王本鑫,金愛兵,趙怡晴,王 賀,劉佳偉,魏余棟,孫 浩

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京科技大學(xué)),北京 100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083； 3.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 102628)

露天礦邊坡開挖、地下礦山巷道、交通隧道、地下硐室等巖體工程掘進(jìn)本質(zhì)上屬于卸荷行為，許多工程實(shí)例表明，與巖體(石)加載行為相比，兩者之間存在很大差異，將加載巖體力學(xué)研究成果不做區(qū)分盲目地用來指導(dǎo)以開挖卸荷為主的巖體工程，會(huì)帶來潛在危險(xiǎn)，嚴(yán)重的會(huì)造成事故災(zāi)難[1].因此，對(duì)卸荷條件下巖體力學(xué)特性的研究變得尤為重要.

目前，越來越多學(xué)者[2-6]將目光從加載巖石力學(xué)轉(zhuǎn)移到卸荷巖石力學(xué)的研究上.從巖石的本構(gòu)模型、變形破壞特性及強(qiáng)度準(zhǔn)則、擴(kuò)容能量特征以及卸荷速度等方面探究卸荷條件下巖石的力學(xué)特性和破壞機(jī)理.吳剛等[7]根據(jù)損傷力學(xué)理論，獲得了卸荷條件下能夠表征巖體損傷程度的本構(gòu)模型.劉志勇等[8]研究了加卸荷條件下云母片巖的力學(xué)特性和本構(gòu)模型.呂穎慧等[9]對(duì)比分析了恒軸壓卸圍壓、加軸壓卸圍壓與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)條件下花崗巖的破壞機(jī)制和力學(xué)參數(shù)的損傷劣化效應(yīng)，并采用Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則分析了破壞強(qiáng)度特性.趙國彥等[10]基于卸圍壓試驗(yàn)，研究了花崗巖在不同應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、變形破壞特性與強(qiáng)度準(zhǔn)則.李地元、Al-Ajmi等[11-13]對(duì)比了不同強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)于卸荷條件下巖石破壞特征描述的適用性，證明了Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的擬合效果更好，其本質(zhì)仍為剪切破壞準(zhǔn)則.黃達(dá)等[14]研究了大理巖卸荷條件下，加載破壞過程中能量的轉(zhuǎn)化特征，獲得了巖石的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制.劉立鵬等[15]研究了不同應(yīng)力路徑下錦屏大理巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、變形破壞特征和極限儲(chǔ)能變化規(guī)律.陳學(xué)章等[16]通過三軸卸荷試驗(yàn)獲得了卸荷條件下大理巖擴(kuò)容及能量變化特征.戴兵等[17]研究了不同應(yīng)力路徑下花崗巖卸荷破壞過程中能量的吸收、消耗演化特征及演化速率.卸荷速度是卸荷條件下導(dǎo)致巖石破裂的關(guān)鍵因素，黃潤秋等[18]研究了不同卸荷速率條件下大理巖的變形強(qiáng)度特征，并對(duì)破裂斷口進(jìn)行了SEM細(xì)觀分析.邱士利等[19]采用恒軸壓卸圍壓試驗(yàn)探究了不同卸圍壓速率下錦屏二級(jí)水電站深埋大理巖的擴(kuò)容演化規(guī)律和強(qiáng)度特征.

