黃小晴 張庭風(fēng) 王小平 許曉亮 王樂(lè)華

(三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))， 湖北 宜昌 443002)

隨著地下空間的廣泛利用，地下工程洞室圍巖的安全穩(wěn)定越來(lái)越備受重視，其中圍巖支護(hù)共同體是保障地下洞室圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵[1]．混凝土由于其低成本、高性能的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于隧道、巷道的圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)中，與圍巖結(jié)合成為整體共同提供支護(hù)抗力．在實(shí)際工程中，圍巖支護(hù)共同體不僅受到靜態(tài)荷載的影響，也還受到爆破、開(kāi)挖等施工擾動(dòng)產(chǎn)生的周期性循環(huán)荷載的影響．因此，研究周期性循環(huán)加卸載條件下，巖石-初襯混凝土的力學(xué)特性、破壞形態(tài)及能量損傷演化對(duì)洞室開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性與二襯最佳施作時(shí)機(jī)具有重要意義．

針對(duì)地質(zhì)體與工程體的巖石-混凝土(巖-砼)復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者研究其界面接觸和斷裂特性[2-4]．Shen等[5]通過(guò)界面斜剪試驗(yàn)，探究表面粗糙度和親水性對(duì)混凝土-花崗巖界面粘結(jié)性能的影響．Dong等[6]研究蠕變下巖石-混凝土界面的斷裂特性，提出了一種能量斷裂準(zhǔn)則．劉海峰等[7]對(duì)礁灰?guī)r-混凝土界面進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，探究樁-巖界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線變化規(guī)律．王明年等[8]開(kāi)展混凝土-巖石界面剪切力學(xué)特性試驗(yàn)，探明隧道內(nèi)初期支護(hù)混凝土的溫變周期，對(duì)比分析試樣剪切破壞模式，建立考慮溫度損傷效應(yīng)的巖石-混凝土界面剪切本構(gòu)模型．針對(duì)巖石-混凝土復(fù)合材料，目前的研究主要集中在剪切力學(xué)特性與界面接觸特性，少量研究者對(duì)巖石-混凝土復(fù)合試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度等特性的研究[9-10]．項(xiàng)偉等[11]通過(guò)凍融循環(huán)、三軸壓縮等試驗(yàn)研究巖石-噴射混凝土組合試樣的宏觀力學(xué)性質(zhì)及微觀破壞機(jī)制，揭示其破壞模式準(zhǔn)則．Selcuk等[12]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)探討了巖石-混凝土復(fù)合試件的強(qiáng)度和破壞行為以及界面傾斜角度對(duì)復(fù)合層強(qiáng)度和損傷模式的影響規(guī)律．在地下工程施工中，圍巖除了承受由開(kāi)挖后應(yīng)力調(diào)整產(chǎn)生的附加應(yīng)力外，還會(huì)受后續(xù)開(kāi)挖中多次爆破、機(jī)械鑿巖和礦震等產(chǎn)生的荷載作用，這些往復(fù)荷載的發(fā)生具有一定的周期性[13]．對(duì)此，段會(huì)強(qiáng)[14]把類似周期性采動(dòng)應(yīng)力簡(jiǎn)化為周期性荷載，深入研究煤巖在周期荷載作用下的疲勞破壞特性，探討煤巖疲勞破壞的機(jī)理及前兆特征．張闖等[15]利用GCTS巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)掌子面處的頁(yè)巖試件在循環(huán)軸向應(yīng)力和循環(huán)圍壓下滲透率的演化規(guī)律開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究．

巖石破壞的根本原因是在外界能量驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生不可逆的能量耗散，導(dǎo)致其內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)展，最終裂隙貫通形成宏觀破壞[16]．近年來(lái)，也有眾多學(xué)者從能量的角度去分析巖石的破壞機(jī)理[17-19]．張志鎮(zhèn)等[20]分析紅砂巖的彈性能和耗散能隨應(yīng)力的演化及分配規(guī)律，得出巖石的彈性能密度-應(yīng)力曲線能夠反映材料固有性質(zhì)的結(jié)論．宮鳳強(qiáng)等[21-22]發(fā)現(xiàn)巖石張拉破壞過(guò)程中彈性能、耗散能與總輸入能之間存在線性函數(shù)關(guān)系，得出線性儲(chǔ)能和耗能規(guī)律．劉之喜等[23]基于砂巖彈性能的演化分析發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)對(duì)彈性能的影響較小，彈性能演化服從線性儲(chǔ)能規(guī)律．

