分級循環加卸載試驗下砂巖的力學特性研究

倪智偉 吳小剛 陳 浩 周玉新

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.長江科學院流域水環境研究所，湖北 武漢 430010）

在礦山工程建設時，巖體在開挖過程中受到的應力較為復雜，巖石的力學特性和變形破壞直接關系到工程建設的安全性，因此對巖石展開不同荷載下的力學特性研究對巖體穩定性分析具有重要意義。

以往的研究大多集中于巖石在常規三軸試驗下的力學特性。盧允德等［1］通過對大理巖進行常規三軸試驗，提出雙線性彈性—線性軟化—殘余理想塑性四線性本構模型并進行擬合，得到的結果與試驗結果相似。楊圣奇等［2］通過增大圍壓對大理巖進行常規三軸試驗，發現巖石變形逐漸趨于均勻，出現了塑性流動特性，表明其內部材料逐漸屈服。蘇承東等［3］提出廣義Hoek-Brown強度準則對紅砂巖的三軸壓縮變形和強度特征進行預測，整體擬合效果較好。嚴偉洋等［4］則對斜長花崗巖進行聲發射試驗，得出結論：可以通過空間分維值發現在不同圍壓下，巖石聲發射事件的空間分布規律。巖石的常規三軸力學特性研究主要從本構方程的建立和聲發射事件著手，近年來，相對于常規三軸實驗，循環加卸載作用下的巖石力學實驗更能體現其力學特性的本質。國內外很多學者對循環加卸載試驗展開研究，并從試驗方法、圍壓變化、能量消耗及應力路徑等方面進行探討。周家文等［5］通過單軸循環加卸載破壞試驗對脆性巖石的強度進行研究，表明單軸壓縮強度要比加卸載強度大的多。李啟龍等［6］對砂巖進行1 MPa、3 MPa和5 MPa圍壓下循環加卸載實驗，得出圍壓會束縛巖石循環加卸載的變形，圍壓越大，變形越小。PENG等［7］研究了砂巖在不連續多水平循環加卸載條件下的力學特性，得出砂巖壓縮破壞時主要以環向膨脹為主。李洪亞等［8］對砂巖在循環加卸載下變形規律進行討論，提出一種可以預測任意屈服前加卸載峰值下的應力—應變曲線的方法。趙軍等［9］通過深埋硬巖的三軸及循環加卸載試驗，得出結論：循環加卸載下硬巖的破壞強度要大于常規三軸下的量值。王強［10］也進行硬巖的循環加卸載試驗，經循環加卸載后的巖樣破壞時，其峰后承載能力下降的更加明顯。李浩等［11］對致密砂巖在循環加卸載下的能量分析進行展開，得出巖石的破壞是儲備的彈性能突然釋放的結果。秦濤等［12］展開不同圍壓下砂巖的循環加卸載實驗，增大圍壓，巖石彈性儲能極限也逐漸增大。吳再海［13］等設計了不同情況的分級循環加卸載實驗，下限應力的增加，循環荷載對巖石的力學性質起到強化作用。李江騰等［14］對紅砂巖展開低頻單軸循環加卸載試驗，表明巖石破壞是由于耗散能的逐漸累積最終釋放的結果。朱祥意等［15］探討了不同圍壓下基巖的損傷特性，得出隨著施加圍壓的增加，巖樣的峰值差應力和疲勞壽命增加，剪切破壞角減小。

本研究采用巖石力學全自動三軸儀，通過對南京地區砂巖進行不同圍壓下的循環三軸加卸載和常規三軸加載試驗，展開對巖石的強度特性和變形特征等力學特性進行比較分析，可以很好地對巖體相關地下工程和實際應用提供理論指導和數據支持。

1 實驗過程

1.1 試驗設備及巖樣制備

試驗機采用中鋼集團馬鞍山礦山研究總院的“Triaxial Rock 600-50巖石力學三軸儀”，該設備是由法國TOP INDUSTRIE公司生產，最大圍壓60 MPa，最大滲透壓60 MPa，可通過計算機進行試樣的變形控制和荷載的精準控制。

該試驗所需的砂巖樣取自南京采石場，按《水利水電工程巖石試驗規程》（DL/T 5368—2007）的要求，將砂巖制成?50 mm×100 mm的圓柱體標準試樣，并進行聲波檢測篩選波速相近的巖樣，以消除試驗離散性。此外，應保證2個端面的不平行度小于0.01 mm，2個端面的直徑偏差不超過0.01 mm，以使樣品的2個端面盡可能滿足測量方法的要求。篩選所得試樣如圖1所示，對每一個試樣進行編號拍照。

1.2 試驗方案

設計方案如表1所示，將制備好的砂巖樣分成2組，分別進行常規三軸試驗和分級循環加卸載實驗。2組均設置0、5、10、15 MPa圍壓設定值，每組實驗均設置一組對照組。

