高地應(yīng)力區(qū)巖體循環(huán)加卸載試驗研究

高地應(yīng)力區(qū)巖體循環(huán)加卸載試驗研究

1殘余強度的影響因素在地下工程中，地下道路、洞穴室、溝槽和采井的力學特性密切相關(guān)。巖石破壞后的力學特性對土木工程的研究非常重要。從20世紀70年代開始,人們開始認識到巖體破壞后研究的重要性并開展了許多有意義的工作[3~9]。其中關(guān)于巖體破壞后脆性跌落段的描述已有許多研究,多數(shù)學者認為脆塑性理論更符合實際[10~13],但對于巖體殘余強度階段的力學性質(zhì)研究卻較為少見。金濟山等研究了大理巖在不同圍壓下(10~200MPa)循環(huán)加卸載對殘余強度及彈性模量的影響規(guī)律,認為在較低圍壓下,巖樣的殘余強度與循環(huán)加載次數(shù)有關(guān),而在高圍壓下無關(guān),但未考慮低圍壓狀態(tài)及循環(huán)加卸載時卸荷量大小對巖體殘余強度的影響。地下巖體工程尤其是在高地應(yīng)力區(qū)地下洞室開挖工程中,開挖將導致原巖應(yīng)力重新分布,環(huán)向應(yīng)力增加,徑向應(yīng)力減小,即其開挖后的力學狀態(tài)表現(xiàn)為環(huán)向加載而徑向卸荷,徑向應(yīng)力的卸荷將導致一定范圍內(nèi)產(chǎn)生巖石松動破環(huán)圈,該范圍內(nèi)的巖體實際上多是處于較低圍壓狀態(tài)下,已達到殘余強度狀態(tài)的含節(jié)理巖體或破碎巖體。已有研究表明,低圍壓下殘余強度表現(xiàn)出對圍壓變化具有極強的敏感性,較低的圍壓就可大幅提高巖體的殘余強度。在施工過程及建筑物運行過程中,巖體又受到開挖卸荷、爆破及一些其他循環(huán)荷載的影響。因此,研究不同圍壓下,處于殘余強度狀態(tài)巖體的承載力及在加卸載應(yīng)力路徑下的力學響應(yīng)具有很重要的工程意義。本文擬通過試驗研究循環(huán)加卸載對已經(jīng)破壞處于殘余強度階段巖體的影響,著重分析巖體在不同圍壓及卸荷程度下殘余強度的變化規(guī)律。2準備和測試方案2.1節(jié)理成巖巖結(jié)構(gòu)試驗所用巖塊為四川紅砂巖,質(zhì)地均勻細密,無風化現(xiàn)象,無可見節(jié)理,總體連續(xù)性、完整性很好,為新鮮巖體,水平層理明顯,鉆樣方向均垂直于節(jié)理。巖樣按50mm×100mm(直徑×高度)圓柱體進行制備。2.2應(yīng)力控制試驗試驗采用以下5個方案:(1)按靜水壓力條件逐步施加(速率0.05MPa/s)σ1=σ3至預定值;(2)穩(wěn)定σ3,逐步增高σ1(采用位移控制,加載速率0.002mm/s)至巖樣破壞;(3)繼續(xù)以軸向位移控制施加軸向應(yīng)力直至應(yīng)力差(σ1-σ3)不隨軸向應(yīng)變的增加而降低;(4)采用應(yīng)力控制,以一定速率將軸力卸荷至殘余強度的10%,30%,70%;(5)增大σ1(采用位移控制,加載速率0.002mm/s)至應(yīng)力差(σ1-σ3)不隨軸向應(yīng)變的增加而增加時卸荷,周而復始,循環(huán)加卸載至試驗結(jié)束。試驗在中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT–150C型巖石力學剛性伺服試驗機上進行(見圖1)。3再次加載時巖體殘余強度圖2為典型巖樣不同圍壓、不同卸荷量時巖樣峰后循環(huán)加卸載應(yīng)力–應(yīng)變曲線。循環(huán)加卸載均在巖樣已達到殘余強度的基礎(chǔ)上進行。從圖2中可以看出,不同圍壓下(30,20,10,5,1MPa),不同的卸荷量(90%,70%,30%)造成巖樣的殘余強度變化規(guī)律不同,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,殘余強度或逐漸增大,或逐漸減小,或基本保持不變,但無論如何變化,最終都趨于一個定值,具體分析如下:(1)圍壓為10MPa圖3(a)為圍壓10MPa時不同卸荷量條件下?σr和加卸載循環(huán)次數(shù)關(guān)系。其中?σr為每次循環(huán)后巖樣殘余強度相對于初始值的變化百分比。從圖3中可以看出:(2)當卸荷量為70%時,循環(huán)加卸載對巖體殘余強度影響較大,殘余強度隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增多而逐漸降低,并逐漸趨于穩(wěn)定。