如前所述，圍巖支護(hù)共同體易受到施工及運(yùn)行期的各類循環(huán)荷載擾動(dòng)，但目前的研究主要集中于靜載下的巖-砼復(fù)合材料抗剪、抗壓力學(xué)特性與界面接觸特性等方面，相應(yīng)的疲勞力學(xué)特性與能量演化規(guī)律仍有待進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)．為此，本文以四川卡拉水電站地下廠房為工程背景，結(jié)合洞室圍巖-初襯結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)分析和概化施工過(guò)程中的荷載來(lái)源，開(kāi)展了兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土與巖石復(fù)合試件的單軸循環(huán)荷載疲勞試驗(yàn)，分析巖-砼復(fù)合試件的疲勞力學(xué)特性與破壞特征，揭示復(fù)合試件破壞過(guò)程的能量演化規(guī)律．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣制作

本次試驗(yàn)所用的巖石取自于四川卡拉水電站的砂質(zhì)板巖，呈灰褐色，密度約為2.68 g/m3，波速約為2.8 km/s．根據(jù)文獻(xiàn)[24-25]配制了兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其配合比見(jiàn)表1．

表1 單位體積下混凝土配合比

粗骨料采用最大粒徑不超過(guò)10 mm級(jí)配良好的碎石，細(xì)骨料為普通中砂河砂，水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5普通硅酸鹽水泥，水為自來(lái)水．現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)，卡拉水電站地下廠房巖層主要傾角多接近于50°～60°，在巖-砼復(fù)合試件的制作中，將巖石沿與水平面成55°夾角切割，并將巖石切割面鑿毛處理，以使其與混凝土更好地粘合，粘合之前對(duì)巖石浸泡24 h，使其充分濕潤(rùn)以減小對(duì)混凝土樣水分的吸收．制成的復(fù)合試件如圖1所示．

圖1 巖-砼復(fù)合試件圖

巖石試件、混凝土試件、復(fù)合試件均按照文獻(xiàn)[26]制作為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱形試樣，試件上、下兩端面的不平整度小于0.01 mm，上、下直徑差在0.02 mm以內(nèi)．復(fù)合試件制作過(guò)程中，首先在50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)模具內(nèi)壁刷上機(jī)油以便脫模，把飽和后的巖石放入其中，最后向模具中澆筑混凝土，并放振搗臺(tái)上振動(dòng)2 min使混凝土充分密實(shí)．待試件制作完成后，在室溫條件下澆水養(yǎng)護(hù)24 h后脫去模具，再繼續(xù)澆水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到28 d后，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)．試驗(yàn)試件共30個(gè)，按照混凝土強(qiáng)度等級(jí)分為2組，每組復(fù)合試件各15個(gè)．

1.2 試驗(yàn)儀器與方案

1)試驗(yàn)儀器

此次試驗(yàn)采用RTR-1500高溫高壓巖石測(cè)試儀器，試驗(yàn)儀器如圖2所示．該儀器是一套閉環(huán)數(shù)字伺服控制裝置，用于簡(jiǎn)便快速的進(jìn)行巖石試樣單、三軸實(shí)驗(yàn)，最大軸壓為1 500 kN，精度為0.25%pfs．

圖2 試驗(yàn)儀器圖

2)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用應(yīng)力上下限控制方式，加卸載應(yīng)力路徑如圖3所示，每次加載至試件應(yīng)力上限值σmax，卸載到應(yīng)力下限值σmin為一個(gè)循環(huán)周期，待一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)加卸載，直至試件發(fā)生破壞．若試件未發(fā)生破壞時(shí)循環(huán)至40次停止試驗(yàn)．試驗(yàn)加載速率為0.1 MPa/s，卸載速率為0.5 MPa/s．結(jié)合卡拉水電站施工方案，設(shè)計(jì)了4種循環(huán)應(yīng)力水平分別為單軸壓縮峰值強(qiáng)度σ的65%、75%、85%、90%，經(jīng)計(jì)算各上限應(yīng)力水平數(shù)值見(jiàn)表2，循環(huán)應(yīng)力下限取2 MPa．

表2 循環(huán)上限應(yīng)力水平 (單位：MPa)

