滲透水壓力作用下灰巖單軸疲勞特性試驗研究

龔曉理

（中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司 黑龍江哈爾濱 150008）

1 引言

地下工程施工蘊含著復雜的動力學問題，巖體開挖過程中初始應力場的動態卸載是引起巖體松動的重要因素之一，進而誘發隧道和地下工程施工中的突泥、涌水災害［1］。同時，研究滲透水壓力下巖石的疲勞損傷破壞機制對于評價富水環境下巖體的長期穩定性具有重要的意義。

眾多學者圍繞不同循環荷載水平［2-4］、頻率［5］、循環次數下巖石的疲勞力學參數［6］和循環疲勞壽命［7］的變化規律進行了大量研究。肖建清等［8］通過分析多種巖石在循環荷載作用下的Felicity效應，研究了巖石的疲勞損傷演化規律。上述研究成果為探究巖石疲勞破壞特性提供了基礎，但并未考慮滲透水壓力對疲勞特性的影響。由于試驗條件的限制，關于滲透水壓力和循環荷載共同作用下巖石疲勞破壞過程的研究相對不足。

另外，李浩然［9］、李曉泉［10］等人針對不同循環加載條件和溫度條件下煤的滲透特性變化進行了研究，試驗表明隨著循環次數和循環應力的增加煤樣逐漸降低；在相同循環次數下，煤樣的滲透率隨溫度升高而減小。周志華等［11］通過開展滲透水壓力下預制裂縫混凝土的單軸循環加卸載試驗發現，在循環荷載上限為70%單軸抗壓強度條件下加載20周次，與無滲透水壓力相比，1.50 MPa滲透水壓力下試件的單軸疲勞強度約降低30%，不可逆變形量約增加了1.20倍。以上研究主要圍繞滲透水壓力與動荷載耦合作用的研究，并且主要集中于循環加卸載過程中巖石滲透特性變化，而針對滲透水壓力與循環荷載共同作用下巖石疲勞破壞演化過程的研究成果較少。

為探究周期性荷載與滲透水壓力共同作用下灰巖的疲勞破壞特點，對不同滲透水壓條件下的灰巖試件進行單軸疲勞試驗，基于試驗結果探究了滲透水壓力對灰巖疲勞特性的影響規律。

2 試驗概況

2.1 試件制備

灰巖取自貴陽地鐵1號線的下麥西隧道，通過鉆孔、切割、打磨成直徑50 mm高度100 mm的柱形巖樣，巖樣雙端面不平行度小于2%。試驗前對試樣進行密度與波速檢測，盡可能降低試件離散性。部分灰巖試樣，如圖1所示。

圖1 部分灰巖試樣

2.2 試驗設備

試驗在西安力創儀器設備有限公司生產的2 000 kN型微機控制電液伺服機上進行。該系統能提供應力控制、變形控制及多種循環荷載加載方式，最高荷載頻率為3 Hz，最大的試驗力為600 kN。

通過增加高壓水裝置，試驗系統可以進行滲透-應力耦合試驗，最大滲透水壓力35 MPa，最大滲流量30 mL/min，最小滲流量1.75 mL/min，滲透水壓力的分辨率0.025 PSI。試驗過程中，同時對灰巖試樣進行聲發射信號實時采集。通過滲透水壓力系統與巖石動三軸試驗機的協同作業，可實現開放性環境下的巖石滲流-流變耦合試驗。

2.3 巖樣烘干和飽水

將灰巖巖樣在108℃的恒溫下烘24 h，將其從烘箱中取出放入干燥器內冷卻至室溫，稱試件質量；繼而重復上述步驟，直到相鄰兩次稱量的質量之差不超過后一次稱量的0.10%（認為此時的飽水度為0）。參考以往類似飽水經驗后，對干燥巖樣采用自由法飽水，在此期間內不定時對其飽水度和波速進行測試，為減小水-巖樣骨架的軟化作用，對其采取真空飽水。重復以上試驗步驟并得到試驗結果。

2.4 試驗方案

灰巖疲勞試驗考慮了 0、2、4、6、8、10 MPa 滲透水壓的試驗方案，見表1。試驗過程中，首先按照1 MPa/s的加載速率施加軸向應力至上、下限應力的平均值（初始荷載，見表1），然后進行單軸疲勞試驗。循環荷載的加載波形為三角波，荷載循環頻率為1 Hz。循環荷載幅值為20 MPa，各試樣荷載循環次數均設定為300次，巖石若經過300次加載循環后未發生破壞，則繼續以1 MPa/s的增壓速度繼續加載至整體破壞。