常規三軸試驗，以0.05 MPa/s的速率加載圍壓至恒定圍壓，再以相同的加載速率進行軸向加載，直至巖樣破壞。

砂巖試樣進行常規三軸試驗后，根據不同圍壓下的峰值強度，確定循環試驗加載上限應力的設計。對于分級循環加卸載試驗，以0.05 MPa/s的加載速率加載巖樣至靜水壓條件σ1=σ2=σ3，然后開展循環加卸載試驗。加載：以速率為0.06 mm/min應變控制加載軸壓至設定值，分別為峰值強度的60%、70%、80%；卸載：以速率為0.05 MPa/s應力控制卸載軸壓值至5 MPa左右，以防止試驗機與巖樣分離；共三級循環加卸載，每級重復此加卸載過程5次之后，加載直至試樣破壞。

2 常規三軸試驗

2.1 基本物理力學特性

常規三軸試驗結果如表2所示，可以看出隨著圍壓的增大，其峰值強度不斷增大。又根據表2繪制出峰值強度、彈性模量與圍壓的關系曲線，并進行擬合，如圖2所示。由圖2可知，砂巖試樣的峰值強度隨著圍壓的增大整體呈線性增長；彈性模量也隨著圍壓的增大而逐漸增大，增幅逐漸降低，與文獻［16］中得到在圍壓低于15 MPa以下彈性模量的變化趨勢大致相似。

2.2 常規三軸應力—應變曲線

圖3是常規三軸應力—應變曲線，表現出巖樣的初始壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段。0 MPa圍壓下，應力—應變曲線在加載初期表現為一段較為平緩的曲線，隨著圍壓的增長逐漸變陡。這是由于在低圍壓的條件下，隨著軸壓的加載巖石內部材料未達到均勻化，表現出應變軟化特征。增大圍壓，砂巖的初始壓密階段和彈性階段逐漸減小。砂巖是由各種砂粒膠結而成的，孔隙較多，隨著圍壓的不斷增大，致使其破壞時的峰值強度不斷增大，軸向變形也在不斷增長。

從圖3中可以明顯看出應力—應變曲線都呈現斷崖式下落，當砂巖達到了峰值強度，在短時間內軸向應變的變化不大，但是應力急劇減小。這是由于加載過程中，隨著軸向加載的進行，由于砂巖內部存在很多孔隙，加載過程使得砂巖內部孔隙逐漸貫通，最終發展成能夠連接起來的貫通面，從而導致砂巖失去抗壓和承載能力。上述這種現象就是脆性破壞［17］。

3 分級循環加卸載試驗

3.1 基本物理力學特性

為模擬開挖工況中砂巖所受到的循環擾動作用，對砂巖展開不同圍壓下的分級循環加卸載試驗，結果如表3所示。圖4反映出，在分級循環加卸載條件下，砂巖的軸向峰值強度相較于常規三軸試驗有所降低。這是由于受循環荷載的影響，砂巖內部微裂紋進而不斷擴張，使其整體強度降低。軸向峰值應變如圖5所示，隨著圍壓的增大，軸向應變不斷增長，循環加卸載試驗得到的軸向峰值應變均大于常規三軸試驗的破壞應變。0 MPa圍壓下，加卸載試驗的軸向峰值應變明顯大于常規三軸試驗的量值；15 MPa圍壓下加卸載試驗的軸向峰值應變與常規三軸試驗幾乎相同，表明增大圍壓能夠提高砂巖抵抗變形的能力，圍壓越大，軸向峰值應變就越大。

3.2 宏觀破壞特征

如圖6、圖7，從宏觀破壞特征來看，常規三軸試驗下的砂巖樣，其破壞特征較為復雜，主要表現為剪切破壞形式并伴隨傾斜裂紋的產生，隨著圍壓的增大，其破壞特征更為明顯。通過對砂巖的分級加卸載直至破壞，砂巖的破壞形式仍主要為剪切破壞，增大圍壓，破壞時主剪切面也不斷增大。15 MPa圍壓下的剪切面破壞最為嚴重，剪切面的破壞角可達到60°左右。從巖石破壞機理來討論，分級循環加卸載條件下巖樣以剪切破壞形式為主，但與常規三軸試驗結果相比較，破壞程度更大，主要原因是由于循環擾動導致砂巖體內部疲勞損傷嚴重。試驗結果表明：分級循環加卸載試驗有助于砂巖內部微裂紋的擴展，使其整體強度降低。

