高地應(yīng)力區(qū)巖體循環(huán)加卸載試驗(yàn)研究

高地應(yīng)力區(qū)巖體循環(huán)加卸載試驗(yàn)研究

1殘余強(qiáng)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(xué)特性密切相關(guān)。巖石破壞后的力學(xué)特性對(duì)土木工程的研究非常重要。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到巖體破壞后研究的重要性并開(kāi)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(xué)者認(rèn)為脆塑性理論更符合實(shí)際[10~13],但對(duì)于巖體殘余強(qiáng)度階段的力學(xué)性質(zhì)研究卻較為少見(jiàn)。金濟(jì)山等研究了大理巖在不同圍壓下(10~200MPa)循環(huán)加卸載對(duì)殘余強(qiáng)度及彈性模量的影響規(guī)律,認(rèn)為在較低圍壓下,巖樣的殘余強(qiáng)度與循環(huán)加載次數(shù)有關(guān),而在高圍壓下無(wú)關(guān),但未考慮低圍壓狀態(tài)及循環(huán)加卸載時(shí)卸荷量大小對(duì)巖體殘余強(qiáng)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(kāi)挖工程中,開(kāi)挖將導(dǎo)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(kāi)挖后的力學(xué)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(dǎo)致一定范圍內(nèi)產(chǎn)生巖石松動(dòng)破環(huán)圈,該范圍內(nèi)的巖體實(shí)際上多是處于較低圍壓狀態(tài)下,已達(dá)到殘余強(qiáng)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(qiáng)度表現(xiàn)出對(duì)圍壓變化具有極強(qiáng)的敏感性,較低的圍壓就可大幅提高巖體的殘余強(qiáng)度。在施工過(guò)程及建筑物運(yùn)行過(guò)程中,巖體又受到開(kāi)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(qiáng)度狀態(tài)巖體的承載力及在加卸載應(yīng)力路徑下的力學(xué)響應(yīng)具有很重要的工程意義。本文擬通過(guò)試驗(yàn)研究循環(huán)加卸載對(duì)已經(jīng)破壞處于殘余強(qiáng)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(qiáng)度的變化規(guī)律。2準(zhǔn)備和測(cè)試方案2.1節(jié)理成巖巖結(jié)構(gòu)試驗(yàn)所用巖塊為四川紅砂巖,質(zhì)地均勻細(xì)密,無(wú)風(fēng)化現(xiàn)象,無(wú)可見(jiàn)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(jìn)行制備。2.2應(yīng)力控制試驗(yàn)試驗(yàn)采用以下5個(gè)方案:(1)按靜水壓力條件逐步施加(速率0.05MPa/s)σ1=σ3至預(yù)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(qiáng)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(shí)卸荷,周而復(fù)始,循環(huán)加卸載至試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT–150C型巖石力學(xué)剛性伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(見(jiàn)圖1)。3再次加載時(shí)巖體殘余強(qiáng)度圖2為典型巖樣不同圍壓、不同卸荷量時(shí)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(dá)到殘余強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)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(qiáng)度變化規(guī)律不同,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,殘余強(qiáng)度或逐漸增大,或逐漸減小,或基本保持不變,但無(wú)論如何變化,最終都趨于一個(gè)定值,具體分析如下:(1)圍壓為10MPa圖3(a)為圍壓10MPa時(shí)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(qiáng)度相對(duì)于初始值的變化百分比。從圖3中可以看出:(2)當(dāng)卸荷量為70%時(shí),循環(huán)加卸載對(duì)巖體殘余強(qiáng)度影響較大,殘余強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度變化百分比;0F為循環(huán)加卸載時(shí)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(dāng)循環(huán)次數(shù)無(wú)限大時(shí),殘余強(qiáng)度變化量極限值。當(dāng)卸荷量為70%時(shí),殘余強(qiáng)度衰減擬合函數(shù)為此時(shí)殘余強(qiáng)度最大可降低12%。(3)當(dāng)卸荷量為90%時(shí),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(kāi)、擴(kuò)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(shí)巖體仍有較高的承載力,殘余強(qiáng)度變化幅度很小,變化量不超過(guò)初始值的1%。(2)圍壓為5MPa圖3(b)為圍壓5MPa時(shí)?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(shí),殘余強(qiáng)度受循環(huán)加卸載影響較大,無(wú)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(dāng)卸荷量為30%時(shí),殘余強(qiáng)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(shí)殘余強(qiáng)度最大可降低10%。(2)當(dāng)卸荷量為70%時(shí),循環(huán)加卸載對(duì)巖體殘余強(qiáng)度影響較大,殘余強(qiáng)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(shí)殘余強(qiáng)度最大可降低22%。(3)當(dāng)卸荷量為90%時(shí),由于卸荷量較大造成巖樣損傷,質(zhì)量下降,再次加載時(shí)巖體殘余強(qiáng)度有一定程度的降低。其衰減擬合函數(shù)為此時(shí)殘余強(qiáng)度最大可降低9%。(3)圍壓為1MPa圖3(c)為圍壓1MPa時(shí)?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(qiáng)度受循環(huán)加卸載影響很大,無(wú)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(dāng)卸荷量為30%時(shí),殘余強(qiáng)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(shí)殘余強(qiáng)度最大可降低14%。