工程實(shí)踐中，巖石的強(qiáng)度特性和裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展演化規(guī)律是判斷巖體工程是否穩(wěn)定的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，故文章采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)卸圍壓條件下巖石的這兩種特性進(jìn)行研究.巖石破裂過程中裂隙演化規(guī)律和分布情況的三維可視化研究一直是重點(diǎn)和難點(diǎn)，最常用的方法是三維數(shù)值模擬.吳順川等[20]基于室內(nèi)卸荷試驗(yàn)進(jìn)行了卸載條件下巖爆PFC3D數(shù)值模擬，獲得了巖樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下的破裂過程；叢怡等[21]采用PFC3D顆粒流程序模擬研究了不同卸荷速率下大理巖試樣的力學(xué)特性和破壞機(jī)制.但數(shù)值模擬方法獲得的裂隙擴(kuò)展演化結(jié)果與真實(shí)巖石很難完全吻合.任建喜等[22]采用巖石三軸加載CT專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂隙花崗巖卸圍壓作用下的CT實(shí)時(shí)檢測，證明了其破壞具有突發(fā)性，但是未進(jìn)行卸荷條件下試件內(nèi)部三維裂隙模式的研究.尹乾[23]研究了花崗巖三軸峰前卸圍壓的強(qiáng)度特征、破壞后縱波波速和聲發(fā)射特征，并采用基于CT掃描的三維重構(gòu)技術(shù)得到了內(nèi)部裂隙三維分布圖像，但未研究卸荷過程中試件內(nèi)部三維裂隙演化規(guī)律.

室內(nèi)卸荷試驗(yàn)研究中，應(yīng)力路徑的選取普遍集中在恒軸壓-卸圍壓、卸圍壓-加軸壓，并且對(duì)卸圍壓過程中試件內(nèi)部三維裂隙的產(chǎn)生擴(kuò)展演化規(guī)律的研究較少，了解掌握三維裂隙擴(kuò)展演化規(guī)律對(duì)巖體工程失穩(wěn)破壞及加固方法有重要的指導(dǎo)意義.所以，采用分級(jí)卸圍壓-加軸壓循環(huán)加卸載的試驗(yàn)方法，對(duì)不同級(jí)別加卸載后的試件進(jìn)行CT掃描并重構(gòu)了三維裂隙圖像，探究卸圍壓過程中三維裂隙的產(chǎn)生擴(kuò)展演化規(guī)律.

花崗巖作為一種致密堅(jiān)硬的巖石，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是核廢料地下儲(chǔ)存庫、地下廠房、水電站地下硐室等的理想候選巖石，這些工程的開挖都屬于卸荷過程，其失穩(wěn)破壞會(huì)造成嚴(yán)重的后果，故采用花崗巖進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)、卸圍壓-加軸壓試驗(yàn)和分級(jí)卸圍壓-加軸壓循環(huán)加卸載試驗(yàn)，得到了花崗巖在不同應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究了其強(qiáng)度特性，采用CT掃描三維重構(gòu)技術(shù)獲得了卸圍壓-加軸壓破壞后以及分級(jí)卸圍壓-加軸壓循環(huán)加卸載試驗(yàn)不同級(jí)別加卸載后試件內(nèi)部裂隙的分布，探究了卸荷條件下花崗巖的破裂演化規(guī)律，對(duì)地下巖體工程開挖、支護(hù)等有一定的理論和實(shí)際參考意義.

1 試驗(yàn)條件及方案

1.1 試件條件

試驗(yàn)采用北京科技大學(xué)力學(xué)分析中心電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)TAW-2000，設(shè)備如圖1所示，該設(shè)備配有伺服控制全自動(dòng)加載系統(tǒng)，最大軸向負(fù)荷2 700 kN，最大圍壓140 MPa，軸向和徑向應(yīng)變均采用LVDT位移傳感器測量.

圖1 TAW2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)采用原產(chǎn)于山東省濟(jì)寧市泗水縣、尺寸為φ50 mm×100 mm的粗晶致密魯灰花崗巖試樣，密度約2.64 g/cm3，孔隙率約0.13%，主要成分為石英、長石、角閃石和黑云母，灰白色，加工精度符合《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》的要求.為保證試件物理力學(xué)性質(zhì)的均一性，采用NM-3C非金屬超聲檢測分析儀進(jìn)行波速測量，剔除波速差異較大的試件，避免試件之間力學(xué)性質(zhì)離散性過大的問題.經(jīng)前期測試，確定該花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為164 MPa.

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)、卸圍壓-加軸壓試驗(yàn)以及分級(jí)卸圍壓-加軸壓循環(huán)加卸載試驗(yàn)(分級(jí)卸圍壓試驗(yàn)3種方案，每種試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)5，10，15，20 MPa 4種圍壓水平，3種試驗(yàn)方案應(yīng)力路徑示意如圖2所示.具體試驗(yàn)方案如下，其中卸圍壓試驗(yàn)方案如表1所示.