表1 單軸疲勞試驗方案

3 疲勞試驗結果與分析

3.1 灰巖破裂形態特征

圖2為恒定上、下限循環加卸載試驗的應力路徑，按照該加載路徑對灰巖試樣B1～B18分別進行加卸載試驗，灰巖試樣的破壞形態，如圖3所示。為對比分析灰巖的破壞特征，在每組試驗中增加了試樣C1～C6等6個試樣作為單軸壓縮試驗的對比試驗。

圖2 恒定上下限循環加卸載應力路徑

圖3 灰巖試樣破壞形態

通過循環加卸載試驗發現，除B2灰巖試樣呈鼓狀破壞外，其余試樣的破壞形式均以劈裂破壞為主。18個巖樣中B1、B5和B13巖樣在300次的加卸載循環后未出現整體破壞。其他巖樣均不到300次循環荷載整體發生劈裂破壞，循環荷載次數為250～300次，其破壞形式同對比試驗結果基本一致，但循環荷載條件下的破裂塊度較小。這表明循環加卸載作用加劇了灰巖試樣的破裂程度，且破裂程度與滲透水壓力呈正相關。

3.2 灰巖變形特征

由于試驗數據較多，僅統計了循環加卸載不同滲透水壓力下典型灰巖（B3、B6、B8、B11、B14 和B18試樣）的不可逆變形累積曲線，如圖4所示。基于試驗數據分析，隨著滲透水壓力提高，灰巖在循環加載過程中產生的疲勞變形量出現小幅度增加，其中B6、B8、B11、B14和 B18試樣破壞時的變形量分別為 2.20 ×10-3、2.29 ×10-3、2.46 ×10-3、2.54×10-3和2.80×10-3，相比B3分別增加了2.30%、6.50%、14.40%、18.10%和30.20%。另外，由圖4中的變形累積曲線可知，不同滲透水壓力下灰巖疲勞破壞演化過程可分為三個階段，即初始疲勞變形階段、穩定變形階段和加速疲勞變形階段。

圖4 不同滲透水壓力下灰巖不可逆變形累積曲線

在初始疲勞階段，灰巖的不可逆變形快速累積，但隨荷載循環次數增加變形的增長速度逐漸降低，經過一定次數的循環后變形速率近似達到某一常數，疲勞變形進入穩定階段。在穩定變形階段，灰巖的不可逆變形基本呈線性增長，且增長速率比較緩慢，循環次數約占總循環次數的40% ～73%。隨后，灰巖進入加速疲勞階段，該階段灰巖的不可逆變形速率逐漸增大，直至破壞。

為詳細分析不同滲透水壓力對灰巖累積變形三階段的影響規律，圖5～圖7分別給出了初始疲勞階段灰巖不可逆變形累積曲線，穩定階段灰巖不可逆變形累積曲線，以及加速疲勞階段灰巖不可逆變形累積曲線，圖中a、b、c、d為與擬合相關的參數，N為循環次數，εt表示變形累積值。灰巖試樣的三個階段的累積變形規律分析如下：

（1）初始疲勞變形階段（見圖5）：隨著滲透水壓力增大，灰巖不可逆變形的增長速率明顯提高，變形增長速率隨循環次數的衰減速度明顯加快；灰巖初始階段的持續周期明顯降低，巖樣更快地進入穩定疲勞階段，該階段時累積不可逆變形量明顯增加。相比無滲透水壓力狀態，10 MPa滲透水壓力下初始疲勞階段的不可逆變形平均增長速率由8.95×10-6/周提高至1.22×10-4/周，初始階段持續周期由37周降低至11周，該階段的累積不可逆變形量由3.70×10-4增加至1.34×10-3。

圖5 初始疲勞階段灰巖不可逆變形累積曲線

（2）加速變形破壞階段（見圖6）：隨著滲透水壓力增大，灰巖的破壞演化過程逐漸由突發式向緩變式過度，其應變增長率不斷降低。同時，加速破壞階段與穩定發育階段的分界點逐漸消失。相比無滲透水壓力狀態，10 MPa滲透水壓力下破壞階段不可逆變形的平均增長速率由8.06×10-5/周降低至1.4×10-5/周，巖樣加速疲勞階段的循環周期由16周提高至61周。

