王 璐， 徐 進(jìn)， 劉建鋒， 楊昊天， 任浩楠， 聶 明

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065)

1 概述

隨著三峽、南水北調(diào)等大型工程的建設(shè)，巖石力學(xué)的研究與應(yīng)用也得到了較快的發(fā)展。傳統(tǒng)巖石力學(xué)的研究對象主要是加載巖石力學(xué)，并且已經(jīng)通過大量的試驗(yàn)和理論分析，建立了比較成熟的加載巖石力學(xué)理論體系[1]，在工程中亦得到了廣泛應(yīng)用。隨著工程建設(shè)的發(fā)展，加載巖石力學(xué)得到的結(jié)果與卸荷條件下的工程實(shí)際存在的差異日益被人們重視。哈秋舲針對工程實(shí)際對加載和卸荷兩種應(yīng)力路徑下巖體的力學(xué)特性進(jìn)行了分析對比，并結(jié)合工程巖體的性質(zhì)提出了“卸荷非線性巖體力學(xué)”和“各向異性卸荷巖體力學(xué)”的概念，研究成果也在高邊坡和地下工程中得到了應(yīng)用，并通過工程實(shí)際得到了驗(yàn)證[2～4]。李天斌、王蘭生、夏才初等許多學(xué)者對不同巖石做了大量的卸荷試驗(yàn)研究，得到了巖石卸荷條件下的力學(xué)和變形破壞特征[5～10]。張宏博、宋廣修等針對不同卸荷應(yīng)力路徑下的巖石強(qiáng)度及破壞特征進(jìn)行了研究[11]。高春玉、謝紅強(qiáng)等對巖石加卸載進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了在一定應(yīng)力路徑下的巖體加卸載的變形和力學(xué)特性的差異[12、13]。但由于巖石性質(zhì)和工程卸荷問題的復(fù)雜性，卸荷巖石力學(xué)的進(jìn)一步研究及與工程實(shí)際的結(jié)合應(yīng)用中還有很多問題需要解決。

錦屏二級水電站地處雅礱江大河灣所包圍的錦屏山區(qū)，利用雅礱江150 km大河灣的天然落差截彎取直，開挖隧洞引水發(fā)電。其洞線長、洞徑大、埋深大，最大埋深可達(dá)2 500 m，隧洞處于高應(yīng)力地區(qū)，圍巖以大理巖、砂巖為主。

筆者根據(jù)錦屏二級水電站的巖體應(yīng)力變化情況，對取自該地區(qū)的大理巖巖樣進(jìn)行了單軸壓縮、常規(guī)三軸和卸荷三軸試驗(yàn)，考慮到隧洞深埋部位圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及便于與加載試驗(yàn)進(jìn)行對比，卸荷試驗(yàn)采取了與加載試驗(yàn)相同的靜水壓力初始應(yīng)力條件來獲得巖石的變形參數(shù)。通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的對比分析，得出了大理巖在加卸載條件下強(qiáng)度和變形參數(shù)的差異及變化規(guī)律。以此為錦屏二級水電站引水隧洞開挖中巖體的卸荷穩(wěn)定分析提供參考。

2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)采用美國產(chǎn)MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理依據(jù)有關(guān)國標(biāo)與規(guī)程規(guī)范[14～16]進(jìn)行。

試樣采用取自現(xiàn)場的、具有代表性的E2、E3兩組巖樣，均為淺灰色大理巖。試件尺寸為50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，含水狀態(tài)為天然風(fēng)干。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)工程區(qū)的巖體應(yīng)力分布情況，單軸壓縮試驗(yàn)按試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，在此不予贅述;三軸試驗(yàn)確定以下3種試驗(yàn)方案，其中圍壓和軸壓的加卸載速率根據(jù)規(guī)范規(guī)定的速率及比例確定。

方案Ⅰ:常規(guī)三軸全過程試驗(yàn)。試驗(yàn)方法按規(guī)程規(guī)定進(jìn)行，在此不予贅述。

方案Ⅱ:巖土工程中多數(shù)的工程活動(dòng)是在地表附近或是淺部進(jìn)行，如邊坡工程和基礎(chǔ)開挖，這種情況下的工程巖體處于三向不等應(yīng)力狀態(tài)，即σ1＞σ3。故采用以下方案模擬開挖過程中的應(yīng)力分異情況，揭示巖石的卸荷強(qiáng)度特征。具體步驟為:

(1)以0.05 MPa/s的速率施加圍壓和軸壓至預(yù)定值(10 MPa、20 MPa、40 MPa、60 MPa、80 MPa);

(2)以0.5 MPa/s的速率增加軸壓至大于單軸抗壓強(qiáng)度而低于同圍壓的三軸強(qiáng)度;

(3)以0.05 MPa/s的速率降圍壓，同 時(shí) 以0.15 MPa/s的速率升軸壓，試件破壞后停止降圍壓，并以適當(dāng)?shù)妮S向應(yīng)變速率控制繼續(xù)施加軸向應(yīng)力，直至軸向應(yīng)力不隨應(yīng)變的增加而降低時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

