賈善坡，高敏，龔俊 （長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北荊州434023）

《巖石力學(xué)》是研究巖石在外界因素 （如荷載、流體、溫度等）作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、破壞、穩(wěn)定性及加固的一門理論與應(yīng)用學(xué)科，其探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)，并且在工程實踐領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時，《巖石力學(xué)》也是各高校土木工程專業(yè)本科生的必修課程之一，《巖石力學(xué)》實驗課是教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)，能夠培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、工作以及解決問題的能力。國內(nèi)學(xué)者對 《巖石力學(xué)》教學(xué)改革進行了深入研究：王迎超等［1］針對目前 《巖石力學(xué)》的教學(xué)現(xiàn)狀及課程特點，指出教學(xué)存在問題并探討了 《巖石力學(xué)》案例教改思路；王述紅等［2］指出了 《巖石力學(xué)》課程教學(xué)存在的局限性，并介紹利用數(shù)值模擬方法進行 《巖石力學(xué)》數(shù)值試驗，對 《巖石力學(xué)》實驗課程進行輔助教學(xué)；年延凱［3］針對 《巖石力學(xué)》課程的教學(xué)特點，構(gòu)建了綜合理論教學(xué)、物理實驗與數(shù)值模擬、現(xiàn)場教學(xué)于一體的《巖石力學(xué)》教學(xué)模式；胡斌等［4］論述了當(dāng)前高校 《巖石力學(xué)》實驗教學(xué)現(xiàn)狀，針對 《巖石力學(xué)》實驗教學(xué)提出了新的培養(yǎng)思路；黃明奎［5］提出了基于數(shù)值模擬的輔助教學(xué)體系，并介紹了數(shù)值實驗在 《巖石力學(xué)》實驗教學(xué)中的應(yīng)用；吳姜［6］通過建立新的實驗室教學(xué)體系，更加注重實驗的綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)造性和整體性以及學(xué)生的個性化發(fā)展，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。下面，筆者針對 《巖石力學(xué)》課程中常規(guī)三軸實驗教學(xué)中存在的問題，采用數(shù)值模擬方法對巖石應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程實驗教學(xué)進行了探討。

1 《巖石力學(xué)》常規(guī)三軸實驗教學(xué)中存在的問題

巖石地下工程多處于三維受力狀態(tài)，所以巖石三軸力學(xué)實驗非常重要。根據(jù)圍壓情況，將三軸力學(xué)實驗分為常規(guī)三軸力學(xué)實驗和真三軸力學(xué)實驗，由于真三軸力學(xué)實驗對實驗設(shè)備有著較高要求，因而大多采用常規(guī)三軸實驗教學(xué)。通過常規(guī)三軸實驗可以較完整地表達巖石強度與變形的關(guān)系，同時可以得到巖石的變形參數(shù) （彈性模量和泊松比）以及強度參數(shù) （抗壓強度、內(nèi)摩擦角和粘聚力等）。目前，在實驗教學(xué)過程中存在以下問題。

1）雖然常規(guī)三軸力學(xué)實驗可以實現(xiàn)材料在三向受力狀態(tài)下的剪切破壞，但是整個實驗過程是在封閉且不透明的三軸室中進行，剪切破壞過程的現(xiàn)象難以觀察。同時，試樣本身存在細(xì)小的微裂縫，對試樣剪切破壞機理的影響不易發(fā)現(xiàn)。

2）在實際地下工程中，巖石介質(zhì)均在開挖卸載的過程中發(fā)生破壞，然而常規(guī)三軸實驗難以有效反映巖石的開挖卸載破壞過程，同時Mohr－Coulomb強度理論是否適用于巖石卸載過程破壞難以驗證。

3）由于實驗設(shè)備問題、巖石試樣制作缺陷等會造成脆性巖石在低圍壓狀態(tài)經(jīng)過峰值強度后發(fā)生突然破壞的錯誤實驗現(xiàn)象，導(dǎo)致常規(guī)三軸實驗在達到巖石峰值應(yīng)力后就結(jié)束，這與理論分析結(jié)果不相符合，難以反映巖石的真實應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線。

2 巖石應(yīng)力－應(yīng)變實驗過程分析

巖石的強度受礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)晶情況、試樣尺寸、圍壓、加荷速率、應(yīng)力路徑、孔隙水壓力、溫度及濕度 （含水率）等因素影響。常規(guī)三軸實驗中，巖石的變形規(guī)律受到圍壓的影響，隨著圍壓的增大，峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變值有所增大，巖石的變形特性表現(xiàn)為低圍壓下的脆性向高圍壓下的塑性轉(zhuǎn)變。一般來說，巖石的強度隨試件的高徑比增大而顯著降低，但當(dāng)圍壓較大時，該影響將消失。因此開展常規(guī)三軸實驗，對不同圍壓下的巖石變形與強度特性進行研究尤為重要。

泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)膠結(jié)，成巖時間短，飽和單軸抗壓強度低，按工程分類屬于軟質(zhì)巖石，當(dāng)其黏土礦物成分中含有較多的親水礦物 （主要是蒙脫石）時，往往具有較大的膨脹性。泥巖的性質(zhì)不同于一般硬巖和硬土，而是介于兩者之間。通過研究泥巖的三軸壓縮實驗，并采用有限元數(shù)值分析軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬，得到泥巖應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線，從而直觀展示巖石在三軸受力狀態(tài)下的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程特征。

