不同應力路徑循環加卸載下大理巖變形特性試驗研究

袁和川 阿比爾的 劉 露

（重慶交通大學,重慶 400074）

0 引言

開挖擾動下圍巖的應力變化，通常是徑向應力減小，而切向應力增加的復雜的加卸載過程。在實際隧洞工程中，加卸載下圍巖擾動破壞現象普遍存在，巖石加卸載試驗可以探究巖體強度、變形特征和破壞機制，因此室內巖石的加卸載試驗研究需迫切展開。巖石在經歷循環荷載后再持續加載至破壞時會出現強化或弱化效應[1]。葛修潤等[2]通過室內試驗和數值模擬方法，研究了巖石在疲勞荷載作用下的變形特性。

但在實際隧洞開挖工程中，深部巖體受力復雜，不同應力水平的循環荷載對巖石力學性質影響顯著，傳統應力路徑不能真實反應巖體的受力情況，循環加卸載后巖體繼續爆破開挖將導致再加載破壞。因此,本文以大理巖為研究對象，開展不同圍壓下大理巖的循環加卸載試驗，研究不同加載條件下大理巖的應力-應變關系與變形特征，為后續探究循環加卸載下大理巖的損傷機制及能量演化規律提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

試驗采用武漢巖土力學研究所自主研發的巖石三軸應力-滲流耦合試驗機，主要由三軸試驗加載機、油壓控制箱、伺服控制器、計算機監控系統組成。試驗機的各項參數滿足本試驗要求，伺服控制器可通過控制進出油量進而實現軸壓和圍壓控制。

1.2 試驗制備

試驗所用巖樣選自河南南召縣侵入巖體接觸變質帶上的大理巖，質地良好，無雜質，少裂隙，完整性和均勻性較好。按照巖石力學試驗規程要求，將大理巖試樣加工成規格為直徑50mm、高100mm圓柱體，經過切割打磨后，使其平整度在0.3%范圍內，再經過篩選，選出最終試驗所需巖樣。

1.3 試驗方案

本文主要圍繞不同應力路徑下循環加卸載次數對巖石損傷破壞影響，進行常規三軸、恒圍壓循環加卸載、卸圍壓循環加卸載三種路徑試驗。具體工況如表1所示。

表1 不同應力路徑試驗工況

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變特征

圖1為常規三軸、恒圍壓循環加卸載、卸圍壓循環加卸載3種應力路徑，以及圍壓10～30MPa條件下的應力-應變曲線及滯回曲線。

圖1 圍壓10～30MPa不同路徑下應力-應變關系

由應力-應變曲線可得，峰前起始階段至彈性階段，各路徑下應力-應變曲線接近，進入屈服不穩定階段后，各路徑應力-應變關系逐漸開始出現差異，隨著圍壓增大，這種差異愈加明顯。由常規三軸路徑看出，巖石抵達強度峰值后，經歷較長時間的應變屈服，圍壓較小為10MPa時發生突然破壞呈脆性，圍壓較大為20MPa、30MPa時，破壞逐漸顯延性。恒圍壓路徑下，經過彈性段的循環加卸載反復壓密閉合后，巖石內部消耗了一部分能量，在裂紋不穩定階段，抑制了巖石的變形能力，同時峰值應力緩慢下降。卸圍壓路徑下，在進行最后一次加軸壓卸圍壓時，由于圍壓卸載，巖石極限承載力降低，巖石提前發生破壞。對比不同路徑下大理巖破壞強度，由大到小依次為常規三軸加載、恒圍壓-循環加卸載、卸圍壓-循環加卸載。

循環加卸載路徑下在彈性段形成面積不一的滯回環，當圍壓較小時，呈滯回加卸載曲線接近重合，隨著圍壓增大，滯回環面積也增加，尤其是徑向應力-應變，滯回環由“坨線形”擴張至“紡錘形”。相同初始條件下，與恒圍壓路徑相比，卸圍壓下應力-應變滯回環面積更大。

2.2 動彈性模量特征

由于巖石內部本身存在一定的裂隙等缺陷，因此屬于一種非理想的彈性材料，在室內加卸載試驗過程中，其動應力-應變波形線變化不一致，存在滯后效應，即應力和應變演化在時間上并不完全對應，宏觀上表現為卸載段曲線不會沿著加載段曲線軌跡返回，而是從加載段下方迂回閉合形成滯回環。

滯回環的平均斜率可表示動彈性模量Ed的大小，其計算方法為：

式中：Ed，——動彈性模量；

σdmax、σdmin——分別為滯回曲線上限和下限偏應力；

εdmax、εdmin——分別為滯回曲線上限和下限偏應變。

在初始階段的循環加卸載作用下，巖石內部的原生裂隙逐漸被壓密，其抵抗變形能力增強，因此巖石彈性模量也逐漸增大，尤其在首次加載后增大較明顯；隨著圍壓增大，巖石變形約束越強，彈性模量增大后更快趨于穩定狀態。循環加卸載過程中，卸圍壓下的彈性模量整體低于恒圍壓下的，并且圍壓越大，兩者彈性模量差異越小。分析原因為：卸圍壓加載方式下，軸力加載的同時卸載圍壓，圍壓對巖石的約束變弱，巖石抵抗加載變形能力減弱，而圍壓較大時，經過卸載后剩余圍壓較高，巖石抵抗變形能力相對強。由于加載上限為60%峰值極限水平，本次試驗循環20次加卸載段尚且處于彈性變形階段，巖石發生“硬化現象”[3]，因此循環加卸載全程的動彈性模量曲線整體呈“波浪式”緩慢上升，結合相關的研究：彈性模量隨循環次數先增大后減小[4]，可推測：當加載次數達到一定循環極限時，巖石內部累積一定損傷后，將過渡到裂紋不穩定發展階段，彈性模量又會逐漸下降。

在恒圍壓路徑下，圍壓越大，平均動彈性模量越小，10～30MPa下的平均動彈性模量分別為48.3GPa、46.0GPa、44.0GPa，20MPa、30MPa圍壓下的動彈性模量較10MPa時分別降低了4.76%、8.90%；在卸圍壓路徑下，圍壓越大，平均動彈性模量越大，10～30MPa圍壓下的平均動彈性模量分別為40.8GPa、45.4GPa、43.3GPa，在20MPa、30MPa圍壓下的動彈性模量較10MPa下的分別提高了11.27%、6.13%。

3 結束語

（1）不同路徑下應力-應變曲線彈性段演變基本一致，塑性屈服段差異較大，隨圍壓增加，差異越明顯；恒圍壓和卸圍壓循環加卸載路徑相較常規三軸路徑，在經歷彈性段疲勞荷載循環作用下，峰值強度都有不同程度的降低。

（2）循環加卸載下，在彈性階段加卸載曲線形成滯回環，滯回環面積、形狀與圍壓相關，即隨圍壓增加逐漸增大。

（3）巖石在彈性段經歷循環加卸載后，發生硬化現象，抵抗變形能力增強，動彈性模量波動式增大；增加圍壓，恒圍壓下平均動彈性模量下降，卸圍壓下平均動彈性模量上升，加卸載全過程中恒圍壓路徑下的平均動彈性模量比卸圍壓路徑下的平均動彈性模量大。