方案Ⅲ:由于隧洞埋深大，深埋部位可能存在靜水壓力的應(yīng)力狀態(tài)，即σ1=σ3，同時(shí)，又為了便于與加載應(yīng)力路徑的情況進(jìn)行對比，筆者采用了與加載試驗(yàn)相同的初始應(yīng)力條件進(jìn)行卸荷試驗(yàn)，用以揭示巖石的卸荷變形特征并獲得卸荷條件下的變形參數(shù)。

為盡量降低因巖石的非均勻性導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果離散，該方案中的每組試樣均采用同一個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，循環(huán)加載。由于在每級圍壓下主應(yīng)力差的增加幅度都不會超過下一級圍壓，且都處于彈性范圍內(nèi)，故循環(huán)加載對巖石的性質(zhì)不會產(chǎn)生影響，試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。具體步驟為:

(1)以0.05 MPa/s的速率施加圍壓和軸壓至預(yù)定值(10 MPa、20 MPa、40 MPa、60 MPa)，然后以0.05 MPa/s的速率降圍壓，同時(shí)以0.15 MPa/s的速率升軸壓至σ1－σ3到一定值即可，每一級軸壓加載不超過下一級圍壓;

(2)卸載軸向壓力至初始狀態(tài)，然后以0.05 MPa/s的速率施加圍壓和軸壓至80 MPa，再以0.05 MPa/s和0.15 MPa/s的速率降圍壓、升軸壓，直至試件破壞后停止降圍壓;然后以適當(dāng)?shù)妮S向應(yīng)變速率控制繼續(xù)施加軸向應(yīng)力，直至軸向應(yīng)力不隨應(yīng)變的增加而降低時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單軸試驗(yàn)結(jié)果

單軸壓縮試驗(yàn)獲得的兩組大理巖巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度和變形特性參數(shù)見表1。

表1 單軸壓縮試驗(yàn)成果表

3.2 強(qiáng)度特性分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，在加卸載條件下，該大理巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度與圍壓均成良好的線性關(guān)系(圖1)，根據(jù)規(guī)范[16]由此關(guān)系獲得的強(qiáng)度參數(shù)見表2。

圖1 加卸載條件下巖石強(qiáng)度與破壞圍壓最佳關(guān)系曲線圖[16]

表2 峰值強(qiáng)度參數(shù)表

從表2、3中可以看出:(1)在常規(guī)加載條件下，與普通的大理巖相比，兩組巖樣均具有相當(dāng)?shù)偷膬?nèi)摩擦角和較高的內(nèi)聚力，表明在較高的圍壓下，隨圍壓的升高巖石強(qiáng)度的增量逐漸降低，且內(nèi)聚力對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比較大。這種現(xiàn)象可能與這兩組大理巖中的礦物成分有關(guān)，在破裂面上均有粉末狀物質(zhì)，手觸摸染手并有滑膩感(圖2)。(2)與加載條件下的強(qiáng)度參數(shù)相比，卸荷條件下的內(nèi)聚力C降低了15.2% ～85.97%;而內(nèi)摩擦角 φ增大了4.77% ～59.78%。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)三軸試驗(yàn)主要是由軸向壓縮產(chǎn)生的剪切破壞為主，而卸荷試驗(yàn)主要是巖石的劇烈擴(kuò)容引起破壞，破壞面的張性特征更為顯著。二者相比較，后者破裂面的起伏差與粗糙度均較前者高。

圖2 試件破裂面狀況

表3 殘余強(qiáng)度參數(shù)表

抗剪強(qiáng)度是通過內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ兩個(gè)參數(shù)表征的，但從這兩個(gè)參數(shù)的對比不能直接看出加、卸載抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，故根據(jù)表2中的強(qiáng)度參數(shù)作圖，或由庫侖定律S=σtanφ+C獲得加、卸載條件下的強(qiáng)度曲線如圖3所示。從圖3中可以看出:每對加載與卸荷強(qiáng)度曲線均不平行，在較低的正應(yīng)力σ水平下，卸荷抗剪強(qiáng)度低于加載所獲(內(nèi)聚力C較低的緣故)，但卸荷條件下的抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力σ增大而增加的幅度較大(內(nèi)摩擦角φ較高的緣故)，隨著σ的增加，二者的差距逐漸減小，當(dāng)σ達(dá)到一定值后，卸荷抗剪強(qiáng)度將高于加載所獲。