3.3 循環加卸載應力—應變曲線

圖8為砂巖分級循環加卸載的應力—應變曲線，同常規三軸曲線基本規律相似，初始壓密階段隨著圍壓的增大逐漸減小至不明顯。隨著每次循環的加載過程，加載曲線沿著上一次加載曲線大致上升，表現出明顯的記憶效應。達到應力峰值后會產生突降式的應力跌落，呈現明顯的脆性破壞，從而導致巖體瞬間失穩破壞，失去承載能力，在巖體上也會出現貫穿型裂紋。在加載的初期，加卸載曲線幾乎重合，滯回環面積較小。這是由于初期加載偏應力較低，巖石處于彈性變形階段，微裂紋的擴展較小。循環加卸載應力—應變曲線，隨著循環上限應力值的增加不斷向前推移，滯回環的面積也逐漸增大，主要是由于循環加卸載應力值的增加，巖石內部裂紋擴展發生塑性變形使得巖石損傷增加。增大圍壓，反映到應力—應變曲線上，滯回環曲線也逐漸從密變稀，從能量的角度表明：隨著循環應力上限的提高，產生的耗散能逐漸增大。

3.4 彈性模量

循環加卸載試驗中，由滯回環的割線斜率來計算巖樣在循環加卸載試驗下的彈性模量，彈性模量Eda是由卸載和再加載時的軸向應力增量和軸向應變增量的比值求得，即滯回環兩交點的斜率：

式中，Δ(σ1-σ3)為滯回環兩端點之間的軸向應力增量；Δε1為滯回環兩端點之間的軸向應變增量。

彈性模量是反映巖體剛度大小的重要參數，彈性模量越大，巖石剛度越大，脆性也就越大。圖9可看出，相較于常規三軸試驗，分級循環加卸載條件下，砂巖的彈性模量普遍較大，加卸載過程對砂巖模量起到強化效應。循環加卸載試驗中，彈性模量隨著圍壓的增長先增大后減小，在圍壓為10 MPa的情況下，彈性模量達到峰值后（28.1 GPa）逐漸降低。圖10反映了循環加卸載試驗中，砂巖在不同圍壓下彈性模量隨著循環次數的變化趨勢。在0 MPa圍壓下，砂巖的彈性模量與循環次數呈正相關趨勢。圍壓的增大可致使彈性模量曲線逐漸趨于平緩，在圍壓為10 MPa的條件下，彈性模量幾乎成一條直線。15 MPa圍壓條件下，彈性模量在第三級循環中隨循環次數的增加而減小。

3.5 損傷應力

巖石在加載過程中，伴隨初裂紋閉合會出現體積縮小的狀態，在體積應變曲線上表現增長的趨勢。隨著荷載的增加，巖體變形開始由壓縮轉為膨脹，反映到體積應變曲線中會出現一個拐點，此時的體積應變為最大值，最終減小為負值。如圖11所示，拐點所對映的偏應力值即為損傷應力。

通過對比常規三軸試驗和分級循環加卸載試驗的損傷應力，并進行曲線擬合，如圖12所示，可以看出砂巖在分級循環加卸載試驗下的損傷應力明顯大于常規三軸試驗下的，二者都與圍壓成正相關。巖樣在循環荷載下內部微裂紋閉合得更加嚴密，加劇了裂紋的損傷。

4 結論

（1）通過對致密砂巖進行常規三軸試驗和分級循環加卸載試驗研究，砂巖的破壞形式均屬脆性破壞。循環加卸載過程有助于砂巖體內部微裂紋的擴展，使其整體強度降低，普遍低于常規三軸試驗。

（2）對比2組試驗試樣的破壞形式，均以剪切破壞形式為主，加卸載試驗中砂巖的內部破碎程度更大。隨著圍壓的增長，主剪切面不斷增大，在圍壓為15 MPa時的剪切面破壞最為嚴重，剪切面的破壞角可達到60°以上。

（3）循環加卸載應力—應變曲線中，滯回環隨著循環上限應力值的增加不斷向坐標正方向推移，曲線面積也逐漸增大，產生的耗散能也逐漸累積增大。

（4）隨著圍壓的增大，2組試驗中初始壓密階段均逐漸減小至不明顯，表明增大圍壓能夠提高砂巖抵抗變形的能力，圍壓越大，破壞時軸向峰值應變就越大。此外，分級循環加卸載試驗的軸向峰值應變均大于常規三軸試驗的破壞應變。

（5）分級循環加卸載試驗中，砂巖的彈性模量隨圍壓的增長先增大后減小。在圍壓為10 MPa的情況下，彈性模量達到峰值后（28.1 GPa）逐漸降低。此外，循環荷載下砂巖的彈性模量均大于常規三軸試驗，加卸載過程對砂巖模量起到強化效應。0 MPa圍壓下，彈性模量與循環次數呈正相關趨勢；增大圍壓可致使彈性模量曲線逐漸趨于平緩，在圍壓為10 MPa的條件下，彈性模量幾乎成一條直線；15 MPa圍壓下，彈性模量在第三級循環區間隨循環次數的增加而減小。

（6）分級循環加卸載試驗下砂巖的損傷應力明顯大于常規三軸試驗下的，且均與圍壓成正相關。循環荷載加劇了裂紋損傷，致使內部微裂紋閉合得愈加緊密。