楊艷霜， 田浩源， 程 唯， 張占榮， 董正東

(1. 湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3. 湖北固金建筑工程有限公司，湖北 武漢 430062)

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者做過(guò)大量試驗(yàn)，研究巖石在不同加載條件下的力學(xué)性質(zhì)與強(qiáng)度特征。辛亞軍等[1,2]對(duì)不同巖石進(jìn)行了分級(jí)加載壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石的應(yīng)變差、變形模量、破壞方式等與巖樣的加載方式有緊密聯(lián)系。凌建明等[3,4]對(duì)硬脆性巖石進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)，深入研究了力學(xué)試驗(yàn)對(duì)硬脆性巖石應(yīng)力應(yīng)變?cè)斐傻挠绊?，證明了細(xì)觀裂紋是導(dǎo)致硬脆性巖石破壞的最大因素。熊良宵等[5～7]對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞圍巖進(jìn)行了分級(jí)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軸向和側(cè)向兩個(gè)方向上的應(yīng)變存在明顯的各向異性，側(cè)方向更能體現(xiàn)出軸向荷載對(duì)試件產(chǎn)生的影響。劉傳孝等[8,9]對(duì)不同圍壓下的巖石進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)，研究圍壓對(duì)巖石損傷機(jī)制的影響以及調(diào)節(jié)作用。尤明慶[10,11]對(duì)硬脆性巖石展開了分級(jí)施加圍壓和軸壓的三軸壓縮試驗(yàn)，研究了圍壓和軸壓對(duì)Mohr-Coulomb強(qiáng)度參數(shù)的影響。Yuwei等[12～14]對(duì)硬脆性巖石展開分級(jí)施加軸壓和圍壓的蠕變?cè)囼?yàn)，研究應(yīng)力路徑對(duì)巖石的強(qiáng)度演化特征以及損傷演化特征，得出加載等級(jí)越高，試件的損傷在加速，巖石的強(qiáng)度相應(yīng)地降低，同時(shí)，強(qiáng)度等級(jí)還會(huì)影響巖石的脆性。Xiaolin等[15～17]采用階梯加載法對(duì)砂巖進(jìn)行了一系列蠕變?cè)囼?yàn)，研究巖石再現(xiàn)了衰減、穩(wěn)定和加速蠕變階段的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律、應(yīng)變速率以及強(qiáng)度參數(shù)特征。Karev等[18～21]對(duì)復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖石樣品進(jìn)行恒定圍壓，逐步增加軸向應(yīng)力的蠕變力學(xué)試驗(yàn)，給出了階躍加載過(guò)程中變形隨時(shí)間的變化規(guī)律，討論了建立考慮時(shí)間效應(yīng)影響的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)模型的基本要求。

綜上所述，不同圍壓條件下巖石的分級(jí)加載強(qiáng)度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)具有重要影響。上述學(xué)者對(duì)巖石分級(jí)強(qiáng)度開展了充分的研究，但對(duì)巖石材料考慮時(shí)間的較復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究還較少，因此，有必要系統(tǒng)開展不同圍壓條件下的分級(jí)加載試驗(yàn)。

本文對(duì)大理巖系統(tǒng)開展了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和不同圍壓條件下的分級(jí)加載三軸試驗(yàn)，獲得了加載歷史對(duì)巖石強(qiáng)度的影響規(guī)律，并以大理巖不同加載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變特征為切入點(diǎn)，分析了大理巖試件在不同圍壓和不同級(jí)別軸壓下的應(yīng)力-應(yīng)變特征和強(qiáng)度參數(shù)特征，分析了不同加載方式對(duì)巖石變形以及強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)巖樣選取錦屏II級(jí)水電站大理巖，根據(jù)SL/T 264—2020《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[22]，加工成直徑d=50 mm，高度h=100 mm的圓柱體。

試驗(yàn)方案如下：

(2)通過(guò)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取試樣分別做圍壓為5，10，15 MPa的分級(jí)加載三軸壓縮試驗(yàn)。其中，分級(jí)加載試驗(yàn)的第一級(jí)軸壓取常規(guī)三軸試驗(yàn)峰值強(qiáng)度的60%，即60%σf，恒定加載48 h后，以峰值強(qiáng)度σf的10%逐級(jí)遞增，且每級(jí)加載時(shí)長(zhǎng)為48 h，直至試件破壞，其應(yīng)力路徑如圖1所示。

圖1 分級(jí)加載三軸壓縮試驗(yàn)加載路徑

以60%為第一級(jí)加載的起點(diǎn)，這是由于該加載級(jí)別能夠保證巖石已經(jīng)進(jìn)入損傷階段[23]，后期加載過(guò)程必將對(duì)巖石的強(qiáng)度造成損傷，而常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果與其形成對(duì)照，可以獲得不同加載路徑對(duì)巖石強(qiáng)度特征的影響。試驗(yàn)過(guò)程中，每組取3塊試件進(jìn)行試驗(yàn)，試件分配如表1所示。