1)方案1:常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn).如圖2(a)方案1曲線所示，分別加載圍壓至5，10，15和20 MPa 4個(gè)水平，采用300 N/s的速率進(jìn)行軸向加載，待進(jìn)入屈服階段后轉(zhuǎn)換為速率0.01 mm/min的變形控制，直至試件完全破壞，獲得常規(guī)三軸壓縮強(qiáng)度(σ1-1(5)、σ1-1(10)、σ1-1(15)、σ1-1(20))及其他相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖2 試驗(yàn)方案應(yīng)力路徑示意

表1 卸圍壓試驗(yàn)方案

2)方案2:卸圍壓-加軸壓試驗(yàn).如圖2(b)方案2曲線所示，初始軸壓取常規(guī)三軸壓縮強(qiáng)度的0.5倍，即0.5(σ1-1(5)、σ1-1(10)、σ1-1(15)、σ1-1(20))，該試驗(yàn)方案模擬開挖卸荷后徑向壓力降低導(dǎo)致應(yīng)力調(diào)整及傳遞過程.

方案2試驗(yàn)步驟如下：①施加初始圍壓σ2=σ3至設(shè)計(jì)圍壓(5，10，15，20 MPa)；②施加軸壓至常規(guī)三軸壓縮強(qiáng)度的0.5倍，即0.5(σ1-1(5)、σ1-1(10)、σ1-1(15)、σ1-1(20))；③以0.01 MPa/s的速率卸載圍壓，軸向負(fù)荷加載至試樣完全破壞；④對(duì)破壞后的試件進(jìn)行CT掃描.

圖2中A、B、C 3點(diǎn)與方案3加卸荷相關(guān)，其中A點(diǎn)為0.5倍的常規(guī)三軸壓縮強(qiáng)度即0.5(σ1-1(5)、σ1-1(10)、σ1-1(15)、σ1-1(20))，B點(diǎn)為方案2峰值應(yīng)力的95%即0.95(σ1-2(5)、σ1-2(10)、σ1-2(15)、σ1-2(20))，C點(diǎn)為方案2的峰值應(yīng)力(σ1-2(5)、σ1-2(10)、σ1-2(15)、σ1-2(20)).

3)方案3:分級(jí)卸圍壓-加軸壓循環(huán)加卸載試驗(yàn)(分級(jí)卸圍壓試驗(yàn)).分級(jí)卸圍壓試驗(yàn)初步設(shè)計(jì)了峰前、峰值、峰后3個(gè)完全卸荷點(diǎn).花崗巖作為一種質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度高、脆性強(qiáng)的巖石，峰前產(chǎn)生的裂隙量很少，過早的峰前卸荷試件內(nèi)部可能不會(huì)產(chǎn)生裂隙；峰后破壞具有瞬時(shí)性和不確定性，峰后卸荷過晚，可能出現(xiàn)未到預(yù)定峰后應(yīng)力就會(huì)完全破壞，所以，將0.95倍的方案2峰值應(yīng)力定為峰前和峰后完全卸荷點(diǎn).每級(jí)試驗(yàn)后對(duì)試件進(jìn)行CT掃描，用于獲取卸圍壓—加軸壓過程中花崗巖內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展演化規(guī)律.

如圖2(b)方案3曲線所示，方案3中F、J、B點(diǎn)縱坐標(biāo)相等為0.95(σ1-2(5)、σ1-2(10)、σ1-2(15)、σ1-2(20))，G、I、L點(diǎn)縱坐標(biāo)為2,3,4級(jí)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力，E、F、B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圍壓相等為(σ3-3-1(5)、σ3-3-1(10)、σ3-3-1(15)、σ3-3-1(20))，H、I、G點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圍壓相等為(σ3-3-2(5)、σ3-3-2(10)、σ3-3-2(15)、σ3-3-2(20))，K、L、J點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圍壓相等為(σ3-3-3(5)、σ3-3-3(10)、σ3-3-3(15)、σ3-3-3(20)).

