巖石卸荷狀態(tài)下的變形破壞特征

巖石卸荷狀態(tài)下的變形破壞特征

1圍巖位移破壞在巖石實(shí)驗(yàn)力學(xué)中，現(xiàn)在主要研究巖石的變形和破壞，很少有人研究巖石的變形和破壞特征。然而，在巖石流合作用的人類工程活動(dòng)和地質(zhì)作用過(guò)程中，巖石流合作用被廣泛用于巖石流合作用的特征，如水井開(kāi)挖、采礦、隧道開(kāi)挖、河流下井、區(qū)域剝削等。此外，由于荷花去除，巖石變形和破壞非常普遍。例如，基坑開(kāi)挖后底部突出，水平層破裂，并沿現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)。地下帶中的巖石爆、底鼓和邊緣墻倒塌。隨著巖石力學(xué)的深入研究，人們?cè)絹?lái)越重視巖石的實(shí)際變形和破壞。專家們呼吁，在巖石流合作用下，應(yīng)進(jìn)行巖石流合作用的變形和破壞研究。因此，作者在三軸壓上進(jìn)行了一次破裂開(kāi)挖試驗(yàn)，并對(duì)玄武巖的變形和破壞特征進(jìn)行了深入研究。本文介紹了這一領(lǐng)域的初步成果，并希望更多的科學(xué)家對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。2試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案等圍壓三軸試驗(yàn)的應(yīng)力途徑可以有以下六種(圖1):a)恒圍壓,加軸壓;b)恒軸壓,卸圍壓;c)加軸壓,卸圍壓;d)軸壓與圍壓不等量同時(shí)增加,軸壓增加大于圍壓;e)軸壓與圍壓不等量減少,圍壓降低量大于軸壓;f)軸壓與圍壓等量減少.由圖可見(jiàn),不同的應(yīng)力途徑試樣所處的應(yīng)力狀態(tài)明顯不同,b、c、e、f屬于卸荷應(yīng)力途徑,前五種應(yīng)力途徑的實(shí)質(zhì)都是增加應(yīng)力差(σ1-σ3)使試樣破壞,最后一種應(yīng)力途徑是應(yīng)力差為常數(shù),軸壓和圍壓等量減少,莫爾圓在σ軸上向強(qiáng)度包絡(luò)線平移逼近,從而促使試樣破壞.本次試驗(yàn)選擇下列三種類型的應(yīng)力途徑:(1)假定剝蝕卸荷過(guò)程中,殘余構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最大壓應(yīng)力保持不變.選擇應(yīng)力途徑b進(jìn)行試驗(yàn),稱之為UL-1試驗(yàn).(2)玄武巖理想均質(zhì)體的平面有限元計(jì)算表明,卸荷過(guò)程中圍壓(σ3)的減少,通常導(dǎo)致最大主應(yīng)力(σ1)的少量增加.統(tǒng)計(jì)得出σ1的增量Δσ1與σ3的減少量Δσ3之比為0.45.據(jù)此,選擇應(yīng)力途徑c進(jìn)行試驗(yàn),稱之為UL-2型試驗(yàn).(3)為將卸荷試驗(yàn)結(jié)果與加荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,同時(shí)選擇恒圍壓、加軸壓這一常規(guī)應(yīng)力途徑(a),稱為L(zhǎng)L型試驗(yàn).具體試驗(yàn)方案為:UL-1型:先按靜水壓力加載,使圍壓分別達(dá)到30、40、90、100、120、130MPa,繼續(xù)增加軸壓至巖石破壞前的某一應(yīng)力狀態(tài)(這相當(dāng)于模擬巖體中應(yīng)變能的儲(chǔ)備過(guò)程),然后保持軸壓不變,轉(zhuǎn)而逐級(jí)減少圍壓至試樣破壞.UL-2型:其試驗(yàn)方法基本上與UL-1型試驗(yàn)一致,只是在卸除圍壓的同時(shí),按照Δσ1/Δσ3=0.45的比例增加軸壓,直至試樣破壞.這組試驗(yàn)靜水壓力狀態(tài)時(shí)的圍壓分別加到110、120、130、140MPa.LL型:開(kāi)始按靜水壓力狀態(tài)加載,使圍壓分別達(dá)到5、10、30、40、50MPa時(shí),保持圍壓不變,增加軸壓至試樣破壞.