(2)當(dāng)卸荷量為70%時(shí),循環(huán)加卸載對(duì)巖體殘余強(qiáng)度有很大影響,由于圍壓較低,卸荷作用對(duì)巖體損傷程度較大,殘余強(qiáng)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(shí)殘余強(qiáng)度最大可降低73%。(3)當(dāng)卸荷量為90%時(shí),由于圍壓較低,對(duì)于巖樣中節(jié)理裂紋的擴(kuò)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(kāi)擴(kuò)展并生成新的節(jié)理,巖體質(zhì)量急劇下降,再次加載時(shí)巖體殘余強(qiáng)度有較大幅度的降低。其衰減擬合函數(shù)為此時(shí)殘余強(qiáng)度最大可降低46%。(4)圍壓為20和30MPa通過(guò)以上分析可以看出,同一圍壓下,卸荷量為30%時(shí),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(qiáng)度所受影響最小;卸荷量為70%時(shí),巖樣卸荷程度較高,卸荷作用使得巖樣中原有節(jié)理張開(kāi)、擴(kuò)展、貫通,再次加載時(shí)巖體殘余強(qiáng)度有所降低,且圍壓越低,降低幅度越大;而卸荷量為90%時(shí),雖然卸荷過(guò)程對(duì)巖樣造成的損傷最大,但由于軸向荷載卸除后,圍壓對(duì)巖樣的壓密作用,再次加載時(shí)巖樣仍有較好的承載能力,因此卸荷量為90%時(shí),殘余強(qiáng)度的衰減程度較卸荷量為30%時(shí)強(qiáng),比卸荷量為70%時(shí)弱。殘余強(qiáng)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(méi)有關(guān)系。巖樣的殘余強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上是破裂面之間的摩擦性質(zhì)的反映。當(dāng)巖樣破壞后處于低圍壓狀態(tài)時(shí),破裂面上的正應(yīng)力較低,破裂巖塊可以沿破裂面上下錯(cuò)動(dòng),降低了破裂面之間的粗糙度,摩擦力減小,殘余強(qiáng)度隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而逐漸降低;當(dāng)圍壓逐漸增大時(shí),破裂面上的正應(yīng)力較高,對(duì)破裂巖體的約束也逐漸增強(qiáng),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(cuò)動(dòng),殘余強(qiáng)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(shuō)明峰值后巖體殘余強(qiáng)度對(duì)圍壓變化是非常敏感的。在工程實(shí)際中,圍巖開(kāi)挖卸荷損傷后,較小的支護(hù)阻力即可使其殘余強(qiáng)度有較大的提高。為進(jìn)一步研究高圍壓下循環(huán)加卸載對(duì)巖體殘余強(qiáng)度的影響,分別在圍壓20和30MPa時(shí)對(duì)2個(gè)巖樣進(jìn)行峰后殘余強(qiáng)度加卸載試驗(yàn),由于卸荷量為70%時(shí)巖樣強(qiáng)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(shí)?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(shí),由于圍壓較高,卸荷過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋節(jié)理受到約束不能進(jìn)一步擴(kuò)展和展開(kāi),巖樣的殘余強(qiáng)度幾乎不受循環(huán)加卸載的影響,經(jīng)過(guò)6次加卸載循環(huán)后,巖樣強(qiáng)度的變化量不到1%;而圍壓為30MPa時(shí),由于圍壓較高,軸向荷載卸荷時(shí),巖體在圍壓作用下被進(jìn)一步壓密,再次加載時(shí)承載能力不但沒(méi)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(gè)穩(wěn)定值,這和前面所有試驗(yàn)中分析所得圍壓對(duì)巖體強(qiáng)度的影響規(guī)律結(jié)果是一致的,圍壓越高,節(jié)理對(duì)巖體的影響程度就越低。高圍壓下巖體殘余強(qiáng)度隨圍壓增長(zhǎng)規(guī)律的擬合公式為即圍壓為30MPa,卸荷量為70%時(shí),殘余強(qiáng)度最大可增加12%。不同圍壓、不同卸荷程度下,巖樣殘余強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加最大變化百分比見(jiàn)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(qiáng)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(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值的規(guī)律。在同一圍壓下,系數(shù)A越大,說(shuō)明殘余強(qiáng)度衰減的區(qū)間越大,強(qiáng)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(shí)巖樣殘余強(qiáng)度的降低值最大,其次為卸荷量為90%,30%時(shí),對(duì)巖樣殘余強(qiáng)度造成的影響最小;t值越大,說(shuō)明對(duì)應(yīng)的卸荷量下巖樣循環(huán)加卸載時(shí)殘余強(qiáng)度的變化速率越快;y0(絕對(duì)值)越大,說(shuō)明巖樣經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次加卸載殘余強(qiáng)度趨于穩(wěn)定時(shí)的變化量越大。當(dāng)卸荷量相同時(shí),圍壓越低,殘余強(qiáng)度降低程度越大。4循環(huán)加裝卸對(duì)殘余強(qiáng)度的影響本文通過(guò)巖體峰后循環(huán)加卸載試驗(yàn),研究了不同圍壓及卸荷程度對(duì)巖體殘余強(qiáng)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(qiáng)度變化規(guī)律不同,但殘余強(qiáng)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(dāng)卸荷量為30%時(shí),循環(huán)加卸載幾乎對(duì)巖體殘余強(qiáng)度沒(méi)有影響,變化量不超過(guò)初始值的0.8%;當(dāng)卸荷量為70%時(shí),循環(huán)加卸載對(duì)巖體殘余強(qiáng)度影響較大,殘余強(qiáng)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(dāng)卸荷量為90%時(shí),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(shí)殘余強(qiáng)度變化幅度很小,變化量不超過(guò)初始值的1%。(3)圍壓為5MPa,當(dāng)卸荷量為30%時(shí),殘余強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低,最大可降低10%;當(dāng)卸荷量為70%時(shí),循環(huán)加卸載對(duì)巖體殘余強(qiáng)度影響較大,最大可降低22%;當(dāng)卸荷量為90%時(shí),由于卸荷后圍壓壓密作用,殘余強(qiáng)度最大可降低9%。(4)圍壓為1MPa,當(dāng)卸荷量為30%時(shí),殘余強(qiáng)度隨著循環(huán)次