方案3試驗(yàn)步驟如下：

一級(jí)卸荷.①施加σ2=σ3至設(shè)計(jì)圍壓(5，10，15，20 MPa)保持不變；②施加軸壓至圖2(b)中A點(diǎn)時(shí)，以0.01 MPa/s的速率卸載圍壓；③軸向負(fù)荷加載至圖2(b)中B點(diǎn)時(shí)，停止加載取出試件進(jìn)行CT掃描；

二級(jí)卸荷.④施加圍壓至圖2(b)中E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圍壓保持不變；⑤加載軸壓至圖2(b)中F點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)以0.01 MPa/s的速率卸載圍壓；⑥軸向負(fù)荷加載至圖2(b)中G點(diǎn)時(shí)，停止加載取出試件進(jìn)行CT掃描；

三級(jí)卸荷.⑦施加圍壓至圖2(b)中H點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圍壓保持不變；⑧加載軸壓至圖2(b)中I點(diǎn)本級(jí)峰值負(fù)荷時(shí)，繼續(xù)以0.01 MPa/s的速率卸載圍壓；⑨軸向負(fù)荷加載至圖2(b)中J點(diǎn)時(shí)，停止加載取出試件進(jìn)行CT掃描；

方案1為方案2初始圍壓和初始軸壓的確定提供了依據(jù)，方案2的應(yīng)力路徑是方案3的基礎(chǔ)，方案3一級(jí)試驗(yàn)卸圍壓前的設(shè)計(jì)應(yīng)力路徑與方案2相同，方案3用來最大程度上還原方案2單次卸荷裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展演化規(guī)律.

2 強(qiáng)度特性分析

2.1 不同應(yīng)力路徑下花崗巖的軸、徑向應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

不同應(yīng)力路徑下花崗巖軸、徑向應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)比曲線分別如圖3，4所示.如圖3所示，方案1、方案2與方案3的1級(jí)加卸載峰前彈性階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一定偏差但是大體相似，都呈近似線性關(guān)系，方案3的2,3,4級(jí)加卸載彈性階段與方案1,2逐漸偏離.隨圍壓的增大方案1的峰前應(yīng)變量越來越大，峰后應(yīng)力跌落次數(shù)逐漸減小，應(yīng)力跌落速率越來越大，反映了圍壓較低時(shí)，試件內(nèi)部積累的能量較低，峰后應(yīng)力隨應(yīng)變增大緩慢下降，并通過裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通和擴(kuò)容等方式進(jìn)行能量的釋放，使花崗巖內(nèi)部細(xì)小裂隙充分發(fā)育，而隨圍壓的升高，軸向最大主應(yīng)力也在增大，試件內(nèi)部積累的能量較高，峰后試件內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通不再逐步完成，而是單個(gè)或幾個(gè)微裂隙瞬間擴(kuò)展貫通.方案2具有較小的峰后變形，普遍為單次應(yīng)力跌落后的脆性破壞.方案3最后一級(jí)加載峰后經(jīng)歷多次應(yīng)力跌落后也發(fā)生脆性破壞，說明在卸圍壓作用下花崗巖的破壞響應(yīng)變得更加劇烈.

設(shè)計(jì)圍壓相同時(shí)3種方案峰值應(yīng)力對(duì)比：方案1>方案2，方案2與方案3基本相等；相對(duì)于方案1，方案2各設(shè)計(jì)圍壓水平對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力分別減小36.8%、29.2%、31.4%、26.6%，平均減小31%，方案3減小37.5%、26.1%、29.4%、28.5%，平均減小30.4%.分析結(jié)果說明，三軸壓縮條件下卸除圍壓能夠很大程度上降低花崗巖的承載能力.

