寇 昊 ,何 川 ,陳子全 ,周子寒 ,蒙 偉 ,肖龍鴿
(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031;2.中國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司,北京100029)
我國(guó)廣泛分布著不同層理產(chǎn)狀的巖體,如頁(yè)巖、板巖、千枚巖等.由于其層理弱面的存在,導(dǎo)致不同傾角巖體力學(xué)性質(zhì)之間的差異顯著,這種巖性的各向異性對(duì)工程穩(wěn)定與安全影響重大[1-2].
許多學(xué)者針對(duì)層狀巖體的各向異性特征和損傷演化過(guò)程進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究.劉運(yùn)思等[3]采用內(nèi)時(shí)理論并引入損傷變量,推導(dǎo)了層狀巖體的內(nèi)時(shí)損傷本構(gòu)方程;史越等[4]建立了考慮單軸荷載損傷的層狀千枚巖損傷本構(gòu)模型,分析了不同層理角度下千枚巖的損傷演化特征;Wang 等[5]基于Drucker-Prager準(zhǔn)則構(gòu)建橫觀(guān)各向同性巖體的彈塑性本構(gòu)模型;Saroglou 等[6]和Shi 等[7]分別采用各向異性指數(shù)kβ和αβ,修正Hoek-Brown 準(zhǔn)則以描述層狀巖體三軸強(qiáng)度的各向異性;Li 等[8]研究了橫觀(guān)各向同性板巖的尺寸效應(yīng);Pouragha 等[9]將砂巖、板巖看作黏結(jié)顆粒的集合體,結(jié)合局部強(qiáng)度準(zhǔn)則和接觸變形的微觀(guān)力學(xué)公式,描述了層狀巖體的強(qiáng)度各向異性特性;Gholami等[10]采用單軸、三軸和巴西劈裂試驗(yàn)評(píng)估了不同層理方向板巖的彈性參數(shù)和強(qiáng)度特性,具有明顯U 形分布特征;衡帥等[11]、儲(chǔ)超群等[12]分別研究了層狀頁(yè)巖和層狀砂巖的力學(xué)行為、強(qiáng)度、破壞模式等的各向異性特性;鄧華鋒等[13-14]研究了層理弱面對(duì)砂巖的強(qiáng)度變形特征及縱波波速的影響機(jī)制;陳子全等[15]分析了千枚巖不同層理角度的能量損傷演化特征.上述研究多集中于層狀巖體的力學(xué)參數(shù)、強(qiáng)度特性、破壞模式等,而對(duì)于其損傷演化的全過(guò)程研究尚不完善.
為了更好地描述巖石的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程變化曲線(xiàn),劉冬橋等[16]基于花崗巖三軸壓縮試驗(yàn)的缺陷發(fā)展過(guò)程,建立了應(yīng)變軟化損傷本構(gòu)模型,反映出了巖石峰前和峰后的完整變形過(guò)程.溫韜等[17]通過(guò)巖石損傷與耗散能的關(guān)系,建立了考慮巖石初始損傷和殘余強(qiáng)度的本構(gòu)模型.曹文貴等[18]將巖石承載看作由未損傷和損傷2 部分承擔(dān),提出了考慮殘余強(qiáng)度的巖石損傷本構(gòu)模型.李海潮等[19]從巖石損傷閾值角度,建立了反映低應(yīng)力水平和殘余強(qiáng)度變形特征的損傷模型.為更加真實(shí)準(zhǔn)確地描述層狀巖體的應(yīng)變軟化過(guò)程,本文基于橫觀(guān)各向同性材料的彈性本構(gòu)方程,采用修正的Lemaitre 應(yīng)變等價(jià)假設(shè),推導(dǎo)了考慮殘余強(qiáng)度的層狀巖體損傷本構(gòu)方程,通過(guò)頁(yè)巖、千枚巖和板巖的三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的合理性,最后分析了不同層理角度巖體的全過(guò)程損傷演化規(guī)律.