表1 試件分配

2 大理巖恒定圍壓分級(jí)加載試驗(yàn)力學(xué)特性

2.1 不同加載條件下試件破壞形態(tài)分析

如圖2，3所示，兩組試驗(yàn)中試件的破壞均呈斜截面剪切破壞。在常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中，試件沿著破裂面完全斷開，破裂面由一條裂隙逐漸發(fā)育而來(lái)，僅有一個(gè)主斷面，破裂時(shí)有少量碎屑，無(wú)明顯其他裂隙。

圖2 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)峰后試樣照片

圖3 分級(jí)加載后巖石含裂隙試樣照片

在分級(jí)加載試驗(yàn)中，以60%σf作為加載的起始點(diǎn)，該強(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)進(jìn)入巖石的起裂階段。在48 h的恒定加載中，巖石內(nèi)部的裂隙能夠及時(shí)地累積并擴(kuò)散，因此，試件除主斷面之外，沿著主斷面還有豐富的次生破裂面，并伴有大量碎屑和碎塊。

雖然兩組試驗(yàn)的巖樣在破壞形態(tài)方面存在差異，但是對(duì)兩組試驗(yàn)巖樣的破裂角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，兩組試驗(yàn)的破裂角變化不大，在60°～63°之間波動(dòng)。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變特征分析

圖4為大理巖試件在圍壓分別為5，10，15 MPa的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5為圍壓分別為5，10，15 MPa的分級(jí)加載三軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖中的“階梯式”水平線代表不同恒定加載過(guò)程中，試件在48 h內(nèi)的應(yīng)變變化。第一級(jí)水平線以60%σf進(jìn)行加載，按10%為增量依次遞增，每段水平線的加載時(shí)長(zhǎng)為48 h。

由于硫磺的特性，利用液體輔助清掃方式并不可行，因此采用壓縮空氣吹掃方式，對(duì)皮帶進(jìn)行輔助清掃。表2所列為3種吹掃方式。

圖5 分級(jí)加載三軸壓縮試驗(yàn)圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖5所示，不同圍壓條件下的分級(jí)加載試驗(yàn)中，大部分試件在經(jīng)歷3個(gè)級(jí)別加載之后達(dá)到峰值強(qiáng)度，為與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相區(qū)分，記為σc。

將兩組試驗(yàn)的峰值應(yīng)變量和殘余強(qiáng)度階段對(duì)應(yīng)的總應(yīng)變量分別列于表2，3中。分析可知：(1)兩組試驗(yàn)的應(yīng)變特征均表現(xiàn)為隨著圍壓的增加，試件在峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度處的軸向應(yīng)變及環(huán)向應(yīng)變均增大；(2)同一圍壓條件下，常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的軸向應(yīng)變要高于分級(jí)加載試驗(yàn)，筆者認(rèn)為其主要原因是對(duì)應(yīng)該應(yīng)變的軸壓大小不同，常規(guī)三軸試驗(yàn)中的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均大于分級(jí)加載試驗(yàn)，這表明巖石的第一主應(yīng)變主要受第一主應(yīng)力控制；(3)同一圍壓級(jí)別條件下，分級(jí)加載試驗(yàn)中的環(huán)向應(yīng)變顯著大于常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，這表明，較高恒載作用下，巖石材料的變形是一個(gè)不斷累積的過(guò)程，并不因?yàn)閼?yīng)力的穩(wěn)定而終止。

表2 常規(guī)三軸試驗(yàn)應(yīng)變統(tǒng)計(jì)

表3 分級(jí)加載試驗(yàn)應(yīng)變統(tǒng)計(jì)

圖6為分級(jí)加載試件的應(yīng)變速率，由圖可知：(1)分級(jí)加載試驗(yàn)在48 h恒載作用下，應(yīng)變速率數(shù)量級(jí)均為10-9/s；(2)在恒定圍壓作用下，軸向應(yīng)力σ1按照60%σf提升10%時(shí)，隨分級(jí)荷載水平的增大，應(yīng)變速率明顯加快，且隨著三級(jí)加載呈現(xiàn)出顯著的三級(jí)加速。這表明，在達(dá)到峰值強(qiáng)度前，恒載的級(jí)別越接近巖石峰值強(qiáng)度，巖石的應(yīng)變速率越大，損傷累積越快，越接近破壞。

圖6 分級(jí)加載試件的應(yīng)變速率

2.3 峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度分析

在試驗(yàn)中，分級(jí)加載壓縮試驗(yàn)的巖樣一般在第三級(jí)加載的48 h內(nèi)破壞，或經(jīng)歷48 h后加大軸壓進(jìn)入第四級(jí)加載的過(guò)程中發(fā)生破壞。將常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)所獲得的峰值強(qiáng)度與分級(jí)加載試驗(yàn)對(duì)比，并統(tǒng)計(jì)其殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比值，如表4所示。