從以后的分析中也可以看出,盡管巖樣的初始應(yīng)力條件和卸荷量不同,但殘余強度變化規(guī)律均可用以下函數(shù)擬合,只是不同的條件下擬合函數(shù)中的參數(shù)值不同:式中:x為循環(huán)次數(shù);y為殘余強度變化百分比;0F為循環(huán)加卸載時初始圍壓;AF0為曲線衰減或增加幅度;t為曲線衰減或增加系數(shù);0y為當循環(huán)次數(shù)無限大時,殘余強度變化量極限值。當卸荷量為70%時,殘余強度衰減擬合函數(shù)為此時殘余強度最大可降低12%。(3)當卸荷量為90%時,軸向荷載卸荷量較大,卸荷作用使得巖樣中原有節(jié)理張開、擴展或者生成新的節(jié)理,但由于圍壓較高,卸荷后,巖體中節(jié)理在圍壓作用下被壓密,再次加載時巖體仍有較高的承載力,殘余強度變化幅度很小,變化量不超過初始值的1%。(2)圍壓為5MPa圖3(b)為圍壓5MPa時?σr和加卸載循環(huán)次數(shù)關(guān)系。從圖3(b)中可以看出,圍壓較低時,殘余強度受循環(huán)加卸載影響較大,無論卸荷量較大或者較小,均隨著循環(huán)次數(shù)的增多而降低,并逐漸趨于穩(wěn)定值,其變化量隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系仍可用式(1)擬合。(1)當卸荷量為30%時,殘余強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低,其衰減擬合函數(shù)為此時殘余強度最大可降低10%。(2)當卸荷量為70%時,循環(huán)加卸載對巖體殘余強度影響較大,殘余強度隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增多而逐漸降低并趨于穩(wěn)定,其衰減擬合函數(shù)為此時殘余強度最大可降低22%。(3)當卸荷量為90%時,由于卸荷量較大造成巖樣損傷,質(zhì)量下降,再次加載時巖體殘余強度有一定程度的降低。其衰減擬合函數(shù)為此時殘余強度最大可降低9%。(3)圍壓為1MPa圖3(c)為圍壓1MPa時?σr和加卸載循環(huán)次數(shù)關(guān)系。從圖3(c)中可以看出,低圍壓下,殘余強度受循環(huán)加卸載影響很大,無論卸荷量較大或者較小,均隨著循環(huán)次數(shù)的增多而降低,其變化量隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系仍可用式(1)擬合。(1)當卸荷量為30%時,殘余強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低,其衰減擬合函數(shù)為此時殘余強度最大可降低14%。(2)當卸荷量為70%時,循環(huán)加卸載對巖體殘余強度有很大影響,由于圍壓較低,卸荷作用對巖體損傷程度較大,殘余強度隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增多而大幅降低,其衰減擬合函數(shù)為此時殘余強度最大可降低73%。(3)當卸荷量為90%時,由于圍壓較低,對于巖樣中節(jié)理裂紋的擴展不能起到有效的約束作用,卸荷作用使得巖樣中原有節(jié)理張開擴展并生成新的節(jié)理,巖體質(zhì)量急劇下降,再次加載時巖體殘余強度有較大幅度的降低。其衰減擬合函數(shù)為此時殘余強度最大可降低46%。(4)圍壓為20和30MPa通過以上分析可以看出,同一圍壓下,卸荷量為30%時,由于卸荷程度較低,循環(huán)加卸載并未造成巖體質(zhì)量大幅降低,巖體殘余強度所受影響最小;卸荷量為70%時,巖樣卸荷程度較高,卸荷作用使得巖樣中原有節(jié)理張開、擴展、貫通,再次加載時巖體殘余強度有所降低,且圍壓越低,降低幅度越大;而卸荷量為90%時,雖然卸荷過程對巖樣造成的損傷最大,但由于軸向荷載卸除后,圍壓對巖樣的壓密作用,再次加載時巖樣仍有較好的承載能力,因此卸荷量為90%時,殘余強度的衰減程度較卸荷量為30%時強,比卸荷量為70%時弱。殘余強度的衰減程度隨著圍壓的增大而逐漸減弱,這主要是由于巖體破壞后的破裂面并非理想的平直光滑面,而是粗糙不平且具有起伏的非光滑面。根據(jù)J.D.Byerlee巖石摩擦定律的結(jié)論:低壓巖石之間的摩擦因數(shù)與其表面的粗糙程度有關(guān),而高壓巖石之間的摩擦因數(shù)與其表面的粗糙程度幾乎沒有關(guān)系。巖樣的殘余強度實質(zhì)上是破裂面之間的摩擦性質(zhì)的反映。