加卸載應力條件下脆性花崗巖變形的試驗研究

游 鵬，鄧 拓，余曉彥，黃希程

（湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

巖體在加卸荷條件下出現變形破壞的現象廣泛存在于高應力條件下隧道開挖過程中。實驗室中都是通過對巖樣的加載實驗來模擬隧道開挖過程中巖石的破壞變形，這與圍巖破壞的實際情況不盡相同。巖石在卸荷、加載條件下的力學特性有很大差異［1－3］。隧道中巖體的開挖過程實際上是在復雜應力條件下，巖體的應力得到了釋放，破壞了原有的平衡狀態，從而發生新的變形破壞。地下巖體開挖過程中卸荷應力路徑和加載應力路徑是不一樣的，從而導致巖體強度、變形特性和失效機理也不盡相同［4］。深部復雜高應力條件下地下洞室開挖過程中發生的巖爆，就是一種典型的由卸荷引起的區域內巖體發生失穩破壞的現象［5－6］。近年來，隨著實際工程中巖爆事故的不斷發生，國內外學者越來越關注巖石的卸荷研究［7－8］。本文采用對巖石的加軸壓、卸圍壓的試驗方法來探究巖石破壞的力學問題，為實際工程問題提供參考。

1 試驗方案

試驗巖樣選取的是廣州在建高速公路茅田界隧道內的花崗閃長巖。試驗在MTS液壓伺服試驗機上進行。為盡可能減少式樣外觀結構對試驗結果的影響，對試樣進行預處理，巖樣精度滿足巖石力學試驗要求，試驗數據整理符合相關的要求［9］。

試驗的圍壓（σ3）設計分別為:8MPa，16MPa，32MPa三個應力水平。試驗采用不同應力路徑方案:方案1，在相同條件下（保持圍壓和軸壓的加載速率不變），對試樣分別施加三組不同的圍壓；方案2，相同圍壓（σ3＝8MPa）、相同的圍壓加載速率（Δσ3＝0.1MPa/s）條件下，施加不同速率的軸壓；方案3，不同圍壓條件下，保持相同的軸壓加載速率（Δσ1＝0.5kN/s），施加不同的圍壓加載速率。通過三個試驗方案的試驗，可以清楚的看到巖石在不同狀態下的破壞形態。

2 試驗結果分析

根據無側限抗壓強度試驗和三軸壓縮強度試驗，巖石的粘結力和內摩擦角可確定如下:C＝31.249MPa，φ＝49.26°。

圖1 巖石Mohr包絡線

實驗開始時，可以很清楚的聽到試樣在破壞的過程中產生的破裂響聲；兩個相互連接的剪切面以一定的傾斜角度共同實現對巖石的剪切破壞；此外大部分的破壞面是沿著軸向出現的，并且平行于軸應力方向，這說明該試樣表現出了復雜的應力破壞特征。

在相同條件下，給試樣施加不同的圍壓，其軸向應變與應力差的關系見圖2。

圖2 應力差與軸向應變曲線

由圖2可以看出，當軸壓σ3分別分別達到8 MPa、16MPa和32MPa時，試樣所承受的最大應力差分別達到了50MPa、181MPa和252MPa。通過加壓前后的對比可以看到加壓后巖石的抗壓強度基本上是成倍數增長。由此可知在不同圍壓條件下，巖石所能承受的軸應力是不一樣的，試樣的軸應力對圍壓的大小十分敏感。隨著圍壓的逐漸增大，巖石的應力差也在逐漸增大，圍壓的增大很大程度上提高了巖石的軸向承載能力。這是由于在沒有圍壓時，對試樣施加軸向應力，試樣迅速向側向膨脹發生破壞，此時巖石的破壞不完全，軸向變形較小；當對試樣施加圍壓時，延緩了試樣的側向膨脹的速度，巖石內部裂紋的伸展速率減慢，巖石的軸向變形變大，從而使得巖石的破壞更加全面。

在相同的軸壓加載速（Δσ1＝0.5kN/s）條件下，對試件施加不同速率的圍壓。見圖3，圖4。

通過對圖3，圖4的分析可知:當試件以相同的圍壓速率（Δσ3＝0.1MPa/s）加載時，其應力差與軸向變形基本上成線性相關；當試件達到設定的圍壓后開始卸荷，即圍壓的速率發生改變（Δσ3＝0.2 MPa/s）時，其卸荷速率快的試驗發生突變，軸向變形減小，巖石的破壞提前，破壞的速度十分迅速；而保持相同速率的試塊則沒有出現突變，破壞出現延緩，巖石表現出了一定的延展性。

圖3 σ3＝32MPa時的應力差與軸向應變

圖4 σ3＝16MPa時的應力差與軸向應變

在施加相同圍壓（σ3＝8MPa）和圍壓速率（Δσ3＝0.1MPa/s）條件下，施加不同速率的軸壓。

圖5 σ3＝8MPa時的應力差與軸向應變線

對圖5的分析可知:在相同圍壓條件下，力的加載速率越大，試件破壞時其軸向變形越小；而當保持較低的加載速率時，試樣的軸向變形變大，此時試樣表現出一定的延性，試樣發生塑性變形。

由于巖石的結構是不均勻的，其強度分布也就不完全相同。正是由于這種結構上的特征差異性，使得巖樣的局部變形破壞有差異，從而導致試驗的數據出現不同程度的偏差。

3 巖石的破壞形態分析

通過對不同圍壓的卸載速率和不同軸壓的加載速率的試驗數據的分析，可以很清晰地看出:在相同條件下，圍壓越大，試樣產生的軸向變形越明顯；圍壓的卸壓速率越小，試樣的軸向變形量越大；在同一圍壓條件下，軸向力的加載速率越小，軸向變形也就越明顯。

圖6 試樣的破壞形態

這是因為圍壓的卸載速率越低（或者軸壓的加載速率越大）時，試樣所受到的圍壓減小（軸壓增加）得越少，這是由于巖體內裂縫的擴展速度較慢，應力變化并發生轉移所需要的時間較多，產生的破裂面也就更多了；巖石的側向變形增大，試樣的破壞程度也就完全。也就是說，圍壓的卸載速率加快（軸壓的加載速率較大）時，裂縫的延伸和應力的轉移并不是很充分，試件的破裂面只能沿著初始的幾個破裂方向，破壞也就變得更加突然。

4 結論

通過對茅田界隧道內的花崗閃長巖在實驗室內展開的力學性能的研究，得到以下的結論:

1）隨著圍壓的增加，巖體的粘結力隨之增大。

2）在隧道開挖過程中應根據巖石的特性實施合理的支護措施和開挖手段，以達到隧道的長期穩定性，合理的開挖速度，良好的經濟效益。

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