李均奕,王 偉,曹亞軍,陳超維,朱其志

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098)

地下工程中,應力狀態(tài)變化路徑對圍巖力學特性的影響顯著,如隧道圍巖在開挖過程中,圍巖所處的應力狀態(tài)十分復雜,在某些情況下圍巖在一個方向上應力處于卸荷狀態(tài),另一方的應力處于加荷或卸荷狀態(tài),不同應力狀態(tài)變化路徑下的巖石力學特性不同,同時由于巖石內部往往存在一定的孔隙水,孔隙水壓力與巖石變形之間存在相互動態(tài)耦合。因此,研究水-力耦合條件下不同卸荷應力路徑對巖石力學特性的影響十分重要。

目前,很多學者從不同角度對巖石在卸荷條件下的力學特性進行了研究,葉洲元等[1]通過砂巖在復雜應力路徑下的三軸試驗,分析了砂巖在復雜應力狀態(tài)下的強度、變形特性及其應變能隨應力路徑的變化規(guī)律;雷濤等[2]對礦石進行了連續(xù)卸荷開挖試驗,結果表明,在卸荷試驗過程中,巖石的黏聚力與內摩擦角等參數(shù)逐漸降低;Li等[3]通過對砂巖進行不同條件下的三軸卸荷試驗,研究了裂隙巖體在卸荷過程中的力學特性;黃達等[4]對高應力下脆性巖石進行了不同條件下的三軸卸荷試驗,結果表明,高應力下脆性巖石在卸荷過程中呈現(xiàn)較為顯著的應變強化特性,同時給出了卸荷條件下參數(shù)的數(shù)值計算方法;趙航[5]對深部大理巖進行的三軸卸荷試驗結果表明,卸荷試驗比加載試驗更易引起巖石的破壞,巖石破壞發(fā)生時,試件的側向變形更為劇烈,同時發(fā)現(xiàn)在峰值點開始卸荷條件下的破壞更加劇烈;Zhang等[6]通過進行一系列的卸荷試驗研究了加卸載條件下巖體的應力-應變關系,分析了巖石在卸荷條件下的力學特性;Wang等[7]進行了三軸試驗和恒軸壓卸圍壓試驗,結果表明,在卸荷條件下,巖石強度較為脆弱,破壞時損傷較大,初始圍壓越大,越容易發(fā)生卸載破壞;Li等[8-9]通過對巖石開展三軸加卸載試驗,研究了巖石在卸荷條件下的力學特性;李地元等[10]發(fā)現(xiàn)相對于常規(guī)三軸試驗,恒軸壓卸圍壓試驗黏聚力降低24.21%,內摩擦角增大16.71%,而加軸壓卸圍壓路徑黏聚力增大10.25%,內摩擦角減少6.64%,表明在恒軸壓卸圍壓試驗中巖石抗破壞的主控因素為摩擦力,而在加軸壓卸圍壓路徑中為黏聚力;陳秀銅等[11]進一步研究了水壓影響下的卸荷試驗,通過對高圍壓、高水壓下的巖石進行試驗,得出有水壓卸荷對巖石強度的影響比無水壓卸荷要大的結論,有水壓卸荷,水削弱了圍壓對巖石的影響;鄧華鋒等[12]在研究水-巖作用對巖石的影響中發(fā)現(xiàn),水-巖作用過程中,砂巖的三軸卸荷強度和抗剪強度總體呈先陡后緩的劣化趨勢;王偉等[13]對花崗巖巖樣進行了滲透試驗并給出了巖石滲流-應力耦合的擬合函數(shù),表明了花崗巖滲透率和體積應變之間的關系。綜上,目前國內外對于考慮水-力耦合三軸卸荷試驗的研究并不多見,特別是針對不同卸荷路徑下水-力耦合的砂巖應力-應變特征與力學特性的研究。

本文結合某隧道工程圍巖的卸荷應力狀態(tài),設計了恒軸壓卸圍壓以及加軸壓卸圍壓兩種應力路徑,以砂巖為研究對象,開展不同滲透壓力和不同卸荷路徑耦合作用下室內巖石卸荷力學特性研究,并分析了不同卸荷路徑下的砂巖水-力耦合力學特性。