層狀巖體往往存在明顯的層理弱面,具有顯著的強(qiáng)度各向異性,因此,可以將其視為橫觀(guān)各向同性材料[4],如圖1 所示.圖中:σx、σy、σz分別為x、y、z向的應(yīng)力;θ為層理角度.在局部坐標(biāo)系O1-x1y1z1中,橫觀(guān)各向同性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為
圖1 橫觀(guān)各向同性材料坐標(biāo)示意Fig.1 Diagram of coordinate system for the transversely isotropic materials
根據(jù)彈性力學(xué)局部坐標(biāo)與整體坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,可得到整體坐標(biāo)系O-xyz中,橫觀(guān)各向同性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為
式中:
ε、σ、S分別為整體坐標(biāo)系的應(yīng)變張量、應(yīng)力張量和柔度矩陣;A為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣.
在三軸壓縮條件下,切向應(yīng)力為0,則應(yīng)力(σx,σy,σz)與應(yīng)變(εx,εy,εz)之間的關(guān)系為
對(duì)于常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的圓柱體試件(圖2),軸向應(yīng)力σy=σ1,軸向應(yīng)變?yōu)棣舮=ε1,圍壓σx=σz=σ3,則式(3)的第二式可以改寫(xiě)為
圖2 圓柱體試件示意Fig.2 Schematic diagram of cylinder rock
巖體在外荷載作用下會(huì)產(chǎn)生損傷,許多學(xué)者采用Lemaitre 應(yīng)變等價(jià)假設(shè)[20],引入損傷變量D進(jìn)行損傷描述,可以得到
當(dāng)巖體破壞時(shí)D=1,殘余強(qiáng)度為0,往往與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果不符,不能體現(xiàn)出巖體破壞后的殘余強(qiáng)度σr.因此,采用殘余強(qiáng)度對(duì)Lemaitre 應(yīng)變等價(jià)假設(shè)進(jìn)行修正[19],得到
由于巖體內(nèi)部損傷過(guò)程隨機(jī)發(fā)生,具有隨機(jī)分布的特征,因此,采用Weilbull 概率分布構(gòu)建統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型[19-20],當(dāng)荷載加載到應(yīng)變?chǔ)?時(shí),D可表示為
式中:m和ε0均為分布參數(shù).
將式(8)代入式(7)得
考慮到巖體受荷達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)(ε1=εc),其應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)該滿(mǎn)足以下2 個(gè)條件[19-20]:1)σ1=σc;2) ? σ1/?ε1=0.其中,σc和εc分別為層狀巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在峰值強(qiáng)度處的應(yīng)力值和應(yīng)變值.
對(duì)式(9)求偏導(dǎo)可得
由條件 1) 可得
由條件 2)可得
聯(lián)立式(11)和式(12)得到損傷本構(gòu)模型的分布參數(shù)為
以E= 46.64 GPa,μ= 0.342,εc= 0.004 22,σc=147.29 MPa,σ3=10 MPa 的巖石為例,在考慮殘余強(qiáng)度σr=83.4 MPa 時(shí),m=3.291,ε0=0.00513;σr=0 時(shí),m=3.6976,ε0=0.00597.上述2 種情況的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和損傷過(guò)程曲線(xiàn)如圖3 所示.可以看出,考慮殘余強(qiáng)度所得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)更加真實(shí);此外,考慮殘余強(qiáng)度的巖石在加載過(guò)程中的損傷和損傷速率均提前,且考慮殘余強(qiáng)度的最大損傷速率增大,2 種情況的損傷演化過(guò)程存在明顯的差異.可見(jiàn),采用考慮殘余強(qiáng)度的損傷本構(gòu)模型進(jìn)行損傷演化規(guī)律研究才更加合理.