圖3 單軸循環(huán)加卸載應(yīng)力路徑圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

5種試件的單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示．

圖4 單軸荷載試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4可知，5種應(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷4個(gè)階段，空隙壓密階段，彈性變形階段，塑性變形階段和破壞階段．第1階段中試件的原生微裂隙被壓密，因此縱向變形較大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型上升；第2階段為試件的微裂隙處于穩(wěn)定發(fā)展階段，因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似于直線上升；達(dá)到屈服點(diǎn)后，試件進(jìn)入第3階段，此時(shí)試件內(nèi)部的微裂隙發(fā)展貫通，軸向應(yīng)變迅速增大；經(jīng)過(guò)峰值強(qiáng)度后試樣進(jìn)入第4階段，試件發(fā)生破壞．

對(duì)砂質(zhì)板巖試件、砼-A試件、巖-砼復(fù)合試件A(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合A)、砼-B試件、巖-砼復(fù)合試件B(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合B)進(jìn)行單軸荷載壓縮試驗(yàn)，測(cè)得的單軸抗壓強(qiáng)度分別為94.45、41.68、46.01、53.70、66.48 MPa．與砼-A、砼-B試件比較，復(fù)合A、復(fù)合B的抗壓強(qiáng)度隨砼強(qiáng)度的增大而提高，增大幅度分別為10.4%和23.8%．復(fù)合試件的抗壓強(qiáng)度均在巖石的抗壓強(qiáng)度和砼的抗壓強(qiáng)度之間，且更接近于砼的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明復(fù)合試件的抗壓強(qiáng)度是由抗壓強(qiáng)度較低的一方?jīng)Q定．

2.2 單軸循環(huán)荷載應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到試件在不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)見(jiàn)表3．

表3 不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)

結(jié)合表3和試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)中破壞試樣共有4種，分別為復(fù)合A的85%應(yīng)力水平和90%應(yīng)力水平，復(fù)合試件B的85%應(yīng)力水平和90%應(yīng)力水平，相應(yīng)的破壞強(qiáng)度分別為38.47、40.86、55.79和56.9 MPa，破壞強(qiáng)度均低于其循環(huán)上限應(yīng)力水平．其余試樣為未破壞試樣．循環(huán)荷載試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示．由圖5可知，試件的軸向應(yīng)變隨著循環(huán)應(yīng)力水平的提高而逐漸增大．對(duì)于破壞試樣，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“稀疏-緊密-稀疏”的形態(tài)，而未破壞試樣只有“稀疏-緊密”的形態(tài)．

圖5 循環(huán)荷載試驗(yàn)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

當(dāng)復(fù)合試樣的軸向應(yīng)力加載至不同應(yīng)力水平后，卸載時(shí)，發(fā)現(xiàn)卸載曲線與加載曲線不重合，而是始終低于加載曲線，復(fù)合試樣的彈性變形會(huì)因應(yīng)力的卸載而恢復(fù)，而塑性變形則會(huì)殘留下來(lái)，表明復(fù)合試樣在加載過(guò)程中彈性變形和塑性變形同時(shí)產(chǎn)生，當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行下一階段加載時(shí)，再加載曲線和上一階段卸載曲線相交，形成一個(gè)封閉的滯回環(huán)，且循環(huán)應(yīng)力上限值越大，滯回環(huán)的形狀越細(xì)長(zhǎng)．隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的位置逐漸向右移動(dòng)．這是因?yàn)樵嚇颖旧泶嬖谠S多原生微裂隙，在循環(huán)荷載的反復(fù)加卸載作用下原生微裂隙相鄰破裂面的摩擦阻力逐漸減小，原生微裂隙逐漸被壓密，變形不斷累積而使應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸右移．

