高春玉，徐 進，李忠洪

（1．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2．昆明勘測設(shè)計研究院勘察分院實驗中心，昆明 650051）

砂質(zhì)板巖加卸載力學(xué)特性的試驗研究

高春玉1，徐 進1，李忠洪2

（1．四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2．昆明勘測設(shè)計研究院勘察分院實驗中心，昆明 650051）

利用MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，對雪峰山隧道圍巖中的砂質(zhì)板巖開展三軸加卸載試驗，研究這種具微面理砂質(zhì)板巖的變形特性、強度特性及破壞規(guī)律，結(jié)果表明：平行面理試件（微面理平行最大主應(yīng)力）加、卸載條件下峰值強度相近；垂直面理試件（微面理垂直最大主應(yīng)力）卸載條件峰值強度低于加載條件約20%，殘余強度低于加載條件25%。平行面理時砂質(zhì)板巖表現(xiàn)為彈脆性特征，且卸載條件下的脆裂破壞特征比加載條件下更強。平行面理試件破壞面基本沿試樣中的微面理面方向發(fā)育，破壞是橫向強烈擴容引起的張性破壞。垂直面理時，加載條件下破裂面呈現(xiàn)對角線貫通性剪切破壞特征，卸載條件下破壞面從試件兩端的剪切屈服面向中部擴展，中部在剪張作用下破裂，與加載條件下單個貫通剪切面有顯著差別。

砂質(zhì)板巖；加卸載；力學(xué)特性；試驗研究

1 研究背景

隨著地下洞室和隧道工程的發(fā)展，巖體在卸載力學(xué)條件下的力學(xué)特性研究越來越受到重視。巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)是一種三向應(yīng)力狀態(tài)，實際工程中洞室和隧道開挖即是巖體的一個卸荷過程。伴隨著開挖的進行，巖體三向應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，此時圍巖的力學(xué)特性與加載情況下有較大差別。

針對這一情況研究人員進行了大量研究工作，哈秋舲［1］針對三峽工程永久船閘陡高邊坡開展巖體各向異性卸荷力學(xué)研究；裴建良［2］等對層狀大理巖的卸載力學(xué)特性進行了試驗研究，得到相同卸荷條件下，平行面理面壓縮時巖石更易發(fā)生破壞，垂直面理面時大理巖脆性特征更明顯；黃潤秋［3］等對卸荷條件下巖石變形特征進行研究，并建立了卸荷巖石峰后脆性段本構(gòu)方程；高春玉［4］等通過三軸加卸載試驗對大理巖在加載和多個卸載路徑條件下的變形及強度變化規(guī)律進行了對比研究；李天斌和王蘭生［5］研究了卸荷應(yīng)力狀態(tài)下玄武巖的變形和破壞特征；李建林［6］在專著中總結(jié)了巖體的卸荷力學(xué)特性。大量研究表明：巖石在卸載條件下的力學(xué)特性與常規(guī)試驗條件下差異較大，而不同巖性巖體卸載條件下的力學(xué)特性仍有許多研究有待開展。

本文結(jié)合雪峰山隧道工程實際，對取自該工程現(xiàn)場的砂質(zhì)板巖巖樣開展三軸加載與三軸卸載試驗，研究雪峰山隧道具微面理砂質(zhì)板巖的卸載力學(xué)特性，并對試驗結(jié)果進行比較分析，得到該砂質(zhì)板巖在最大主應(yīng)力垂直面理和平行面理時的強度特征、變形破壞特征及主要力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。

2 試驗方案及試驗條件

2．1 試件制備

試驗所用巖樣采自雪峰山隧道工程現(xiàn)場，試件巖性主要為硅化砂質(zhì)板巖，鉆取的試件按照巖石試件取樣洞段分左右洞編號。相同方案的試件均取自同一巖塊。試件尺寸為Φ50 mm×100 mm的標準圓柱體；巖石試件按微面理與最大主應(yīng)力夾角分為平行面理（β＝0°）和垂直面理（β＝90°）兩類。

2．2 試驗設(shè)備

本次研究的試驗均在四川大學(xué)MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗機上進行，該試驗機具有足夠大的剛度和計算機程控高速閉環(huán)伺服控制，可采集到單軸及三軸試驗的全過程曲線。

2．3 試驗方案及方法

三軸試驗分以下2個方案（見表1）。

方案Ⅰ：常規(guī)三軸試驗，其試驗程序按照試驗規(guī)范［7］進行。試驗按夾角不同分2組，每組4個樣，圍壓分別為10，20，40和60 MPa。三軸試驗以0．05 MPa／s的速率施加到設(shè)定圍壓，待圍壓穩(wěn)定后，以0．5 MPa／s的力控制加載速率施加軸向荷載至巖樣峰值荷載的70%左右，之后轉(zhuǎn)為環(huán)向引伸計控制，得到全過程曲線，直至巖石試件破壞。