這相當(dāng)于在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或工程荷載作用下,巖體較短時(shí)間內(nèi)破壞.3試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)所用的玄武巖巖樣取自大渡河銅街子水電站壩區(qū)二疊系峨眉山玄武巖(P2β)第五層的堅(jiān)硬層()中,主要礦物成分為基性斜長(zhǎng)石和普通輝石,含磁鐵礦及少量黃鐵礦.試樣新鮮、致密、堅(jiān)硬,無(wú)宏觀裂隙和氣孔、杏仁.試樣為圓柱形,直徑為5cm,高為10cm.試驗(yàn)在長(zhǎng)江500型三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)上完成,按等應(yīng)力加載和等應(yīng)力卸載方式,以每秒0.2MPa的加、卸載速率,共進(jìn)行了15個(gè)試樣的試驗(yàn).經(jīng)資料整理,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析如下:3.1材料的變形試驗(yàn)試驗(yàn)后以靜水壓力狀態(tài)時(shí)的變形作為應(yīng)變軸的起始點(diǎn),繪出LL、UL-1、UL-2型試驗(yàn)的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線,其典型曲線分別如圖2、圖3、圖4所示.典型曲線對(duì)應(yīng)的試樣,破壞時(shí)的圍壓分別為10、1、10MPa.由圖2可見(jiàn),LL型常規(guī)試驗(yàn)的結(jié)果與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同,只是破壞前試樣體積應(yīng)變曲線(εv)沒(méi)有明顯向膨脹方向彎曲.這可能與玄武巖堅(jiān)脆,破壞多具突發(fā)性,測(cè)量?jī)x器未能記下破壞時(shí)體積的突然膨脹有關(guān).圖3為UL-1型試驗(yàn)的典型σ-ε曲線,其中I區(qū)為從靜水壓力狀態(tài)開(kāi)始繼續(xù)增加軸壓至試樣破壞前的某一應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的σ-ε曲線;Ⅱ區(qū)是在恒定軸壓,卸圍壓時(shí)測(cè)得的σ-ε曲線.可見(jiàn)從Ⅰ區(qū)到Ⅱ區(qū),試樣的變形出現(xiàn)非常明顯的變化:側(cè)向變形曲線(ε3)的斜率變小,表明側(cè)向膨脹加速;而軸向變形曲線(ε1)的斜率變大,說(shuō)明軸向壓縮變形減慢.相應(yīng)的體積應(yīng)變(εv)也由壓縮迅速轉(zhuǎn)為膨脹.試樣臨近破壞時(shí)變形曲線未出現(xiàn)明顯變化.UL-2型試驗(yàn)的典型σ-ε曲線(見(jiàn)圖4)的I區(qū)與UL-1型試驗(yàn)曲線相同,Ⅱ區(qū)為按Δσ1/Δσ3=0.45的比例,在卸圍壓的同時(shí),增加軸壓所得的曲線.對(duì)比圖3與圖4可知,這兩種類型試驗(yàn)的變形特征大致相同.僅僅是從Ⅰ區(qū)進(jìn)入Ⅱ區(qū)時(shí),變形特征變化程度有所差異.這可能與卸荷途徑中圍壓的影響以及卸圍壓的同時(shí),軸壓有所增加有關(guān).將圖3、圖4與圖2對(duì)比可以看出,UL-1、UL-2型試驗(yàn)在加載區(qū)(Ⅰ區(qū))的變形規(guī)律與加載途徑的LL試驗(yàn)的變形規(guī)律一致,而在卸載區(qū)(Ⅱ區(qū))的變形規(guī)律則出現(xiàn)顯著差別.試樣從卸載一開(kāi)始便出現(xiàn)體積膨脹,體積應(yīng)變的變化規(guī)律取決于側(cè)向變形的變化趨勢(shì).分析認(rèn)為,實(shí)際上巖體在長(zhǎng)期的殘余應(yīng)力作用下,其加載部分變形已經(jīng)完成.因此,將圖3和圖4虛線以下由加載產(chǎn)生的變形忽略不計(jì),只考慮虛線以上卸荷引起的變形,并假定這部分變形從零開(kāi)始.這樣繪出卸荷部份的σ-ε曲線如圖5和圖6所示.將其與LL型試驗(yàn)的σ-ε曲線(圖2)比較可以看出,卸荷應(yīng)力途徑中,無(wú)論試樣破壞時(shí)的圍壓與加載途徑試樣破壞時(shí)的圍壓相同(圖4與圖2)還是不同(圖3與圖2),試樣側(cè)向應(yīng)變(ε3)都明顯增大.