圖3 考慮殘余強(qiáng)度與不考慮殘余強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Comparison between the considered and unconsidered residual strengths
為了驗(yàn)證上一節(jié)層狀巖體損傷本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性,以賈長(zhǎng)貴等[21-23]的層狀頁(yè)巖、千枚巖、板巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn).將賈長(zhǎng)貴等[21]在不同圍壓條件下考慮層理角度分別為0°、30°、60°、90° 的頁(yè)巖壓縮試驗(yàn)結(jié)果代入式(13)、(14),可以得到該頁(yè)巖損傷本構(gòu)模型的m和ε0,如表1 所示.根據(jù)唐克東等[22-23]的千枚巖、板巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果,得到損傷本構(gòu)模型參數(shù)如表2 所示,受篇幅限制,僅列出圍壓為10 MPa 的主要參數(shù).
表1 頁(yè)巖三軸壓縮試驗(yàn)的主要參數(shù)[21]Tab.1 Main parameters of triaxial compression test for shale [21]
表2 千枚巖、板巖三軸壓縮試驗(yàn)的主要參數(shù)[22-23] (σ3=10 MPa)Tab.2 Main parameters of triaxial compression test for phyllite and slate [22-23] (σ3 = 10 MPa)
由式(4)中的Eθ可以計(jì)算得到彈性模量的理論值,其中,由試驗(yàn)得到的頁(yè)巖μ、μ1分別為0.37 和0.34,千枚巖μ、μ1分別為0.30 和0.28,板巖μ、μ1均為0.20,G1可由任意層理角度的試驗(yàn)值計(jì)算,即
彈性模量理論值與試驗(yàn)值的對(duì)比如圖4 所示.由圖可知:不同層理角度的彈性模量理論值與試驗(yàn)值較為接近,層理角度小于45° 時(shí)彈性模量基本不變,大于45° 后表現(xiàn)為隨著層理角度的增加而增大;當(dāng)θ=0° 時(shí),巖體整體剛度由層理弱面控制,壓縮變形相對(duì)較大,彈性模量?。划?dāng)θ=90° 時(shí),巖體整體剛度則由基質(zhì)起主導(dǎo)作用,抵抗變形能力增強(qiáng),因而彈性模量變大[12].可見(jiàn)該理論解能夠反映層狀巖體彈性模量受層理角度的影響.
圖4 彈性模量的理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.4 Comparison between theoretical and experimental values of elastic modulus
通過(guò)考慮殘余強(qiáng)度的層狀巖體損傷本構(gòu)模型得到不同層理角度的頁(yè)巖、千枚巖和板巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系理論值,將其與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比(圖5和圖6),可見(jiàn)理論計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)形態(tài)基本一致,可以很好地描述巖體的彈性變形階段,還可以較好地體現(xiàn)出巖體峰后的應(yīng)變軟化過(guò)程,整體上能夠反映層狀巖體的力學(xué)行為.
圖5 頁(yè)巖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.5 Comparison between theoretical and experimental values of stress-strain curves for shale
圖6 千枚巖、板巖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.6 Comparison between theoretical and experimental values of stress-strain curves for phyllite and slate
根據(jù)表1 和表2 的試驗(yàn)參數(shù),由式(8)計(jì)算可得層狀頁(yè)巖、千枚巖和板巖的損傷變量D在整個(gè)加載過(guò)程中的變化規(guī)律,如圖7 和圖8 所示.不同于文獻(xiàn)[4, 20],由于其未考慮殘余強(qiáng)度,損傷演化曲線(xiàn)整體向右發(fā)生偏移,與實(shí)際對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)有所偏差.本文的損傷演化曲線(xiàn)更符合試驗(yàn)結(jié)果,整體表現(xiàn)為:在前期加載過(guò)程中巖體處于壓密階段,損傷基本為0 (未發(fā)生損傷);隨著應(yīng)力的增加,巖體內(nèi)部裂隙開(kāi)始萌生、發(fā)展,直至貫通破壞,損傷也相應(yīng)呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)、加速增長(zhǎng)、減速增長(zhǎng)以及達(dá)到殘余強(qiáng)度后穩(wěn)定于1.