1 試驗方法

1.1 試驗巖樣與試驗儀器

試驗對象為紅砂巖,質地由均勻的砂礫組成,顏色為暗紅色。經(jīng)過對該紅砂巖進行測量,其平均含水率為3%,密度為2.41g/cm3。根據(jù)SL 264—264《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》和GBT50266—2013《工程巖體試驗方法標準》,最終將巖塊加工為直徑為50mm、高度為100mm的標準圓柱體試樣,如圖1所示。試驗采用的儀器為中國科學院武漢巖土力學研究所開發(fā)的巖石多場耦合三軸儀,如圖2所示。

圖1 試驗巖樣

圖2 三軸試驗儀

1.2 試驗方案

恒軸壓卸圍壓以及加軸壓卸圍壓兩種不同卸荷路徑如圖3所示,具體試驗方案如下:①常規(guī)三軸試驗。卸荷點為常規(guī)三軸試驗破壞時強度的75%。為提供對比,引入一組常規(guī)三軸試驗數(shù)據(jù),試驗數(shù)據(jù)采用同種巖樣進行常規(guī)三軸試驗得到,見表1(表中σ3為初始圍壓,pw為滲透壓力)。②恒軸壓卸圍壓路徑試驗。將軸壓升至該圍壓條件下巖石常規(guī)三軸試驗破壞時強度的75%,保持軸壓不變,開始卸載圍壓,至試樣發(fā)生破壞為止,試驗初始預設壓力值見表2(表中σ1為軸壓)。③加軸壓卸圍壓路徑試驗。將軸壓加載至相同圍壓條件下巖石極限強度的75%,然后在增加軸壓的同時卸載圍壓,在卸載圍壓過程中需保持平均應力基本不變,直到試樣發(fā)生破壞為止。試驗初始預設壓力值見表3。

表1 常規(guī)三軸試驗數(shù)據(jù)

表2 恒軸壓卸圍壓路徑預設壓力值

表3 加軸壓卸圍壓路徑預設壓力值

圖3 應力路徑

2 試驗結果分析

2.1 不同應力路徑變形特征分析

表4 卸荷試驗結果

圖4 2種路徑下的偏壓-應變關系

2.2 滲透壓力影響分析

2.2.1 恒軸壓卸圍壓路徑

圖5為恒軸壓卸圍壓路徑試驗在相同初始圍壓不同滲透壓力的應力-應變曲線對比,圖6為不同滲透壓力卸荷段的圍壓-應變關系曲線。

圖5 恒軸壓卸圍壓路徑不同滲透壓力應力-應變全階段關系曲線

圖6 恒軸壓卸圍壓路徑不同滲透壓力卸荷階段圍壓-應變曲線

從圖5可以看出,當初始圍壓相同、滲透壓力不同時,在卸荷階段,隨著圍壓的逐漸降低,巖石的軸向應變在初期降低速率較小,在巖石接近破壞圍壓時,軸向應變降低速率增大。從圖6可以看出,滲透壓力越大破壞時的圍壓越大;同時滲透壓力越小,在卸荷初期巖石的軸向應變增長速率越小。這主要是在相同條件下,隨著滲透壓力的減小,巖石的有效圍壓增大,此時對巖石的變形有著較好的約束作用,所以軸向應變增長速率較小;軸向應變相同時,滲透壓力越大,圍壓減小值越小。以初始圍壓為10MPa為例,當軸向應變?yōu)?0-3時,滲透壓力為0所對應的圍壓減小量為2.03MPa,滲透壓力為3MPa所對應的圍壓減小量為1.42MPa,滲透壓力為5MPa所對應的圍壓減小量為0.66MPa,這主要是由于滲透壓力越大,降低單位圍壓后的有效圍壓越小,則產(chǎn)生相同軸向應變條件下所需要降低的圍壓越小。當圍壓減小至相同時,滲透壓力越大,巖石的軸向應變越大。以圍壓為10MPa為例,當圍壓降低1MPa時,滲透壓力為0所對應的軸向應變?yōu)?.27×10-3,滲透壓力為3MPa所對應的軸向應變?yōu)?.53×10-3,滲透壓力為5MPa所對應的軸向應變?yōu)?.91×10-3。可以看出,相同圍壓卸載量條件下,滲透壓力越大,產(chǎn)生的軸向應變越大。這是由于卸載相同的圍壓后,滲透壓力越大,有效圍壓越小,則對巖石變形的約束作用就越小,則產(chǎn)生的軸向應變就越大。在保持滲透壓力不變時,隨著初始圍壓的升高,巖石的峰值強度以及軸向峰值應變也隨之增大,表明在卸荷條件下,圍壓對巖石的強度起著強化作用,當初始圍壓不變時,隨著滲透壓力的增大,試樣的峰值強度逐漸降低,說明滲透壓力對巖石的強度起著劣化作用。