2.3 循環(huán)次數(shù)-變形分析

圖6～7分別為不同應(yīng)力水平下軸向壓縮應(yīng)變、永久應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖．可以看出，復(fù)合A和復(fù)合B的軸向壓縮應(yīng)變和軸向永久應(yīng)變均隨著應(yīng)力水平的提高而增大．軸向壓縮應(yīng)變和軸向永久應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)非常相似．對(duì)于未破壞試樣，曲線分為兩個(gè)階段：上升階段和穩(wěn)定階段．這是因?yàn)樵诔跗诩虞d過(guò)程中，試樣內(nèi)部原生裂隙被壓密．隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的內(nèi)部裂隙和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷改變，試樣的結(jié)構(gòu)慢慢達(dá)到穩(wěn)定，從而曲線趨于平穩(wěn)．而對(duì)于破壞試樣，曲線呈“S”形發(fā)展，試樣初次加載和試樣臨近破壞時(shí)，軸向壓縮應(yīng)變和軸向永久應(yīng)變均增大，這也與圖5中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的稀疏有了良好的對(duì)應(yīng)，說(shuō)明試樣存在原生微裂隙，試樣破壞前產(chǎn)生的裂紋較大．

圖6 不同應(yīng)力水平下軸向壓縮應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖

圖7 不同應(yīng)力水平下軸向永久應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖

比較復(fù)合A、復(fù)合B試件的軸向壓縮應(yīng)變曲線可知：在前4次循環(huán)中，不同應(yīng)力水平下的軸向壓縮應(yīng)變均在增大，且首次循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)變最大，此后應(yīng)變?cè)隽恐饾u減小．而對(duì)比復(fù)合A、復(fù)合B的不同應(yīng)力水平的軸向壓縮應(yīng)變可知，當(dāng)同種試件應(yīng)力水平較小時(shí)，循環(huán)過(guò)程中軸向壓縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢，經(jīng)過(guò)40次循環(huán)后復(fù)合試件雖未破壞，但軸向壓縮應(yīng)變?nèi)猿掷m(xù)累積；隨著應(yīng)力水平的逐漸增大，試樣軸向應(yīng)變加快發(fā)展，說(shuō)明應(yīng)力水平的提高會(huì)增大試件的變形．同理，軸向永久應(yīng)變曲線也存在上述規(guī)律．對(duì)比復(fù)合A、復(fù)合B的軸向壓縮應(yīng)變曲線和軸向永久應(yīng)變曲線圖可知，在同一應(yīng)力水平下，軸向永久應(yīng)變值均低于軸向壓縮應(yīng)變值，這說(shuō)明試件存在卸荷回彈，綜合試驗(yàn)結(jié)果和曲線圖可知回彈量先增大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件的裂隙被壓密，回彈量慢慢達(dá)到穩(wěn)定．

2.4 復(fù)合試件破壞特征分析

為研究單軸壓縮和單軸循環(huán)荷載作用下試樣的破壞特征，選取典型破壞試樣．圖8給出了復(fù)合試件變形破壞圖及裂紋素描圖，圖中上半部分代表砼體，下半部分代表巖體，粗實(shí)線代表貫通、延伸較長(zhǎng)的控制性破壞裂紋，細(xì)實(shí)線代表張開(kāi)度較小、延伸較短的次生裂紋．

圖8 復(fù)合試件變形破壞及裂紋素描圖

復(fù)合試樣在單軸壓縮和單軸循環(huán)條件下的破壞模式以劈裂和局部剪切破壞為主，二者的接觸面均產(chǎn)生了剪切破壞．在單軸壓縮條件下，復(fù)合A和復(fù)合B試樣以砼體形成貫通豎向裂紋破壞為主，巖體底部出現(xiàn)較少裂紋，其巖-砼界面也發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，但錯(cuò)動(dòng)量較?。灰虼?，試件失去承載力后，沒(méi)有形成貫通的裂縫，破裂現(xiàn)象不明顯相對(duì)完整．隨著單軸應(yīng)力水平的增加，復(fù)合B的破壞程度明顯比復(fù)合A的破壞程度大，砼體中控制性裂紋和次生裂紋較長(zhǎng)，砼體粉碎性程度較高，有局部的剝落破壞．

在單軸循環(huán)荷載條件下，復(fù)合A、復(fù)合B試樣的砼體均被貫穿，沿著巖-砼交界面發(fā)生滑移破壞，巖-砼界面錯(cuò)動(dòng)較大．與復(fù)合A比較，復(fù)合B砼體出現(xiàn)的裂紋延伸較長(zhǎng)，控制性破壞裂紋直接貫穿巖體．與單軸壓縮相比，循環(huán)荷載作用下的試件破壞更為明顯，循環(huán)荷載會(huì)促使試樣內(nèi)部微裂紋和微缺陷擴(kuò)展和貫通，滋生更多的微節(jié)理．在軸向壓力的作用下，試樣裂隙將沿著這些微節(jié)理發(fā)育，從而產(chǎn)生更大的破壞，造成循環(huán)加載和單調(diào)加載條件下破壞形態(tài)的差異性[27]．