峰后變形階段試件最后一次應(yīng)力跌落對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變(圖3)：方案1>方案3>方案2，徑向應(yīng)變(圖4)：方案3>方案2>方案1，但巖石最終破壞時(shí)的徑向應(yīng)變：方案2與方案3普遍大致相等，設(shè)計(jì)圍壓較低時(shí)都大于方案1，說明了卸圍壓-加軸壓條件下巖石發(fā)生了強(qiáng)烈的擴(kuò)容，內(nèi)部能量釋放的同時(shí)繼續(xù)吸收軸向加載產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致試件破壞劇烈.分級(jí)卸圍壓試驗(yàn)增大了花崗巖的峰后延性特征，破壞劇烈程度有所降低.卸圍壓作用下，設(shè)計(jì)圍壓較低時(shí)(5，10 MPa)的徑向應(yīng)變量大于設(shè)計(jì)圍壓較高時(shí)(15，20 MPa)，說明高圍壓可以限制花崗巖壓縮過程中的擴(kuò)容.

圖3 相同初始圍壓不同加載路徑下花崗巖軸向應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)比

圖4 相同初始圍壓不同加載路徑下花崗巖軸向應(yīng)力-徑向應(yīng)變對(duì)比

2.2 兩種卸圍壓試驗(yàn)試件破壞時(shí)強(qiáng)度分析

兩種卸圍壓試驗(yàn)中，試件出現(xiàn)劇烈的破壞響應(yīng)，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線最后一次應(yīng)力跌落時(shí)視為試件破壞.如圖3所示，將最后一次應(yīng)力跌落前的軸壓定義為破壞軸壓，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圍壓定義為破壞圍壓，最后一次應(yīng)力跌落后的軸壓定義為殘余軸壓，破壞軸壓和殘余軸壓之間的曲線為最后一次應(yīng)力跌落階段.

表2為兩種卸荷試驗(yàn)試件破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的破壞圍壓、破壞軸壓和殘余軸壓結(jié)果.可以看出，5，10 MPa初始圍壓條件下，方案2和3試件破壞時(shí)的圍壓已經(jīng)卸載完畢.5 MPa初始圍壓條件下方案3三級(jí)卸荷過程中圍壓降為0，10 MPa圍壓條件下，方案3四級(jí)卸荷過程中圍壓降為0.相同初始圍壓條件下試件的破壞軸壓方案2均大于方案3，說明方案3卸荷條件下花崗巖比完全卸荷更易發(fā)生最終破裂.

表2 兩種卸荷試驗(yàn)試件破壞時(shí)的破壞圍壓、破壞軸壓和殘余軸壓

3 花崗巖裂隙演化及破壞特征CT掃描三維重構(gòu)分析

為了探究卸荷過程中以及破壞后巖石內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展、演化以及分布規(guī)律，采用Toshiba Aquilion CX螺旋CT掃描儀對(duì)方案2破壞后和方案3每級(jí)卸荷試驗(yàn)后的試件沿軸向進(jìn)行CT掃描，電壓120 kV，電流250～300 mA，分辨率0.35 mm×0.35 mm×0.3 mm.根據(jù)CT掃描的密度成像原理，試件實(shí)體部分密度與裂隙部分，在CT圖像上表現(xiàn)為后者灰度值大于前者，采用閾值分割算法在空間上分別建立裂隙和試件蒙板，在此基礎(chǔ)上，采用三維重構(gòu)算法利用閾值分割蒙板重構(gòu)試件及內(nèi)部裂隙的三維圖像，三維裂隙圖像的重建步驟[24-25]示意如圖5所示.

3.1 方案2裂隙演化及破壞特征分析

方案2設(shè)計(jì)圍壓較小時(shí)(如5，10 MPa)，試件破裂后內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，細(xì)小張拉裂隙將試件分割成破碎結(jié)構(gòu)，且破裂面較粗糙，相鄰宏觀破裂面之間有細(xì)小裂隙連接，由于圍壓較低，花崗巖破壞前隨著軸向應(yīng)力的增加體積膨脹量較大，細(xì)小裂隙充分發(fā)育，但宏觀破裂以細(xì)小張拉裂隙貫通后的剪切破壞為主(圖6(b)、(e))，分別與表觀宏觀剪切破裂相對(duì)應(yīng)(圖6(c)、(f)).表觀宏觀裂隙延伸到內(nèi)部相互交錯(cuò)不易區(qū)分，破碎結(jié)構(gòu)在試件內(nèi)部以不規(guī)則形狀的破碎體形式存在，破裂面走向主要沿軸向，即最大主應(yīng)力方向.