表4 不同加載條件下試件的峰值強(qiáng)度

兩組試驗(yàn)中，一方面，在同一圍壓條件下，試件在常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中，破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度高于分級(jí)加載三軸壓縮試驗(yàn)，且試件破壞后的殘余強(qiáng)度也大于分級(jí)加載三軸壓縮試驗(yàn)，試件在分級(jí)加載試驗(yàn)中的峰值強(qiáng)度為常規(guī)三軸試驗(yàn)的80%～85%。每級(jí)加載的48 h相對(duì)于研究巖石的長(zhǎng)期變化而言是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，但是在較短時(shí)間內(nèi)巖石的強(qiáng)度就有了顯著劣化。

另一方面，從巖石的殘余強(qiáng)度角度出發(fā)，常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中巖石的殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比值較為穩(wěn)定，隨著圍壓的增加略有提升，而分級(jí)加載試驗(yàn)中，巖石的殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比值提升顯著，但在15 MPa圍壓條件下，其比值與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相當(dāng)。這表明，即便經(jīng)歷的加載路徑不同，巖石材料的殘余強(qiáng)度與其圍壓水平高度相關(guān)。

3 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)與分級(jí)加載試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)特征分析

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則廣泛用于巖土工程領(lǐng)域，是巖體力學(xué)中經(jīng)典的強(qiáng)度理論之一。以一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)主應(yīng)力表示時(shí)，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的表達(dá)式可表達(dá)為[24]：

σ1=M+Kσ3

(1)

M=2ccosφ/(1-sinφ)

(2)

K=(1+sinφ)/(1-sinφ)=tan2(45°+φ/2)

(3)

α=45°+φ/2

(4)

式中：M為單軸壓縮下，大理巖完全剪切破壞時(shí)的強(qiáng)度；K為圍壓對(duì)軸向承載力的影響系數(shù)；c為粘聚力；σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；φ為摩擦角；α為傾角。

圖7為峰值強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)圍壓的曲線圖，峰值強(qiáng)度取三組巖樣的平均值，對(duì)其進(jìn)行線性擬合得到常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和分級(jí)加載壓縮試驗(yàn)的σ1-σ3關(guān)系為：

圖7 σ1-σ3曲線

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)：

σ1=3.73σ3+141

(5)

分級(jí)加載壓縮試驗(yàn)：

σ1=4.12σ3+121

(6)

兩組試驗(yàn)的K值分別為3.73，4.12。分級(jí)加載試驗(yàn)的K值較大，圍壓對(duì)分級(jí)加載試驗(yàn)的影響大于常規(guī)三軸試驗(yàn)。這表明，加載的應(yīng)力路徑對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響明顯。

根據(jù)常規(guī)和分級(jí)加載三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，可以獲得其c，φ值如表5所示。

表5 試件的強(qiáng)度特征指標(biāo)

對(duì)比兩組試驗(yàn)結(jié)果可知，分級(jí)加載試驗(yàn)的c值比常規(guī)三軸試驗(yàn)的小，而φ值較大。試件的粘聚力c只有常規(guī)三軸試驗(yàn)的82%，對(duì)應(yīng)其分級(jí)加載試驗(yàn)時(shí)巖樣破壞的強(qiáng)度較低。另一方面，粘聚力c的減小，使得試件更易形成裂紋。

巖石的承載力是由粘聚力c與內(nèi)摩擦力σtanφ組成的，由于c值的降低和φ值增大，使得分級(jí)加載試驗(yàn)試件破壞時(shí)的強(qiáng)度較低而破壞程度更大。兩組試驗(yàn)理論破壞傾角分別為62.58°，63.43°，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際破壞的角度大致一致。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)大理巖系統(tǒng)的力學(xué)試驗(yàn)，研究了大理巖在常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)及分級(jí)加載試驗(yàn)的力學(xué)性質(zhì)，獲得主要結(jié)論如下：

(1)在分級(jí)加載三軸壓縮試驗(yàn)中，同一圍壓級(jí)別下，巖石強(qiáng)度較常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)有明顯的降低，大致為常規(guī)三軸試驗(yàn)的80%。對(duì)應(yīng)分級(jí)加載試驗(yàn)中粘聚力c降低且僅為常規(guī)三軸試驗(yàn)的80%左右，而摩擦角增加。

(2)分級(jí)加載試驗(yàn)的殘余強(qiáng)度隨著圍壓的提高，與峰值強(qiáng)度的比值也不斷提高，且在圍壓為15 MPa時(shí)，其比值與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相當(dāng)。

(3)分級(jí)加載壓縮試驗(yàn)中，同一圍壓條件下，試件的應(yīng)變速率分布在10-9/s這一量級(jí)中，且隨著軸壓級(jí)別的提升，其應(yīng)變速率呈現(xiàn)出顯著的增大。