當巖樣破壞后處于低圍壓狀態(tài)時,破裂面上的正應(yīng)力較低,破裂巖塊可以沿破裂面上下錯動,降低了破裂面之間的粗糙度,摩擦力減小,殘余強度隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而逐漸降低;當圍壓逐漸增大時,破裂面上的正應(yīng)力較高,對破裂巖體的約束也逐漸增強,循環(huán)加載雖然使破裂面上的粗糙度降低了,但未減小摩擦因數(shù),巖體受到荷載作用后,不宜沿破裂面產(chǎn)生錯動,殘余強度隨循環(huán)次數(shù)的增加降低幅度逐漸減小甚至略有增加,說明峰值后巖體殘余強度對圍壓變化是非常敏感的。在工程實際中,圍巖開挖卸荷損傷后,較小的支護阻力即可使其殘余強度有較大的提高。為進一步研究高圍壓下循環(huán)加卸載對巖體殘余強度的影響,分別在圍壓20和30MPa時對2個巖樣進行峰后殘余強度加卸載試驗,由于卸荷量為70%時巖樣強度損失最大,因此高圍壓下僅考慮了卸荷量70%一種情況。圍壓20,30MPa時?σr和加卸載循環(huán)次數(shù)關(guān)系如圖4所示。圖中顯示,圍壓為20MPa時,由于圍壓較高,卸荷過程中產(chǎn)生的裂紋節(jié)理受到約束不能進一步擴展和展開,巖樣的殘余強度幾乎不受循環(huán)加卸載的影響,經(jīng)過6次加卸載循環(huán)后,巖樣強度的變化量不到1%;而圍壓為30MPa時,由于圍壓較高,軸向荷載卸荷時,巖體在圍壓作用下被進一步壓密,再次加載時承載能力不但沒有降低,反而隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大,最終趨向于一個穩(wěn)定值,這和前面所有試驗中分析所得圍壓對巖體強度的影響規(guī)律結(jié)果是一致的,圍壓越高,節(jié)理對巖體的影響程度就越低。高圍壓下巖體殘余強度隨圍壓增長規(guī)律的擬合公式為即圍壓為30MPa,卸荷量為70%時,殘余強度最大可增加12%。不同圍壓、不同卸荷程度下,巖樣殘余強度隨循環(huán)次數(shù)的增加最大變化百分比見表1。從以上分析可以看出,擬合函數(shù)式(1)可以較好的反應(yīng)殘余強度與加卸載循環(huán)次數(shù)之間的相互關(guān)系,式(1)中所含參數(shù)意義明確,既考慮了圍壓和卸荷量的影響,也很好的反映了殘余強度隨著循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸趨于一個穩(wěn)定值的規(guī)律。在同一圍壓下,系數(shù)A越大,說明殘余強度衰減的區(qū)間越大,強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加損失也越多,同一圍壓下,卸荷量為70%時巖樣殘余強度的降低值最大,其次為卸荷量為90%,30%時,對巖樣殘余強度造成的影響最小;t值越大,說明對應(yīng)的卸荷量下巖樣循環(huán)加卸載時殘余強度的變化速率越快;y0(絕對值)越大,說明巖樣經(jīng)過無數(shù)次加卸載殘余強度趨于穩(wěn)定時的變化量越大。當卸荷量相同時,圍壓越低,殘余強度降低程度越大。4循環(huán)加裝卸對殘余強度的影響本文通過巖體峰后循環(huán)加卸載試驗,研究了不同圍壓及卸荷程度對巖體殘余強度的影響。主要結(jié)論如下:(1)不同圍壓、不同卸荷量造成巖樣的殘余強度變化規(guī)律不同,但殘余強度變化規(guī)律均可用式(1)擬合,不同的條件下擬合函數(shù)中的參數(shù)值不同。(2)圍壓為10MPa,當卸荷量為30%時,循環(huán)加卸載幾乎對巖體殘余強度沒有影響,變化量不超過初始值的0.8%;當卸荷量為70%時,循環(huán)加卸載對巖體殘余強度影響較大,殘余強度隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增多而逐漸降低,最大可降低12%;當卸荷量為90%時,由于卸荷后巖體中節(jié)理在圍壓作用下被壓密,再次加載時殘余強度變化幅度很小,變化量不超過初始值的1%。(3)圍壓為5MPa,當卸荷量為30%時,殘余強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低,最大可降低10%;當卸荷量為70%時,循環(huán)加卸載對巖體殘余強度影響較大,最大可降低22%;當卸荷量為90%時,由于卸荷后圍壓壓密作用,殘余強度最大可降低9%。(4)圍壓為1MPa,當卸荷量為30%時,殘余強度隨著循環(huán)次