不同角度單裂隙對類巖石加卸載強度影響的試驗研究?

王永巖 王 浩 崔立樁

（青島科技大學機電工程學院 青島 266061）

1 引言

巖石內部通常會存在無規則微裂隙，在外荷載作用下微裂隙不斷萌生擴展，巖石損傷不斷積聚并最終導致巖體破裂。地下工程中，巷道開挖和爆破施工所產生的應力波會對圍巖造成嚴重的應力擾動，造成圍巖應力重分布，導致圍巖部分區域應力集中、應力增加，而其他部分區域應力降低，從而圍巖就會受到復雜的加、卸載應力作用。因此，研究巖石在加卸載條件下的力學特性具有重要意義。

許多學者在裂隙巖體的加卸載方面進行了研究，劉松［1］以花崗巖為研究對象進行了單軸壓縮載荷條件下的循環加卸載試驗試驗研究，并采用數值模擬軟件對巖石單軸和三軸進行了模擬加卸載試驗試驗，探究了加卸載次數對巖石強度和變形特征的影響。許江等［2］通過對加卸載條件下煤巖變形特性與滲透特征的試驗研究，試驗結果證明加卸載試驗的峰值強度明顯低于其相應荷載條件下的峰值強度。何俊［23］利用RMT-150B巖石力學試驗機對煤樣進行常規三軸、三軸循環加卸載作用下聲發射試驗，得出煤樣破壞能量釋放最大值在峰值應力的85%。王四巍［3］研究了加卸載下塑性混凝土的強度及變形特性，結果表明，經過循環加載后塑性混凝土的強度與單調直接加載相比有所降低，變化幅度均在10%以內；塑性混凝土的卸載曲線總是滯后于加載曲線，加載曲線和卸載曲線形成了封閉的塑性滯回環。周家文［4］等針對脆性巖石單軸循環加卸載試驗及斷裂損傷力學特性進行了研究，對脆性巖石單軸循環加卸載的應力-應變曲線特征、峰值強度及斷裂損傷力學特性等進行研究。目前，盡管在循環加卸載方面取得了一些成果，但各學者［5～19］的研究針對單軸加卸載較多，對三軸加卸載試驗試驗研究方面［20～22］較少，對含裂隙巖石的加卸載試驗試驗研究更少。本文針對含裂隙類巖石試件進行加卸載試驗試驗研究，并總結出一些有參考價值的結論。

2 試驗概況

2.1 含不同角度單裂隙類巖石試件的制作

以相似三定理為理論基礎，本文以水泥、河砂和水（配比2∶1∶0.13）配制的類巖石試件為研究對象，其中相似材料河砂粒徑為40目，水泥為P.C32.5復合硅酸鹽水泥。采用自制的φ50mm×100mm含裂隙的標準圓柱形試件模具（如圖1（a）所示）制備試件，預制貫通閉合裂隙的長度為20mm，厚度為0.8mm。試件脫模后，在通風干燥的室內養護（普通養護非水養護）7天后將試件的上下底端打磨平整，如圖1（b）。

圖1 試件模具和類巖石試件

2.2 試驗設備

所用試驗設備為TAW-200電子多功能試驗機，如圖2。該儀器主-要用于巖石或混泥土的剪切流變試驗，具有剛度大、測量精確、控制精度高、穩定性好的優點。

圖2 試驗儀器

3 試驗結果與分析

3.1 裂隙試件的單軸壓縮試驗

對類巖石試件進行單軸壓縮試驗，選擇載荷加載方式，采取50N/s的加載速率，記錄類巖石試件的彈性模量、泊松比、峰值強度等參數。

根據圖3、圖4可知，單軸抗壓強度隨角度增加而顯著增大，含裂隙試件的最低和最高抗壓強度分別約是完整試件的30%和67%，貫通單裂隙對試件強度具有較大影響。雖然彈性模量隨角度增加逐漸增加，泊松比隨角度的增加反而減小，但其波動范圍比較小，故認為含裂隙試件與完整試件的彈性模量和泊松比一致。

圖3 不同裂隙傾角彈性模量

圖4 不同裂隙傾角泊松比

3.2 裂隙試件的三軸壓縮破壞試驗研究

對五種不同角度（0°、30°、45°、75°、90°）的裂隙試件及完整試件進行1MPa和3MPa圍壓作用下的三軸破壞試驗，試驗機自動記錄應力-應變曲線，數據如圖5所示。