泥巖巖心取樣深度約為223m，垂向地應(yīng)力約為4．5MPa，水平地應(yīng)力約為3．6～4．5MPa，孔隙水壓力約為2．25MPa。由于泥巖所含的伊利石、蒙脫石、高嶺石對水非常敏感，巖心遇水水化，故只能采用干式鋸磨法加工試樣。泥巖非排水三軸剪切具體實驗過程如下：①以0．5MPa的載荷增量施加到預(yù)定的圍壓 （0．89、2．5、2．85、5．42MPa）；②打開閥門對試樣進行反壓飽和，直到固結(jié)和孔隙壓力耗散完成；③保持圍壓不變，對試樣增加軸壓直到試樣完全破壞。

常溫下泥巖在非排水條件下的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線圖如圖1所示。由圖1可知，應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線具有彈性、塑性、硬化、軟化和摩擦等階段，隨著圍壓的增大，泥巖的力學(xué)特性由脆性向延性過渡，同時其強度逐漸增大。

圖1 不同圍壓下泥巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線圖

由于三軸應(yīng)力狀態(tài)下泥巖的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系很難直接用一個明確的函數(shù)關(guān)系來表示，為了更好地描述泥巖的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程特性，有必要對應(yīng)力－應(yīng)變過程進行階段性分析。根據(jù)試驗結(jié)果，將泥巖應(yīng)力－應(yīng)變過程分為4 個階段，即OA、AB、BC、CD 階段 （見圖2）。

1）OA 段 該階段的應(yīng)力－應(yīng)變曲線基本成直線，為彈性變形階段，A 的應(yīng)力稱為初始屈服應(yīng)力σc0。

2）AB 段 該階段是巖石微裂隙開始產(chǎn)生、擴展、累積的階段，稱為應(yīng)變硬化階段，主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變之間基本滿足雙曲線關(guān)系，B 點的應(yīng)力稱為峰值強度σcu。

圖2 泥巖應(yīng)力－應(yīng)變分段圖

3）BC 段 該階段稱為應(yīng)變軟化段，在峰值強度之后，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力下降，巖石發(fā)生應(yīng)變軟化。此外，軸向壓力使試件形成破裂面，強度降低，應(yīng)變增長。C 點的應(yīng)力稱為殘余強度σcr。

4）CD 段 該階段稱為塑性流動階段，隨著塑性變形的持續(xù)發(fā)展，最終強度不再降低，達到破碎、松動的殘余強度。因此，該階段可以認(rèn)為是理想的塑性階段。

3 數(shù)值模擬

ABAQUS是一種比較適合巖土工程數(shù)值計算的大型有限元軟件，該軟件內(nèi)置10余種巖土力學(xué)本構(gòu)模型以適應(yīng)不同的巖土工程實際問題需要，其中Mohr－Coulomb本構(gòu)模型是目前最常見的力學(xué)模型之一。常規(guī)的Mohr－Coulomb模型是理想彈塑性模型，峰前應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線是線性的，稱之為彈性變形階段；峰后應(yīng)力－變曲線是一水平線，即隨著塑性應(yīng)變的增大，巖石的強度為一恒定值，這一階段稱之為理想塑性流動階段。

數(shù)值模擬結(jié)果圖如圖3～圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，若采用常規(guī)Mohr－Coulomb模型模擬上述試驗曲線，模擬曲線與試驗曲線差異較大，特別是峰后階段差異更大，無法反映巖石峰后應(yīng)變軟化行為。

圖3 圍壓0．89MPa時泥巖應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

圖5 圍壓2．85MPa時泥巖應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

圖6 圍壓5．42MPa時泥巖應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

若要模擬泥巖實際的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線，應(yīng)對Mohr－Coulomb模型進行改進，建立相應(yīng)的變形參數(shù)和強度參數(shù)演化方程，即應(yīng)變硬化或軟化模型，目前常用做法是通過引入損傷變量或等效塑性應(yīng)變來建立相應(yīng)的參數(shù)演化模型［8］。由圖3～圖6可知，采用硬化／軟化模型模擬曲線在峰值前后均與實際試驗曲線吻合較好，是能夠很好地反映巖石的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線。

4 結(jié)語

針對 《巖石力學(xué)》課程中常規(guī)三軸實驗存在的問題，通過非排水條件下泥巖的三軸壓縮實驗，使學(xué)生充分理解巖石應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線，并通過相應(yīng)的數(shù)值模擬研究使學(xué)生直觀感受巖石在三軸應(yīng)力狀態(tài)下破損演化的全過程，取得了良好的教學(xué)效果，受到了學(xué)生的好評。

［1］王迎超，耿凡，張成林．《巖石力學(xué)》課程的現(xiàn)狀與教改案例思路探討 ［J］．高等建筑教育，2013，22 （6）：51～55．

［2］王述紅，唐春安，朱萬成，等．?dāng)?shù)值試驗在 《巖石力學(xué)》實驗教學(xué)中的應(yīng)用 ［J］．實驗技術(shù)與管理，2003，20 （6）：140～143．

［3］年延凱．《巖石力學(xué)》課程實踐性教學(xué)改革探討 ［J］．教育教學(xué)論壇，2014 （10）：175～176．

［4］胡斌，唐輝明，劉強．《巖石力學(xué)》課程實驗教學(xué)改革的探索 ［J］．科技文匯，2012 （30）：111～112．

［5］黃明奎．《巖石力學(xué)》課程數(shù)值實驗教學(xué)探索 ［J］．高等建筑教育，2009，18 （4）：129～132．

［6］吳姜．《巖石力學(xué)》實驗教學(xué)改革探討 ［J］．長春教育學(xué)院學(xué)報，2012，28 （8）：102～103．

［7］馬建興，馬強．《巖石力學(xué)》實驗課的教學(xué)改革研究 ［J］．實驗室科學(xué)，2011，14 （2）：32～34．

［8］賈善坡，陳衛(wèi)忠，于洪丹，等．泥巖彈塑性損傷本構(gòu)模型及其參數(shù)辨識 ［J］．巖土力學(xué)，2009，30 （12）：3607～3614．