方案Ⅱ：卸荷三軸試驗，用加軸壓降圍壓的試驗來模擬工程開挖引起的圍巖應(yīng)力變化過程中最大主應(yīng)力σ1增高，最小主應(yīng)力σ3降低的力學(xué)過程。試驗分為4個階段：第一階段逐步施加σ3至預(yù)定值40 MPa；第二階段逐步升高σ1至比例極限；第三階段緩慢升高σ1的同時逐步降低σ3；第四階段是試件破壞后效應(yīng)的測試，試件破壞后繼續(xù)施加軸向應(yīng)變，直至主應(yīng)力差不隨軸向應(yīng)變的增加而降低時結(jié)束試驗。試驗按夾角不同分2組，平行面理組2個樣，垂直面理組4個樣。

表1 試件分組Table 1 G roups of specim ens

3 試驗結(jié)果及分析

3．1 變形特征

三軸加載條件的典型應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線如圖1（所選試樣圍壓均為40 MPa），平行面理時（如圖1（a）），應(yīng)力－應(yīng)變曲線在主應(yīng)力差達到峰值后經(jīng)歷了較長的不穩(wěn)定破裂過程，具有明顯的彈脆性材料的特性［8］，應(yīng)力差達到峰值前變形較小，峰值后軸向應(yīng)變變化較小，環(huán)向應(yīng)變及體積應(yīng)變增加較大，說明破壞是由橫向強烈擴容引起的［9］。

垂直面理時（如圖1（b）），應(yīng)力差達到峰值以后變形進入了軟化階段，并迅速破壞。峰值后基本沒有不穩(wěn)定破裂階段，但經(jīng)歷了一個較明顯的應(yīng)力降低而應(yīng)變增大的擴容過程。應(yīng)變值在應(yīng)力峰值前明顯大于平行面理，表現(xiàn)出延性特征。并且在破壞前軸向變形較大，破壞后橫向與軸向變形增長量相近，試件變形主要由交層剪切破壞［1］產(chǎn)生。

從圖1可以看出，2種面理方向試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線差異明顯。平行面理試件呈現(xiàn)脆性破壞特征，而垂直面理試件呈峰后軟化特征［10］。平行面理試件有一個明顯的急劇擴容過程，殘余強度的體變達到14×10－3，垂直面理時只有8．5×10－3，說明微面理平行于最大主應(yīng)力時，破壞后試件變形更大。平行面理時彈性模量和變形模量分別比垂直面理時約大6%和20%，而側(cè)脹系數(shù)在平行面理時明顯小于垂直面理時，三軸加載條件下夾角對泊松比的影響不明顯。

圖1 三軸加載試驗典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig．1 Typical comp lete stress-strain curves of triaxial loading tests

三軸卸載條件的典型應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線如圖2（所選試樣圍壓均為40 MPa），曲線變化規(guī)律與三軸加載條件下相似。垂直面理試件破壞時應(yīng)力應(yīng)變曲線呈圓滑過渡，并沒有能量的瞬間釋放，變形破裂經(jīng)歷了線彈性變形、非線性變形、穩(wěn)定破裂、破壞幾個階段。平行面理試件破壞過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線各階段轉(zhuǎn)折尖棱，并伴有高低起伏，沒有圓滑的過渡階段，不穩(wěn)定破裂階段在體應(yīng)變達到10×10－3時基本結(jié)束，這一階段在加載條件下對應(yīng)的體應(yīng)變?yōu)?．2×10－3，約為卸載條件下的20%，而二者的體變在達到殘余強度時相近，表明卸載條件下平行面理試件顯示出更強的脆裂破壞特征。峰值前平行面理的環(huán)向應(yīng)變約為垂直面理情況下的80%；平行面理彈性模量和變形模量分別比垂直面理時約大60%和85%，這一比例遠大于加載條件，說明卸載條件下試件的彈脆性特征較加載條件下更顯著。

圖2 三軸卸載試驗典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig．2 Typical com plete stress-strain curves of triaxial unloading tests

3．2 強度特征

三軸加載條件試驗組中，平行面理和垂直面理試件的峰值強度與殘余強度都隨圍壓的增大呈增大趨勢。兩組試件破壞時主應(yīng)力差（σ1－σ3）max與殘余強度相近。

三軸卸載條件試驗組中，平行面理和垂直面理試件以相同初始圍壓（40 MPa）開始卸載，試驗得到平行面理的峰值強度與殘余強度都較垂直面理高約20%，卸載條件下試件強度差異增大。卸載條件下垂直面理試件的強度比相同圍壓加載條件試件的強度降低約20%。