圖5 三軸壓縮下裂隙類巖石應力-應變曲線

由圖5，由于存在圍壓，裂隙試件及完整試件的峰值強度明顯高于單軸下峰值強度，圍壓越高，峰值強度越大。1MPa圍壓下，不同角度的裂隙試件間的峰值強度關系與單軸下峰值強度關系一致；3MPa圍壓下，45°裂隙試件峰值強度最小。對比不同圍壓下應力應變曲線，圍壓較低時，45°裂隙試件的下降幅度最大，而圍壓較高時，曲線下降幅度明顯變小，說明圍壓對不同傾角裂隙試件的峰值強度影響程度不同，45°裂隙試件受圍壓影響最大。

3.3 單軸循環加卸載試驗

對含裂隙試件分5個等級進行加載，每一級載荷取單軸壓縮試件強度的20%；不同裂隙傾角試件和完整試件均取5組，每級卸載值取0，最后對峰值應力求取平均值。

如圖6所示，完整試件與含不同角度裂隙試件的加卸載曲線形狀為針葉狀。隨著循環載荷的增加，滯回環的面積逐漸增加，加卸載斜率并不相同，卸載過程斜率較低，因此每一次加載過程彈性模量也要低于卸載過程的彈性模量。

圖6 試件加卸載與應變曲線

3.4 三軸循環加卸載試驗

通過對裂隙試件進行三軸壓縮試驗，發現不同裂隙角度試件的三軸峰值強度在圍壓1MPa時保持與單軸峰值強度相同趨勢，所以在1MPa圍壓下對含裂隙試件分5個等級進行加載，每一級載荷取相應試件強度的20%；不同角度裂隙試件和完整試件都取5組，每級卸載值都為0，根據5組試驗結果對峰值應力求取平均值。

三軸加卸載的試驗結果與單軸類似，如圖7，三軸加卸載試驗滯回環為針葉狀，隨循環載荷增加，滯回環面積逐漸增加，損耗能量增大。卸載過程斜率較低于加載過程，因此每次加載過程彈性模量也要低于卸載過程，三軸的軸向位移變化比單軸的軸向位移明顯。

圖7 三軸加卸載強度與應變曲線

4 結果與討論

如圖8，單軸壓縮的峰值強度比經歷五次加卸載的高，單軸加卸載強度、三軸峰值強度、三軸加卸載強度隨角度增大而增加。含裂隙試件的強度低于完整試件的強度，說明裂隙傾角對類巖石的單軸、三軸強度的影響有著同樣規律。

圖8 四種試驗的峰值強度對比

從圖9可以看出三軸加卸載強度與三軸強度的比曲線低于單軸加卸載強度與單軸強度的比曲線，說明圍壓對含裂隙試件強度造成一定的影響，單軸加卸載強度與單軸強度之比大于三軸加卸載強度與三軸強度之比；而完整試件的三軸加卸載強度與三軸強度之比大于單軸加卸載強度與單軸強度之比。含裂隙試件的單軸強度與三軸強度比隨裂隙角度增加而減小，角度為0°時，強度比為0.74，當角度增加到90°，強度比為0.568，而完整試件的強度比為0.561。

圖9 單軸、三軸循環加卸載強度比

5 結語

本文對預置裂隙的類軟巖相似材料進行了單軸、三軸條件下的循環加卸載試驗和破壞試驗，經過對比分析不同裂隙傾角類軟巖相似材料的單軸、三軸循環加卸載試驗結果得到以下結論。

1）單軸峰值強度隨角度（裂隙面與水平方向夾角）的增大顯著增加，彈性模量隨角度的增大而增加、泊松比隨角度增大而降低；

2）不同傾角類巖石循環加卸載強度隨裂隙傾角增加而增大；

3）三軸強度隨裂隙傾角增加而增大，圍壓對裂隙試件強度影響明顯；低圍壓應力應變曲線為脆性跌落，高圍壓應力應變曲線隨圍壓增高脆性系數降低，但峰前應變反而變小；

4）三軸軸壓循環加卸載強度隨裂隙傾角增加而明顯增大。