隨設(shè)計(jì)圍壓的增大，細(xì)小張拉裂隙整體減少，宏觀破裂面之間的非貫通微小裂隙也逐漸減少；試件的破裂形式由兩個(gè)相交的主破裂面構(gòu)成，裂隙面相對(duì)于小圍壓時(shí)較為平滑；表觀裂隙(如圖6(i)、(l)所示)向內(nèi)延伸的裂隙面多為不規(guī)則曲面狀，平直狀較少，這與高圍壓、強(qiáng)軸壓條件下試件的脆性破壞有關(guān)，高圍壓條件下花崗巖的軸向瞬時(shí)承載能力提高，但在強(qiáng)軸壓的作用下生成的細(xì)小裂隙會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展延伸貫通試件，形成使試件破壞的主破裂面，對(duì)破壞起次要作用的細(xì)小裂隙在脆性破壞過程中的生成量較小，所以，圍壓較大時(shí)花崗巖為相交的不規(guī)則破裂面狀破裂模式，不會(huì)出現(xiàn)圍壓較小時(shí)的破碎體狀破裂模式；宏觀張拉裂隙和剪切裂隙清晰可見且容易區(qū)分，裂隙面呈拉剪組合狀，拉剪過渡不明顯(圖6(h)、(k))；與表觀裂隙對(duì)比發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部裂隙邊緣可以與外部裂隙很好對(duì)接(圖6(j)、(k))，證明CT掃描三維重構(gòu)的內(nèi)部裂隙真實(shí)可靠，但表觀明顯的張拉裂隙內(nèi)部有時(shí)則為剪切裂隙，所以，基本不能通過表觀裂隙準(zhǔn)確推斷內(nèi)部裂隙的分布情況.

圖5 三維裂隙圖像重建步驟

圖6 方案2試件破壞后內(nèi)部裂隙CT掃描三維重構(gòu)圖像和表觀裂隙圖像對(duì)比

3.2 方案3裂隙演化及破壞特征分析

從方案3對(duì)不同級(jí)別加卸載后試件的CT掃描三維重構(gòu)圖像(圖7)能夠發(fā)現(xiàn)：試件在峰前階段產(chǎn)生較少的微小裂隙，宏觀裂隙的擴(kuò)展和貫通發(fā)生在峰后階段，破裂具有突發(fā)性和瞬時(shí)性.

峰前卸荷，軸向負(fù)荷加載至圖2(b)中B點(diǎn)時(shí)細(xì)小裂隙產(chǎn)生量較少(圖7(a)、(g)、(m)、(s))；軸向負(fù)荷加載至圖2(b)中G點(diǎn)時(shí)試件內(nèi)部細(xì)小裂隙開始增多且分布沒有規(guī)律(圖7(b)、(h)、(n)、(t)).

軸向負(fù)荷加載至圖2(b)中J點(diǎn)時(shí)，試件內(nèi)部開始出現(xiàn)明顯的宏觀裂隙(圖7(c)、(i)、(o)、(u))，初始圍壓較小時(shí)宏觀張拉裂隙首先在試件側(cè)壁邊緣沿最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生(圖7(c)、(i))，這是由卸載圍壓產(chǎn)生的側(cè)向拉力造成的，與地下工程鄰近開挖面低圍壓位置處圍巖易冒落相對(duì)應(yīng)，由此亦可確定地下巖體工程開挖面圍巖冒落破壞多為張拉破壞，初始圍壓較大時(shí)宏觀剪切裂隙首先在試件中部產(chǎn)生(圖7(u))，這是由于隨著設(shè)計(jì)圍壓的增大第3級(jí)軸向加載結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的圍壓增大，卸荷比[12]減小，宏觀剪切裂隙不易在試件邊緣產(chǎn)生，與地下工程距離開挖面較遠(yuǎn)位置處圍巖的初始裂隙產(chǎn)生方式相對(duì)應(yīng)，為在各向應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的剪切裂隙.