2.2.2 加軸壓卸圍壓路徑

圖7為加軸壓卸圍壓路徑下相同初始圍壓不同滲透壓力的應力-應變全階段關系曲線,圖8為卸荷階段不同滲透壓力對應的應力-應變關系曲線。

圖7 加軸壓卸圍壓路徑不同滲透壓力應力-應變全階段關系曲線

圖8 加軸壓卸圍壓路徑不同滲透壓力卸荷階段應力-應變關系曲線

由圖7可知,加軸壓卸圍壓路徑與恒軸壓卸圍壓路徑滲透壓力作用相同:滲透壓力對巖石的強度有劣化作用;由圖8可知,在相同初始圍壓條件下,滲透壓力越大,巖石的峰值強度越小,巖石的壓密段特征越明顯。這主要是因為隨著滲透壓力的增大,巖石的有效圍壓逐漸降低,而有效圍壓能夠抑制巖石損傷的發(fā)展。巖石的壓密程度反映了巖石變形模量的變化規(guī)律,在壓密段曲線的斜率即巖石的變形模量逐漸增大,表明在壓密段巖石的損傷逐漸降低,而有效圍壓越大巖石的損傷降低速率越快,從而導致壓密段變得越小,即巖石的壓密特征越不明顯。根據(jù)對恒軸壓卸圍壓路徑應力-應變曲線的分析,相同圍壓卸載量條件下,滲透壓力越大則產(chǎn)生的軸向應變越大,在加軸壓卸圍壓路徑過程中,由于軸壓的增大,滲透壓力對巖石的劣化作用更為明顯。對圖8中曲線切線斜率進行觀察可以發(fā)現(xiàn),在卸荷段,巖石在卸荷前期應變的增長速率較慢,隨著圍壓的逐漸降低,軸壓逐漸增大,巖石的軸向應變增長速率開始增大。

2.3 考慮滲透壓力的強度準則擬合分析

直線型Mohr-Coulomb強度理論模型能線性反映巖石強度與圍壓之間的關系?？紤]圍壓對巖石強度的影響,采用其作為擬合方法:

τ=c+σtanφ

(1)

式中:σ為巖石破壞面上的主應力;τ為破壞面上的剪應力;c為巖石的黏聚力;φ為巖石的內摩擦角。式(1)可以用主應力的方式進行表述,即:

(2)

式中σ1、σ3分別為試樣中的最大主應力與最小主應力。式(2)可化簡為

σ1=aσ3+b

(3)

式中:a為強度擬合曲線的斜率;b為強度擬合曲線的截距。

已有研究表明:巖石在不同應力路徑下的強度特性具有一定的差異性[14-17]。為探究巖石的強度特性,對兩種不同應力路徑的試驗結果分別進行擬合。根據(jù)擬合結果預測卸荷條件下達到破壞圍壓時的常規(guī)三軸試驗壓縮強度值,然后將該理論值與卸荷試驗值對比,以分析卸荷路徑對巖石強度的影響。