對加、卸載條件下各組試件峰值強度和殘余強度值進行比較，平行面理時，加、卸載條件下峰值強度相近，垂直面理時，卸載條件峰值強度低于加載條件20%，殘余強度低于加載條件25%。

三軸加、卸載試驗得到的結(jié)果列于表2。

3．3 破壞特征

加載試驗試件的破壞特征如圖3。平行面理時（如圖3（a）），破壞面基本沿試樣中的面理方向發(fā)育，破裂面分散，破壞是由橫向強烈擴容引起的張性破壞，說明微面理是巖體中的弱面，當(dāng)這種弱面與巖體最大主應(yīng)力方向相近或平行時，它就控制了巖石的破壞方式和破壞特征。垂直面理時（如圖3（b）），破裂面呈現(xiàn)對角線貫通性剪切破壞特征，破壞面與面理和最大主應(yīng)力方向的夾角都較大。兩種面理方向時破壞形式的差異顯著，面理方向?qū)r石的破壞形式有較大影響，也導(dǎo)致平行面理時強度較垂直面理時低。

卸載試驗試件的破壞特征如圖4。平行面理時（如圖4（a）），破壞面與加載條件下相同，基本沿試樣中的微面理面方向發(fā)育，相同的破壞方式使得二者的強度相近。垂直面理時（如圖4（b）），破壞面從試件兩端的剪切屈服面向中部擴展，中部在剪張作用下破裂，與加載條件下單個貫通剪切面有顯著差別，所以，卸載條件下其強度較加載條件下低。

表2 試驗結(jié)果Table 2 Test results

圖3 三軸加載試驗典型破壞形態(tài)Fig．3 Typical failurem odes of triaxial loading tests

圖4 三軸卸載試驗典型破壞形態(tài)Fig．4 Typical failuremodes of triaxial unloading tests

4 結(jié) 論

本文結(jié)合雪峰山隧道工程實際，通過隧道圍巖中具典型微面理砂質(zhì)板巖的常規(guī)三軸和卸載三軸試驗研究，得到如下結(jié)論：

（1）平行面理時，在加、卸載兩種條件下砂質(zhì)板巖變形均表現(xiàn)出彈脆性特征，應(yīng)力差達到峰值前變形較小，峰值后軸向應(yīng)變變化較小，環(huán)向應(yīng)變及體積應(yīng)變增加較大，強烈橫向擴容導(dǎo)致試樣破壞；加載條件下不穩(wěn)定破裂階段體應(yīng)變僅為卸載條件同階段的20%，說明卸載條件下的脆裂破壞更強烈，破壞產(chǎn)生的變形更大。

（2）垂直面理時，在加、卸載兩種條件下變形均表現(xiàn)為峰后軟化特征，在破壞前軸向變形較大，破壞后橫向與軸向變形增長量相近，試件變形主要由交層剪切屈服破壞產(chǎn)生。

（3）平行面理時，加、卸載條件下峰值強度相近，加載條件下殘余強度高于卸載條件約10%，卸載條件下破壞后巖體強度更低，承載能力更差；垂直面理時，卸載條件峰值強度低于加載條件20%，殘余強度低于加載條件25%。垂直面理時巖樣在加、卸載條件下的強度分化更明顯。在開挖卸荷條件下，巖體實際強度會明顯低于規(guī)范要求室內(nèi)試驗加載時得到的強度，在開挖與支護設(shè)計中應(yīng)當(dāng)引起重視。

（4）卸載條件下，平行面理的峰值強度與殘余強度都較垂直面理高約20%，平行面理的彈性模量和變形模量分別比垂直面理時約大60%和85%。在隧道開挖過程中，面理垂直于開挖面時巖體更容易破壞［11］。

（5）平行面理時破壞面基本沿試樣中的微面理面方向發(fā)育，破裂面分散，破壞是由橫向強烈擴容引起的張性破壞。垂直面理時，加載條件下破裂面呈現(xiàn)對角線貫通性剪切破壞特征，破壞面與面理和最大主應(yīng)力方向的夾角都較大；卸載條件下破壞面從試件兩端的剪切屈服面向中部擴展，中部在剪張作用下破裂，與加載條件下單個貫通剪切面有顯著差別。

［1］ 哈秋舲．三峽工程永久船閘陡高邊坡各向異性卸荷巖體力學(xué)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20（5）：603－618．（HA Qiu-ling．Study on the Anisotropic Unloading Rock Mass Mechanics for the Steep-high Rock Slope of the Three Gorges Project Permanent Shiplock［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（5）：603－618．（in Chinese））