軸向負(fù)荷下降到圖2(b)中J點(diǎn)以下時(shí)，試件很短時(shí)間內(nèi)失去承載能力，破裂具有突發(fā)性，宏觀裂隙瞬間形成.由破裂后的三維裂隙圖像可以看出，在分級(jí)卸圍壓-加軸壓循環(huán)加卸載條件下，宏觀剪切破裂(圖7(d)、(j)、(p)、(v))是使花崗巖失去承載能力的主要破裂模式，由于試件以脆性破壞為主，破裂面相對(duì)平滑；圍壓較小時(shí)，表觀張拉裂隙(圖7(f))向內(nèi)延伸與宏觀剪切裂隙面(圖7(e))相交接，使試件更加破碎；圍壓較高時(shí)，試件的破裂模式也為不規(guī)則破裂面組合狀，且對(duì)試件失去承載能力起次要作用的張拉裂隙數(shù)量有所減少，如圖7(p)、(r)和圖7(v)、(x)所示，內(nèi)部宏觀剪切裂隙向外延伸在試件表觀多以張拉裂隙的形式表現(xiàn)，如圖7(j)、(l)所示，給研究人員通過表觀裂隙準(zhǔn)確識(shí)別破裂模式帶來一定誤擾.

卸荷條件下試件的破裂模式受初始圍壓大小的影響顯著，初始圍壓越小、微裂隙越多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越破碎，初始圍壓越大、微裂隙越少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越規(guī)則.圍壓較小時(shí)，表觀張拉裂隙多是內(nèi)部主剪切破裂面分支的向外延伸；圍壓較高時(shí)的表觀裂隙多是主破裂面的向外延伸，次要裂隙較少.

圖7 方案3不同級(jí)別加卸載后試件內(nèi)部裂隙CT掃描三維重構(gòu)圖像和表觀裂隙圖像對(duì)比

4 結(jié) 論

1)常規(guī)三軸壓縮條件下，隨著圍壓的升高，試件峰后應(yīng)力跌落速率越來越大，破壞響應(yīng)越來越強(qiáng)烈；卸荷條件下試件脆性破壞比常規(guī)三軸條件下更加明顯，相同初始圍壓條件下，卸圍壓—加軸壓比分級(jí)卸圍壓破壞響應(yīng)更加劇烈，分級(jí)卸圍壓循環(huán)加卸載峰后脆性破壞特征有所減弱，降低了破壞的劇烈程度.

2)相同初始圍壓條件下，卸圍壓-加軸壓和分級(jí)卸圍壓試件的峰值應(yīng)力相對(duì)于常規(guī)三軸壓縮分別平均減小了31%和30.4%，表明卸載圍壓會(huì)使巖石的承載能力降低很多.

3) 巖石的宏觀破裂呈拉剪組合狀，拉剪過渡不明顯.卸圍壓條件下，圍壓較小時(shí)，花崗巖破壞后內(nèi)部細(xì)小張拉裂隙發(fā)育，三維破裂模式呈破碎體狀，內(nèi)部主剪切破裂面的分支向外延伸成表觀張拉裂隙；圍壓較大時(shí)，內(nèi)部細(xì)小張拉裂隙較少，三維破裂模式呈不規(guī)則相交破裂面狀，主破裂面向外延伸成表觀張拉或剪切裂隙.

4) 花崗巖在卸圍壓過程中峰前產(chǎn)生的裂隙量很少，以內(nèi)部晶體黏結(jié)破裂為主，大量裂隙的產(chǎn)生、貫通多發(fā)生在峰后階段，試件的破裂具有突發(fā)性和瞬時(shí)性.設(shè)計(jì)圍壓較小時(shí)，試件側(cè)壁邊緣首先產(chǎn)生宏觀張拉裂隙；設(shè)計(jì)圍壓較大時(shí)，試件中部首先產(chǎn)生宏觀剪切裂隙.