圖9為常規(guī)三軸試驗的擬合結果。由圖9可得,Mohr-Coulomb強度理論模型的參數(shù)擬合結果為c=12.23MPa,φ=47.58°。

圖9 常規(guī)三軸試驗擬合結果

2.3.1 恒軸壓卸圍壓路徑

對恒軸壓卸圍壓路徑試驗結果進行強度理論擬合,如圖10所示,Mohr-Coulomb強度理論模型的參數(shù)擬合結果為c=9.61MPa,φ=52.28°。

圖10 恒軸壓卸圍壓路徑

恒軸壓卸圍壓路徑條件下巖石的強度值普遍低于常規(guī)三軸壓縮條件下的巖石強度值,這是由于在恒軸壓卸圍壓路徑過程中巖石內部的微裂隙發(fā)育更加迅速,卸圍壓過程相當于對巖石作用側向的拉應力。該過程不僅會降低巖石的圍壓值,降低對巖石變形的約束作用,加劇巖石裂縫的發(fā)展,同時也會由于巖石較弱的抗拉裂能力,使得巖石產(chǎn)生一定程度的微小張拉裂隙,最終使得巖石強度降低。當滲透壓力較低時,巖石的卸荷強度相比常規(guī)三軸試驗強度值降低幅度較少,當圍壓較高時,巖石的卸荷強度降低幅度較小。如當滲透壓力為0時,圍壓為3.09MPa,巖石卸荷強度降低幅度為2.46%;圍壓為7.37MPa時,卸荷強度降低幅度為4.42%;圍壓為12.15MPa時,卸荷強度降低幅度為1.18%,平均降低幅度為2.69%。當滲透壓力為3MPa,圍壓為8.71MPa時,卸荷強度降低幅度為18.69%;圍壓為13.38MPa時,卸荷強度降低幅度為6.84%,平均降低幅度為12.77%。當滲透壓力為5MPa,圍壓為9.02MPa時,卸荷強度降低幅度為20.98%;圍壓為14.42MPa時,卸荷強度降低幅度為8.43%,平均降低幅度為14.71%。通過以上數(shù)據(jù)做出不同滲透壓力下巖石常規(guī)三軸預測結果與試驗值對比圖(圖11)。根據(jù)有效應力原理,在圍壓一定的情況下,滲透壓力的增加會導致有效圍壓減小,圍壓對巖石內部微裂隙的抑制作用減弱,孔隙裂紋更易發(fā)育延伸,進而導致巖石的破壞,所以滲透壓力對巖石強度具有劣化作用。

圖11 恒軸壓卸圍壓路徑常規(guī)三軸試驗與卸荷強度線對比

另外,對比巖石常規(guī)三軸試驗的擬合結果可以看出,巖石的黏聚力在常規(guī)三軸試驗條件下為12.23MPa,在卸荷條件下變?yōu)?.61MPa,黏聚力降低了21.42%;巖石的內摩擦角在常規(guī)三軸試驗條件下為47.58°,在卸荷條件下變?yōu)?2.28°,內摩擦角提高了9.88%。這主要是由于在卸荷條件下巖石的側向張裂變形更加明顯,導致巖石內部的節(jié)理發(fā)育更加發(fā)達,從而使得巖石整體變得松散,即巖石的黏聚力變小,同時變形過程中的裂縫較常規(guī)三軸試驗中產(chǎn)生裂縫粗糙程度更大,因而導致巖石的內摩擦角增大。

2.3.2 加軸壓卸圍壓路徑

同樣對加軸壓卸圍壓路徑干燥條件下的巖石試驗數(shù)據(jù)進行擬合,結果如圖12所示。

圖12 加軸壓卸圍壓路徑

由圖12可得,直線型Mohr-Coulomb強度理論模型的參數(shù)擬合結果為c=12.42MPa,φ=45.38°

加軸壓卸圍壓路徑常規(guī)三軸試驗與卸荷強度線對比見圖13。由圖13可知,在加軸壓卸載圍壓條件下,巖石的強度較常規(guī)三軸試驗強度而言也會有相應的降低,相較常規(guī)三軸試驗,試樣在卸圍壓過程中,圍壓不斷降低,對巖石的保護程度也隨之減小,而軸壓在增大,巖石的承載能力也逐漸變小,從而使得巖石的強度降低。巖石在加軸壓的同時卸圍壓,即相當于在側向對巖石施加拉應力。根據(jù)直線型Mohr-Coulomb強度理論模型的特點易知,巖石的極限強度與圍壓呈正相關關系,所以當圍壓降低時巖石的強度也隨之降低。

