荷载σ2不变,加轴向荷载,从零开始,采用分级加载,级差为5MPa,直到试件破坏或达到轴向位移限值(3mm)为止。为了保证试件的完整性以便描述,达到峰值后立即停止加载,同时通过计算机记录相应的应力-应变关系曲线。2试验结果及分析2.1微裂隙-断裂复合变形试验阶段常规双轴压缩典型应力-应变曲线,见图4。图4可以看出:双轴压缩条件下,流纹岩在侧压σ2作用时,表现出明显的弹脆性特征,应力-应变曲线有明显转折点。试件多呈张性破裂,曲线包括3个阶段:微裂隙闭合阶段,弹性阶段,断裂破坏阶段。从图4还可看出:开始阶段,各种侧压条件下的应力-应变曲线呈现上凹型,具有显著的初期非线性变形,表示试件受到微裂隙的影响,裂隙开始闭合,处于微裂隙闭合阶段,主要变形集中在微裂隙的压缩变形;当含不同裂隙分布的试件裂隙基本闭合后,受荷载的增加,应力-应变曲线呈直线形,处于弹性变形阶段,此时变形主要表现为弹性变形;低侧压试件达到极限破坏值后,曲线出现直线陡降,处于断裂破坏阶段,表现明显的脆性,部分高侧压试件出现短暂屈服阶段,如图4中,σ2=60MPa时的S5号试件,表现出一定的塑性。2.2中间主应力的影响利用真三轴仪对长方体流纹岩试件做了双向加载试验后,得到流纹岩试件双轴压缩试验力学参数,见表2。从表2可知:流纹岩试件双轴压缩试验力学参数中,中间主应力σ2对试件的破坏过程及破坏形态有着显著的影响,在其作用下,试件的双轴抗压强度呈现出增大再降低的过程:双轴抗压强度随着中间主应力的提高而增大;当中间主应力σ2达到40MPa附近某值时,其双轴抗压强度最大;超过该值时,强度反而降低。总体来说,在最小主应力σ3=0的情况下,中间主应力σ2对试件的强度影响较为明显。而Mohr-Coulomb准则及Hoek-Brown准则都仅考虑了最小主应力σ3和最大主应力σ1影响,其二式均没有引入σ2,即忽略了中间主应力的影响作用,因而是不完整的,不适用于岩石双轴受压破坏。比较不同侧压下试件的弹性模量E和变形模量E50,发现侧压对弹性模量E的影响并不显著,而侧压对变形模量E50的影响显著,随侧压呈增大趋势。2.3宏观裂纹和轴向爆裂面由于试件受到两向压力作用而引起自由面方向的拉伸应变,试件的两个自由面呈片状剥落,破坏面趋于平行自由面,呈片状拉伸破坏状态。流纹岩试件双轴破坏在低侧压不具有延性破坏的特征,破坏前未有明显的征兆,仅自由面出现少量裂隙(由试件原生裂隙引起,与最终破坏面的形成无关),由于4个面都有约束,破坏后不是完全飞溅,只在自由面产生剥落,破坏后试件碎块较容易拼在一起,见图5(a)。由于有中间主应力的侧向约束,随着σ2的增大,试件应有呈拉剪破坏的趋势,但从破裂面来看,仍然表现为张拉破坏。破裂面与最大主应力σ1的夹角较小,且随着中间主应力σ2的增大,主裂缝与最大主应力σ1的夹角逐渐趋于零(图5)。S14,S4,S22试件侧压分别为20,40,60MPa。随着侧向约束的增加,试件破裂时破裂面数量减小,由呈板裂破裂的多个破裂面逐渐向单个破裂面变化。试验发现,当侧压σ2较低时,流纹岩试件在压缩载荷作用下的宏观裂纹一般为轴向劈裂裂纹,随着侧压σ2的增大,宏观裂纹有逐渐表现为拉剪破坏形式的裂纹的趋势,即围压将约束试件的板裂裂纹的形成。由于岩石内部裂隙发育,增加侧压σ2,未达到可使剪切破坏形式裂纹的σ2值时,σ2导致试件已发生破坏,故试验中出现明显的剪切破坏面的试件较少。3偏平面应变条件和dp3准则D-P强度准则是在C-M准则和塑性力学中著名的Mises准则基础上的扩展,D-P准则计入了中间主应力的影响,又考虑了静水压力的作用,克服了C-M准则的主要弱点,利用主应力表示的D-P强度准则(破坏判据)可表示为式中:α,k分别为与岩土材料黏聚力c和内摩擦角φ有关的参数;I1为应力第一不变量,J2为应力偏量第二不变量。将式(2)和式(3)代入式(1)中,在双轴条件下σ3=0,得到刘金龙等对Drucker-Prager准则参数α和k特性进行分析,根据偏平面上Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则的位置相互关系,见图6,可以得到参数α,k的多种表达式,见表3,在平面应变条件的关联流动法则下,DP3准则与M-C准则匹配。为了验证DP3准则的适用性,通过流纹岩试件三轴压缩试验可得出c=25.6MPa,φ=54°。在DP3准则下:计算得α=0.29413,k=16.41218。将DP3准则同试验值进行比较,见图7。试验值与DP3破坏准则模型吻合较好,且有较好的相关性,证明该模型能够应用于双轴条件下流纹岩强度特性研究。4双轴抗压强度自适应变化的特征中心主应力的确定,根据第一流纹岩表现出明显的脆性,部分双轴高