圖6 穩定階段灰巖不可逆變形累積曲線

（3）穩定變形階段（見圖7）：隨著滲透水壓力增大，灰巖不可逆變形的增長速率出現小幅度提高，試樣進入破壞階段的循環周期逐漸降低。相比無滲透水壓力，10 MPa滲透水壓力下灰巖在穩定發育階段不可逆變形的平均增長速率由1.81×10-6/周提高至2.95×10-6/周，進入破壞階段的循環周期由243周降低至207周。

圖7 加速疲勞階段的不可逆變形累積曲線

4 疲勞破壞演化規律分析

巖石循環加載過程中不可逆變形量的不斷增加實際上是巖石產生的疲勞破壞積累的宏觀表現。不同滲透水壓力影響下的巖石疲勞破壞累積機理可通過巖石損傷程度來解釋，如圖8所示。由圖8可知，滲透水壓力下巖石的疲勞破壞的積累過程同樣表現出了三段式變化規律。

圖8 不同滲透水壓力下疲勞破壞累積曲線

疲勞破壞的第Ⅰ階段：灰巖內部結構的疲勞破壞迅速積累，隨著滲透水壓力的提高，疲勞破壞發育速度不斷加快，導致巖樣內部結構更早地達到新的平衡狀態。疲勞破壞進入第Ⅱ階段前，灰巖內部的疲勞破壞程度較為顯著。進入第Ⅱ階段后，由于滲透水壓力增加了單次循環產生的不可逆變形量，減少了巖樣進入第Ⅲ階段所需的循環次數。根據試驗結果可以推斷，當滲透水壓力提高到某一水平時，疲勞破壞的第Ⅱ階段將會消失，巖樣直接由第Ⅰ階段進入第Ⅲ階段。當巖樣疲勞進入第Ⅲ階段后，由于滲透水壓力促進了灰巖殘余裂縫的擴展，同時降低了巖樣儲存彈性變形能的能力，導致巖樣不易發生整體式脆性破壞，其疲勞破壞累積過程更加平緩，發生整體破壞所需的循環次數增加。

從細觀角度而言，滲透水壓力對巖樣疲勞破壞演化規律的影響，實際上是對巖樣內部微裂縫萌生、擴展與匯聚貫通過程的影響。在巖石疲勞破壞初期，滲透水壓力增加了巖石在一次循環加卸載過程中產生的不可逆變形，從而加快微裂縫萌生、擴展直至達到穩定階段。在巖樣疲勞破壞穩定發育階段，滲透水壓力會降低巖石材料的力學性能，致使巖樣在加卸載過程中能夠儲備的變形能比例減少，而表面能耗散相應提高，從而加快這一階段內微裂縫的擴展速度。同時，由于滲透水壓力提高了微裂縫的發育程度，進而促進巖石內部殘余裂縫的生成和發育，導致巖石發生整體破壞前大量內部微裂縫先形成局部裂縫連接貫通，從而使得巖石最終加速破壞過程變得更為平緩。

5 結論

通過開展不同滲透水壓力下灰巖的單軸循環加卸載試驗，探究滲透水壓力對灰巖疲勞力學特性和疲勞破壞演化過程的影響，得到以下結論：

（1）在單軸疲勞試驗中，滲透水壓力對灰巖疲勞破壞演化過程各階段均有不同程度的影響。

（2）隨著滲透水壓力增大，在初始疲勞階段中灰巖不可逆變形的增長速率明顯提高，同時變形增長速率隨循環次數的衰減速度明顯加快，灰巖初始疲勞階段的持續周期明顯降低；相比無滲透水壓力狀態，10 MPa滲透水壓力下灰巖初始疲勞階段不可逆變形平均增長速率由8.95×10-6/周提高至1.22×10-4/周，階段持續周期由37周降低至11周。

（3）在穩定疲勞階段中，灰巖不可逆變形的積累速率出現小幅度提高，試件進入加速疲勞階段的循環周期降低；在加速疲勞階段中，灰巖的破壞演化過程逐漸由突發式增長向穩定式增長過渡，加速破壞階段與穩定疲勞階段的分界點逐漸消失。