由圖可見(jiàn),圖6的側(cè)向應(yīng)變曲線向軸向應(yīng)變曲線靠擾,而圖5的側(cè)向應(yīng)變曲線則跨越軸向應(yīng)變曲線,側(cè)向應(yīng)變大于軸向應(yīng)變,表現(xiàn)為明顯的擴(kuò)容.這一現(xiàn)象和常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果(LL型)是相矛盾的.筆者認(rèn)為,出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是受應(yīng)力途徑的影響.如圖7所示,卸荷應(yīng)力狀態(tài)實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于在原來(lái)應(yīng)力狀態(tài)下疊加了一個(gè)側(cè)向的拉應(yīng)力,試樣表面極易產(chǎn)生平行于σ1方向的張裂紋.這種張裂紋的出現(xiàn),使試樣表面的應(yīng)力有所釋放,并向內(nèi)部調(diào)整轉(zhuǎn)移.同時(shí),裂紋也隨之向內(nèi)部發(fā)展.但這一過(guò)程的發(fā)生并未導(dǎo)致試樣的整體破壞,在宏觀上即表現(xiàn)為試樣明顯側(cè)向擴(kuò)容.3.2破壞面為張性破裂面而非破裂面三種應(yīng)力途徑試樣的破壞均表現(xiàn)為脆性破壞.破壞形式如圖8所示.其中a、b、c分別為L(zhǎng)L型、UL-1型和UL-2型試驗(yàn)試樣破壞后的照片,從左至右試樣破壞時(shí)的圍壓逐漸增高.觀測(cè)得知:無(wú)論哪種類型的試驗(yàn),隨著試樣破壞時(shí)的圍壓增加,破壞形式均從張性破壞向剪切破壞過(guò)渡.分別測(cè)量其破壞面與軸向應(yīng)力σ1方向的夾角(破裂角)列于表1.可見(jiàn),張性破裂面一般近似平行于σ1,而剪切破裂角則隨破壞時(shí)的圍壓增高而逐漸增大.這和前人在常規(guī)試驗(yàn)下的研究結(jié)果是一致的.值得注意的是,UL型試驗(yàn)的試樣在卸荷過(guò)程中表現(xiàn)出累進(jìn)性破壞特征.一般破壞前可聽(tīng)到由于裂紋擴(kuò)展能量釋放而導(dǎo)致的聲響,隨后在穩(wěn)壓過(guò)程中試樣破壞,并發(fā)出劇烈聲響.此外,這類試驗(yàn)的試樣破壞嚴(yán)重,尤以UL-1型為甚(圖8b).通常在試樣表面附近有卸荷剝落的張性薄片,有的甚至被破壞時(shí)的突然擴(kuò)容而折斷.同時(shí),試樣的破壞形式與LL型相比也有一定的差異,一般剪切破壞面在部分地段追蹤張性破裂面而發(fā)育,破壞具有張剪性質(zhì).這些現(xiàn)象是由卸荷這一特定的應(yīng)力途徑所決定的:試樣表面附近張裂紋的不斷擴(kuò)展,最終造成試樣表面張性剝落,而試樣內(nèi)部先期產(chǎn)生的張裂紋,往往被剪切面追蹤,發(fā)展為張剪性破裂面.3.3試驗(yàn)的強(qiáng)度特性以試樣破壞時(shí)的軸向應(yīng)力σ和圍壓σ3為坐標(biāo)軸,繪出破壞時(shí)σ1-σ3關(guān)系曲線如圖9所示.由圖可見(jiàn),UL-2型試驗(yàn)的強(qiáng)度比LL型試驗(yàn)的強(qiáng)度有增高的趨勢(shì).但由于試樣較少,加之試樣本身結(jié)構(gòu)的影響,尚難確定卸荷對(duì)強(qiáng)度特性影響的規(guī)律性,待進(jìn)一步探索.圖9各型試驗(yàn)的強(qiáng)度特性比較4卸荷應(yīng)力狀態(tài)(1)試驗(yàn)結(jié)果表明,巖石不但可以在加載狀態(tài)下破壞,而且也可以在卸載狀態(tài)下破壞.(2)卸荷應(yīng)力狀態(tài)下玄武巖可以產(chǎn)生張性破裂,也可以產(chǎn)生剪性破裂,而且剪切破裂往往部分追蹤張性破裂面,發(fā)展為張剪性破裂.(3)卸荷應(yīng)力狀態(tài)下,隨著破壞時(shí)圍壓的增大,試樣破壞形式逐漸由張性破壞過(guò)渡到張剪性破壞,而且張剪性破裂角也隨破壞時(shí)圍壓的增大而增大.