圖13 加軸壓卸圍壓路徑常規(guī)三軸試驗與卸荷強度線對比

當滲透壓力較低時,巖石的卸荷強度相比常規(guī)三軸試驗強度值降低幅度較小;當圍壓較高時,巖石卸荷強度的降低幅度較大。如當滲透壓力為0,在圍壓為3.31MPa時,巖石卸荷強度降低幅度為7.74%;圍壓為7.92MPa時,卸荷強度降低幅度為4.39%;圍壓為15.26MPa時,卸荷強度降低幅度為8.70%,平均降低幅度為6.94%。當滲透壓力為3MPa,圍壓為8.52MPa時,卸荷強度降低幅度為15.01%;圍壓為15.01MPa時,卸荷強度降低幅度為5.55%,平均降低幅度為10.28%。當滲透壓力為5MPa,圍壓為9.03MPa時,卸荷強度降低幅度為18.80%,圍壓為15.72MPa時,卸荷強度降低幅度為6.40%,平均降低幅度為12.60%。

就巖石的物理性質而言,加軸壓卸圍壓路徑條件下巖石的內摩擦角為45.38°,黏聚力為12.42MPa,其中內摩擦角相比常規(guī)三軸試驗條件下的47.58°降低了4.62%,黏聚力相比常規(guī)三軸試驗條件下的12.23MPa提高了1.55%,這是由于相較于恒軸壓卸圍壓路徑條件而言,在卸圍壓的同時增加軸壓,使得巖石沿著破壞面迅速滑移,此時作用在節(jié)理面上巖塊之間的力為滑動摩擦力,低于相對靜止狀態(tài)時節(jié)理面兩側巖塊之間的靜摩擦力,所以表現(xiàn)為內摩擦力降低的現(xiàn)象,而對于黏聚力而言,由于在卸荷過程中軸壓逐漸增加,使得巖石會沿著一個主要的破壞面產(chǎn)生滑移,而不會持續(xù)作用在主裂縫兩側的巖塊上,從而使得主裂縫兩側的巖塊完整性得以保持,即降低了主裂縫附近巖塊的松散性,使得巖石的黏聚力相對于常規(guī)三軸試驗條件得以提高。

3 結 論

a.加軸壓卸圍壓和恒軸壓卸圍壓兩種卸荷路徑下的巖石強度較同條件下常規(guī)三軸試驗中巖石強度具有較大的降低幅度,其中加軸壓卸圍壓路徑條件下的巖石強度降低幅度最大,其次為恒軸壓卸圍壓路徑,這是由于與恒軸壓卸圍壓路徑相比,加軸壓卸圍壓路徑過程中不僅巖石抵抗變形能力逐漸降低,而且同時軸向荷載使得巖石內部的能量在不斷地增加,從而造成強度降低幅度更大。

b.在卸荷條件下,滲透壓力對巖石強度有著劣化作用,且隨著滲透壓力的增大,試樣的峰值強度逐漸降低,相同初始圍壓滲透壓力越大,其平均降低幅度越大。

c.恒軸壓卸荷路徑,相同圍壓卸載量條件下,滲透壓力越大則產(chǎn)生的軸向應變越大。加軸壓卸荷路徑,在相同初始圍壓條件下,滲透壓力越大,巖石的峰值強度越小,巖石的壓密段特征越明顯。

d.巖石的強度參數(shù)黏聚力和內摩擦角在不同的應力路徑下具有不同的變化規(guī)律,以常規(guī)三軸試驗中的黏聚力和內摩擦角值作為基本值,根據(jù)恒軸壓卸圍壓路徑試驗數(shù)據(jù)可知,黏聚力逐漸降低,內摩擦角逐漸增大,而加軸壓卸圍壓路徑過程中的黏聚力逐漸增大,內摩擦角逐漸降低。