［2］ 裴建良，劉建鋒，徐 進．層狀大理巖卸荷力學(xué)特性試驗研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（12）：2496－2502．（PEI Jian-liang，LIU Jian-feng，XU Jin．Experimental Study of Mechanical Properties of Layered Marble under Unloading Condition［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（12）：2496－2502．（in Chinese））

［3］ 黃潤秋，黃 達．卸荷條件下巖石變形特征及本構(gòu)模型研究［J］．地球科學(xué)發(fā)展，2008，23（5）：441－447．（HUANG Run-qiu，HUANG Da．Study of Deformation Characteristics and Constitutive Model of Rock on the Condition of Unloading［J］．Advances in Earth Science，2008，23（5）：441－447．（in Chinese））

［4］ 高春玉，徐 進，何 鵬，等．大理巖加卸載力學(xué)特性的研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（3）：456－460．（GAO Chun-Yu，XU Jin，HE Peng，et al．Study on Mechanical Properties of Marble under Loading and Unloading Conditions［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（3）：456－460．（in Chinese））

［5］ 李天斌，王蘭生．卸荷應(yīng)力狀態(tài)下玄武巖變形破壞特征的試驗研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1993，12（4）：321－327．（LI Tian-bin，WANG Lan-sheng．An Experimental Study of the Deformation and Failure Features of a Basalt under Unloading Condition［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1993，12（4）：321－327．（in Chinese））

［6］ 李建林．卸荷巖體力學(xué)［M］．北京：中國水利水電出版社，2003．（LIJian-lin．Unloading Rock MassMechanics［M］．Beijing：China Water Power Press，2003．（in Chinese））

［7］ SL264—2001，水利水電工程巖石試驗規(guī)程［S］．北京：中國水利水電出版社，2001．（SL264—2001，Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering［S］．Beijing：China Water Power Press，2001．（in Chinese））

［8］ 蔡 朋，鄔愛清，汪 斌，等．一種基于II型全過程曲線的巖爆傾向性指標［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，5（增1）：3290－3294．（CAI Peng，WU Ai-qing，WANG bin，etal．A Rockburst Proneness Index Based on Class IIWhole Process Curve［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，5（Sup．1）：3290－3294．（in Chinese））

［9］ 尤明慶．巖石的力學(xué)性質(zhì)［M］．北京：地質(zhì)出版社，2007．（YOU Ming-qing．Mechanical Properties of Rock Masses［M］．Beijing：Geological Publishing House，2007．（in Chinese））

［10］許 強，黃潤秋．巖體強度的各向異性研究［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1993，（6）：10－12．（XU Qiang，HUANG Run-qiu．Strength Anisotropy Study of Rockmass［J］．Hydrogeology and Engineering Geology，1993，（6）：10－12．（in Chinese））

［11］張學(xué)民．巖石材料各向異性特征及其對隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究［D］．長沙：中南大學(xué)，2007．（ZHANG Xue-min．Anisotropic Characteristic of Rock Material and Its Effect on Stability of Tunnel Surrounding Rock［D］．Changsha：Central South University，2007．（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

M echanical Properties of Sandy Slate under Loading and Unloading Conditions

GAO Chun-yu1，XU Jin1，LIZhong-hong2
（1．School ofWater Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2．Hydrochina Kunming Engineering Corporation，Kunming 650051，China）

To research the strength characteristics，deformation properties，and failure regularities of sandy slate which hasmicro-bedding，triaxial compressed tests in loading and unloading conditions are carried out by MTS815 Flex test GT rock mechanics test system．The test results show that the peak intensities under loading are close to those under unloading condition when the bedding parallels to the maximum principal stress（parallel bedding）．When the bedding is vertical to the maximum principal stress（vertical bedding），peak intensity and residual strength under unloading condition are respectively 20%and 25%lower than those under loading condition．The sandy slate with parallel bedding shows elastic brittle feature，and this brittle failure under unloading condition is stronger than that under loading condition．Failure surfaces of parallel bedding samples develop along the bedding planes direction，and the failure is caused by strong lateral expansion under tension．The failure faces of vertical bedding samples under loading condition display shear feature with diagonal transfixion plane，and the failure faces under unloading condition develop from the shear yielding planes at both ends to the center of the sample．

sandy slate；loading and unloading；mechanical property；experimental study

TU 458

A

1001－5485（2013）02－0052－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．011

2011－11－25；

2012－06－13

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目（2011CB201201）

高春玉（1975－），女，四川宜賓人，講師，主要從事巖石力學(xué)性質(zhì)、地下工程穩(wěn)定及安全監(jiān)測方面的研究工作，（電話）028－85465866（電子信箱）chygao＠scu．edu．cn。