圖7 頁(yè)巖的損傷演化曲線(xiàn)Fig.7 Damage evolution curves of shale
圖8 千枚巖、板巖的損傷演化曲線(xiàn)Fig.8 Damage evolution curves of phyllite and slate
從圖7 還可以清晰看到,頁(yè)巖層理角度為60°的巖體損傷演化曲線(xiàn)最陡,損傷發(fā)展速度最快,最先破壞;對(duì)比相同圍壓(10 MPa)的頁(yè)巖、千枚巖和板巖損傷演化曲線(xiàn),千枚巖相較頁(yè)巖、板巖的層厚更薄,強(qiáng)度更低,層理角度為90° 時(shí)最先破壞,而板巖相對(duì)較厚,強(qiáng)度更高,層理角度為45° 時(shí)最先破壞.在單軸壓縮條件下,層理角度為60° 的頁(yè)巖最先發(fā)生損傷;在三軸壓縮條件下,層理角度為90° 的頁(yè)巖最先發(fā)生損傷,并且圍壓越大,損傷開(kāi)始位置越靠前.在10 MPa 圍壓作用下的千枚巖、板巖也是層理角度為90° 時(shí)最先發(fā)生損傷.當(dāng)巖體層理角度為90° 時(shí),單軸壓縮下巖體發(fā)生劈裂張拉破壞,三軸壓縮下巖體發(fā)生張剪破壞[13].由于圍壓的作用約束了環(huán)向變形,因而偏應(yīng)力作用下使得作為巖體主要?jiǎng)偠蓉暙I(xiàn)者的基質(zhì)首先發(fā)生損傷,但損傷增速小于層理角度為45°/60° 的巖體.當(dāng)層理角度為0° 時(shí),不論單軸還是三軸壓縮,巖體的變形均由層理弱面控制,總體表現(xiàn)為穿越基質(zhì)和層理面的張剪破壞[14],損傷相對(duì)滯后.
從上述層狀巖體損傷演化過(guò)程分析可以看出,由于巖體層理弱面的存在,導(dǎo)致其力學(xué)性能和破壞模式的各向異性,損傷演化規(guī)律也表現(xiàn)出了顯著的差異性.
1) 建立了考慮殘余強(qiáng)度的層狀巖體損傷本構(gòu)模型,采用層狀頁(yè)巖、千枚巖和板巖的三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證.該模型不僅能夠很好地描述層狀巖體的彈性變形階段,還可以較好地體現(xiàn)出巖體峰后的應(yīng)變軟化過(guò)程,整體上能夠反映層狀巖體的力學(xué)行為.
2) 該模型得到的損傷演化曲線(xiàn)更加符合實(shí)際.初期加載過(guò)程中損傷基本為0 (未發(fā)生損傷),隨著應(yīng)力的增加,損傷值呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)、加速增長(zhǎng)、減速增長(zhǎng)以及達(dá)到殘余強(qiáng)度后穩(wěn)定于1.
3) 頁(yè)巖層理角度為60° 時(shí),損傷演化曲線(xiàn)最陡,損傷發(fā)展速度最快,最先破壞;千枚巖相較頁(yè)巖、板巖的層厚更薄,強(qiáng)度更低,層理角度為90° 時(shí)最先破壞,而板巖相對(duì)較厚,強(qiáng)度更高,層理角度為45° 時(shí)最先破壞.
4) 三軸壓縮條件下,圍壓越大,層理角度為90° 的巖體損傷起始位置越靠前,表明圍壓的作用使得其主要?jiǎng)偠蓉暙I(xiàn)的基質(zhì)體損傷提前.層理角度為0° 的巖體損傷位置相對(duì)靠后,表明層理弱面提供了變形使得損傷滯后.