圖3 加卸載條件下抗剪強(qiáng)度與關(guān)系曲線圖

3.3 變形特征及變形參數(shù)分析

3.3.1 變形特征

單軸壓縮試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4(a)所示;由方案Ⅰ得到的典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4(b)所示。從圖4中可以看出:不同的試件在不同的圍壓下表現(xiàn)出來的變形特征不同，但都表現(xiàn)為隨圍壓升高巖石的變形量增大。試驗(yàn)表明，單軸壓縮條件下，巖石試樣具有明顯的脆性特征;在低圍壓下，巖石試樣具有典型的彈塑性材料的屈服特征，屈服后經(jīng)過較大的塑性變形后產(chǎn)生宏觀破壞，至峰值后軟化到一定程度則應(yīng)力不隨應(yīng)變的增長而降低，即為巖石的殘余強(qiáng)度(圖4(b));但當(dāng)圍壓達(dá)到40 MPa后，約80%的巖石都表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征，硬化階段的變形量很大。

由方案Ⅲ得到的卸荷應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線如圖4(c)所示。從圖中可以看出，試樣在峰值前沒有強(qiáng)烈的擴(kuò)容現(xiàn)象，峰值后軟化階段發(fā)展到一定階段后產(chǎn)生宏觀破壞。同加載試驗(yàn)的結(jié)果相比，試樣破壞的脆性特征更為顯著，屈服后硬化階段的變形量較軟化階段變形量小。

圖4 在不同圍壓下的典型應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線圖

3.3.2 變形參數(shù)對比分析

考慮到圍壓σ3對巖石變形性質(zhì)的影響，文中的彈性模量和泊松比按照以下公式計(jì)算:

方案Ⅰ考慮了巖石加載的壓密階段，該方案的變形參數(shù)采用割線模量，即按以上公式計(jì)算三軸狀態(tài)下應(yīng)力差為抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的割線模量和泊松比，得到的變形參數(shù)見表4。加載條件下，在圍壓80 MPa范圍內(nèi)巖石的割線模量E隨圍壓的升高而增大，并呈良好的線性關(guān)系，說明圍壓有助于提高巖石的軸向剛度;泊松比μ隨圍壓的升高整體呈現(xiàn)增大趨勢，與圍壓也呈較好的線性關(guān)系(圖5)。

方案Ⅲ因采用一個(gè)試件進(jìn)行不同圍壓的試驗(yàn)，在反復(fù)加卸載后，巖石已被壓密，故壓密階段可不考慮;同時(shí)，由于軸向加載比較小，始終處于彈性階段，所以該方案的變形參數(shù)按照以上公式計(jì)算直線段的平均彈性模量和泊松比，得到的變形參數(shù)見表4。在初始圍壓80 MPa的范圍內(nèi)，彈性模量E和泊松比μ隨初始圍壓的升高整體呈現(xiàn)增大的趨勢，但隨著圍壓的升高增量逐漸減小(圖5)，圍壓量值范圍在80 MPa內(nèi)時(shí)，巖石的彈性模量和泊松比與初始圍壓具有較好的線性關(guān)系。

圖5 加卸載E、μ與初始圍壓關(guān)系曲線圖

從表4中可以看出，與加載條件下的變形參數(shù)相比，在相同的初始圍壓下，卸荷條件下的彈性模量E減小了14.31% ～37.37%，泊松比μ則增大了20.51% ～100%。因?yàn)樾逗蓵r(shí)圍壓降低、軸壓升高，從而側(cè)向限制作用降低，使軸向變形和橫向變形得以較快的發(fā)展。

表4 變形參數(shù)對比表

4 結(jié)語

通過上述試驗(yàn)與分析得到以下結(jié)論:

(1)在常規(guī)加載條件下，錦屏二級水電站引水隧洞圍巖中的大理巖較普通的大理巖具有相當(dāng)?shù)偷膬?nèi)摩擦角和較高的內(nèi)聚力，可能與這兩組大理巖中的礦物成分有關(guān)，有待進(jìn)一步研究確定。

(2)錦屏二級水電站引水隧洞圍巖中的大理巖在加卸載不同應(yīng)力路徑下所表現(xiàn)出的力學(xué)特性存在著較大的差異。

(3)與加載條件下的強(qiáng)度參數(shù)相比，卸荷條件下的內(nèi)聚力C降低了15.20% ～85.97%;而內(nèi)摩擦角φ增大了4.77% ～59.78%;卸荷條件下抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力增大而增加的幅度較大，較小時(shí)卸荷抗剪強(qiáng)度比加載的抗剪強(qiáng)度低。隨著σ的增加，二者的差距逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定值后，卸荷抗剪強(qiáng)度將超過加載的抗剪強(qiáng)度。

(4)單軸壓縮條件下巖石具有明顯的脆性特征;卸荷條件下巖石的脆性特征較加載下的更為顯著，其峰前硬化階段的變形量較峰后軟化階段的變形量小。

(5)在相同的初始圍壓下，與加載條件下的變形參數(shù)相比，卸荷條件下的彈性模量E減小了14.31% ～37.37%，泊松比 μ 增大了 20.51% ～100%。

[1]徐志英，主編.巖石力學(xué)(第三版)[M].北京:中國水利水電出版社，1993.

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[16]水電水利巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程，DL/T5368—2007[S].