3 循環(huán)荷載下巖-砼復(fù)合試件能量演化規(guī)律

3.1 能量演化計(jì)算原理與方法

試件的變形破壞和損傷可以用能量法來(lái)定量分析．由熱力學(xué)定律可知，在一個(gè)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中，既有能量的吸收、儲(chǔ)存及釋放，也有能量的轉(zhuǎn)化[22]．巖-砼試件的循環(huán)加卸載，本質(zhì)上是巖-砼與外界的能量交換過(guò)程．當(dāng)試件開(kāi)始被加載時(shí)，加載裝置給試件的機(jī)械能和與試件摩擦產(chǎn)生的少量熱能，被輸入到試件中．被輸入的能量一部分轉(zhuǎn)化為可恢復(fù)變形的彈性變形能，另一部分是塑性變形時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性變形能．隨著循環(huán)次數(shù)的增加，更多的能量被儲(chǔ)存，內(nèi)部損傷積累到一定閾值，儲(chǔ)存的能量以動(dòng)能的形式釋放，最終試件被破壞．

能量密度計(jì)算示意圖如圖9所示，為了便于計(jì)算和分析，假設(shè)在循環(huán)加卸載過(guò)程中，試件與外界的熱交換被忽略，由能量守恒定律[16]可知：

式中：U為總輸入能量；Ue為彈性能；Ud為耗散能．

圖9 循環(huán)加卸載試樣能量密度計(jì)算示意圖

圖中：σ′為循環(huán)上限值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；ε′為循環(huán)上限值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；σ″為循環(huán)下限值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；ε″為循環(huán)下限值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變．

3.2 能量演化規(guī)律

根據(jù)單軸循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算循環(huán)過(guò)程中單位體積下的各類能量密度，但因篇幅限制，表4僅列出了復(fù)合A的65%應(yīng)力水平和復(fù)合B的85%應(yīng)力水平下試樣的能量密度計(jì)算值．

表4 循環(huán)過(guò)程中單位體積下的各類能量密度(單位：J·mm-3)

結(jié)合表4和單軸循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，為了更清楚地認(rèn)識(shí)各類能量密度與循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，分別繪制了循環(huán)過(guò)程中不同強(qiáng)度復(fù)合試件的總輸入能密度、彈性應(yīng)變能密度、耗散能密度隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系曲線圖，分別如圖10～11所示．

結(jié)合表4和圖10～11可知，巖-砼復(fù)合試件在循環(huán)加卸載條件下的能量響應(yīng)呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

1)在第一次加卸載循環(huán)中，總輸入能密度和耗散能密度變化明顯較大，這是因?yàn)榛炷林惺优c石子之間存在作用力，在加卸載過(guò)程中，需要更多的能量把試樣中較大的裂隙壓密．

2)從第二次循環(huán)開(kāi)始，總輸入能密度和耗散能密度變化總體趨于漸進(jìn)趨勢(shì)．對(duì)于未破壞試樣，在40次的循環(huán)過(guò)程中，加載過(guò)程中的總輸入能、耗散能均迅速減小并趨于穩(wěn)定．

3)對(duì)于破壞試樣，前期循環(huán)過(guò)程中總輸入能密度和耗散能密度變化規(guī)律與未破壞試樣的一致，但在臨近破壞時(shí)，總輸入能密度和耗散能密度出現(xiàn)了明顯突變．以復(fù)合B的85%應(yīng)力水平為例，加載到第7次時(shí)，耗散能密度為1.52 J·mm-3；加載到第8次時(shí)，耗散能密度為1.53 J·mm-3，增幅為0.3%；到第9次時(shí)，突增至1.77 J·mm-3，增幅為15.9%．說(shuō)明試樣內(nèi)部裂紋發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展、連通、摩擦滑移等，需要消耗大量能量．因此，通過(guò)能量密度的變化可以預(yù)測(cè)試樣的破壞．

圖10 復(fù)合A試件各類能量密度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖11 復(fù)合B試件各類能量密度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

對(duì)比復(fù)合A、復(fù)合B的不同應(yīng)力水平下的總輸入能密度曲線和耗散能密度曲線，可以發(fā)現(xiàn)在前4次循環(huán)中能量密度的變化較大，這一結(jié)果與圖6～7的前4次軸向壓縮應(yīng)變和軸向永久應(yīng)變規(guī)律有良好的一致性．隨著循環(huán)次數(shù)的增加，卸載過(guò)程中釋放的彈性應(yīng)變能密度并非是恒定的常數(shù)，其值存在波動(dòng)但波動(dòng)的幅度不大．對(duì)于破壞試樣，首次循環(huán)是耗散應(yīng)變能占主導(dǎo)地位，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣吸收的能量大部分轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存于其內(nèi)部，彈性應(yīng)變能占吸收總能量的80%～85%，儲(chǔ)存于試樣內(nèi)部．因試件中微裂隙起裂和擴(kuò)展需要消耗的能量增多，彈性應(yīng)變能雖然持續(xù)增加，但在總能量中的占比下降到70%～80%，而耗散應(yīng)變能占比逐漸增加．等到試樣破壞時(shí)，儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能快速釋放，轉(zhuǎn)變?yōu)楹纳?yīng)變能，但最終還是彈性應(yīng)變能占主導(dǎo)地位．而對(duì)于未破壞試樣，首次循環(huán)與破壞試樣一致，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，彈性應(yīng)變能一直處于主導(dǎo)地位，占吸收總能量的90%～95%．

3.3 儲(chǔ)能規(guī)律分析

宮鳳強(qiáng)等[23-24]在考慮巖石任意加卸載過(guò)程中能耗特性的基礎(chǔ)上，得到了線性儲(chǔ)能規(guī)律，其表達(dá)式為：

Ue=aU+b

式中：Ue為巖石循環(huán)過(guò)程中彈性能；U為任意應(yīng)力水平下的總輸入能；a、b為擬合參數(shù)．

對(duì)復(fù)合A的單軸循環(huán)加卸載全過(guò)程的第3、第5、第9次產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能密度與總輸入能密度進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖12所示．從圖12可見(jiàn)，第3、第5、第9次加卸載過(guò)程中的彈性能密度與總能量密度呈一次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，表明巖-砼復(fù)合試件在單軸循環(huán)過(guò)程中也呈現(xiàn)出線性儲(chǔ)能規(guī)律．

圖12 復(fù)合A試件循環(huán)過(guò)程中彈性能密度與總輸入能密度關(guān)系

4 結(jié) 論

以巖-砼復(fù)合體為研究對(duì)象，運(yùn)用RTR-1500高溫高壓巖石測(cè)試儀，開(kāi)展了不同應(yīng)力上限水平條件下的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)得出巖-砼復(fù)合試件抗壓強(qiáng)度均在巖石抗壓強(qiáng)度和砼抗壓強(qiáng)度之間，且更接近于砼的抗壓強(qiáng)度，復(fù)合試件的抗壓強(qiáng)度主要由抗壓強(qiáng)度較低的材料所決定．

2)在循環(huán)加卸載過(guò)程中，加卸載曲線形成細(xì)長(zhǎng)狀滯回環(huán)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回曲線的分布發(fā)生疏密變化，并向應(yīng)變?cè)龃蟮姆较蛞苿?dòng)；巖-砼復(fù)合試樣在單軸壓縮和單軸循環(huán)條件下的破壞模式均沿著巖-砼交界面出現(xiàn)剪切破壞，但后者的界面錯(cuò)動(dòng)較前者大，試樣破碎程度更高，且后者在較高的應(yīng)力水平下，巖體端部呈現(xiàn)出現(xiàn)了張拉破壞特點(diǎn)．

3)在循環(huán)加載過(guò)程中(破壞前)，彈性應(yīng)變能占主導(dǎo)地位，且不斷吸收達(dá)到其儲(chǔ)能極限，當(dāng)臨近破壞時(shí)，彈性應(yīng)變能釋放，總輸入能和耗散能出現(xiàn)了明顯突增，說(shuō)明試樣內(nèi)部裂紋發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展、連通、摩擦滑移等，消耗了大量能量，因此可以通過(guò)能量的變化預(yù)測(cè)試樣的破壞．

4)在單軸循環(huán)加卸載全過(guò)程中，巖-砼復(fù)合試樣與巖石試樣類似，其彈性能密度與總能量密度呈線性關(guān)系．