岩石加卸载变形特性及力学参数试验研究

ChineseJournalofGeotechnicalEngineering

岩 土 工 程 学 报

Vol.25 No.3 May, 2003

岩石加卸载变形特性及力学参数试验研究

Deformationcharacterslicsofrockunderloadingandunloadingconditions

andexperimentalstudyofmechanicalparameters

谢红强,何江达,徐 进

1

2

2

(1.西南交通大学地下工程系,四川成都 610031;2.四川大学水电学院,四川成都 610065)

摘 要:通过加载和卸载两种力学状态的全过程应力)应变试验,揭示了岩体在加卸载时变形特性的差异,并结合试验结果,引入损伤力学概念,推导不同岩性岩石的损伤演化方程。关键词:加载;卸载;三轴试验;损伤力学;损伤演化方程

中图分类号:TU458 文献标识码:A 文章编号:1000-4548(2003)03-0336-03

作者简介:谢红强(1976-),男,西南交通大学桥梁与隧道工程博士生。主要从事公路、铁路及城市地铁隧道的科研、设计工作。

XIEHong-qiang,HEJiang-da,XUJin

Chengdu610065,China)

122

(1.DepartmentofTunnelandUndergroundEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.CollegeofHydro-electricity,SichuanUniversity,

Abstract:Throughthestress-staintest,thedifferenceofdeformationcharactersisticsofrockunderloadingandunloadingisfound.Atthesametime,combiningwiththetestresultsandintroducingconceptofdamagemechanics,damageevolvementequationsofrockswithdifferentcharacter-isticsarederivedinthispaper.

Keywords:loading;unloading;triaxialtest;damagemechanics;damageevolvementequation

静水压力条件逐步施加R1=R3至预定值;º稳定R3,

0 引 言

y

逐步增高R1至试件破坏前的某一应力状态,其R1的应力水平大致在比例极限附近;»缓慢增高R1的同时逐渐缓慢降低R3。此阶段非常关键,除揭示岩石的卸载特性,还要求顺利越过峰值进入软化阶段;¼试件破坏后效应的测试。试件一旦破坏后即停止卸围压R3,并保持不变,同时继续施加轴向应变,直至应力差R1)R3不随轴向应变的增加而降低时结束试验。

(2)方案Ò

方案Ñ所述4阶段中,¹、º是模拟开挖前岩体初

始应力状态的形成,而¼是为揭示试件破坏后效应,并测定岩石残余强度(抗剪强度)而进行的。方案Ò中的这几个阶段与方案Ñ完全相同,所不同的是»阶段,即卸载阶段。方案Ò为以相同速率同时卸轴压与围压,即º阶段轴压增高至比例极限附近后,即开始以相同速率降低轴压与围压。破坏后进入¼阶段。

(3)方案Ó

为了对比,同时进行了常围压加载试验。1.2 试验条件

(1)试验设备与控制方式

为保证卸载试验的准确控制和精确测量,试验采用美国产MTS815Teststar程控伺服岩石刚性试验机。

第¹阶段用R1=R3的应力速率控制;第º阶段用

y收稿日期:2002-06-22水电、交通、矿山工程中岩体的开挖,从力学本质上来说主要是卸荷行为。岩体在加载和卸载力学条件下,其力学特性有本质的区别。岩石本身在加载和卸载条件下力学性质差别不大,但在含有节理、裂隙等结构面的岩体中,加载时岩体仍有很好的力学性能,但卸载时,特别是由于卸荷导致出现拉应力的情况,岩体中结构面的力学特性将发生本质的变化,这些结构面将迅速劣化岩体质量,其力学特征不再符合在加载情况下所得的研究成果。显然,采用加载条件地力学参数

[1,2]

研究岩体地开挖卸荷效应将产生较大误差。

本文从小湾岩石的加卸载试验出发,在加载和卸载两种力学状态下对岩石进行全过程应力应变试验,揭示岩体在加、卸载两种力学状态下的变形特性,为岩质高边坡、坝基和地下洞室的开挖效应分析提供依据。

1 试验条件及方案

1.1 试验方案

岩体初始应力状态是种三向应力状态,工程边坡的开挖方式不同,三向应力的调整会有多种组合。本文用三轴试验模拟卸载的力学条件,采用3种典型的方案。

(1)方案Ñ

用加轴压卸围压试验来模拟岩体开挖卸荷过程中,R1增高,R3降低的应力调整。试验分4阶段:¹首先按 第3期谢红强,等1岩石加卸载变形特性及力学参数试验研究337

恒定围压下的应力控制增加轴压至比例极限附近;第»阶段,峰前用轴向应变或横向应变速率控制的方式,在轴向应力达到峰值,试件产生破坏后立即转入第¼阶段,即用恒定轴向应变控制,保证破坏后效应的测试。

(2)试件

试验试件岩性分别为角闪斜长片麻岩(试件编号前冠以/X0)和黑云花岗片麻岩(试件编号前冠以/H0)。按照前述3种试验方案,将制作的试件分组如表1。

表1 按方案分组的试件Table1 Siltstonespecimens

试件分组情况

图2 卸载时变形模量E随R3变化曲线

Fig.2 CurveofdeformationmodulusandR3duringunloading

试验

方案角闪斜长片麻岩(X)黑云花岗片麻岩(H)方案ÑX1-1、X1-2、X1-3、X1-4、X1-5、X1-6H1-1、H1-2、H1-3方案ÒX2-1、X2-2H2-1、H2-2、H2-3方案ÓX5-1、X5-2、X5-3、X5-4

图3 卸载时泊松比L随R3变化曲线

Fig.3 CurveofpoissonratioandR3duringunloading

2 岩石的加卸载变形特性

2.1 方案Ñ

试验得到典型试件应力应变全程曲线如图1。根据试验结果可总结出如下主要特征。

条件下表现出最强的脆性特征。

图4 方案Ò试件应力应变曲线

Fig.4 Thestress-straincurvesofspecimenforplanÒ

(2)岩石力学指标变化特征

图1 方案Ñ试件应力应变曲线

Fig.1 Thestress-straincurvesofspecimenforplanÑ

卸载阶段岩石变形指标的变化,与方案Ñ相比,幅

度小得多,其中H2组试件的变形模量在整个卸载阶段平均下降4.9%,而泊松比则上升45.4%。其变化的规律与方案Ñ相似(见图2,3)。

2.3 方案Ó

常规加载试验表明岩石具有如下主要特征:

图5表明,应力差R1)R3与轴向应变E1在峰前有较好的线性关系,峰后应变率几乎不随应力降低而增加,且有一定斜率,表明应力差降低的同时应变还在增大,说明岩石脆性特征并不十分突出,而是有一定韧性。

(1)卸载对轴向应变E1曲线的峰前阶段影响不大,但对峰后影响较大,主要表现为各个试件的曲线型态差异较大;同时卸载对横向应变E3曲线和体积应变Ev曲线也有明显影响,进入卸载阶段后,E3变化梯度明显增大。Ev则从压缩变形转为扩容,说明卸荷破坏时张性特征明显,破裂面差别大。

(2)卸载阶段岩石变形指标有较大变化,X1组试件的变形模量平均降低14.2%,泊松比升高39.4%,H1组试件变形模量降低13.3%,泊松比升高83.8%。其变化的规律见图2,3。

2.2 方案Ò

(1)加载阶段应力应变曲线具有较好的线性关系。而卸载阶段(峰值保持的阶段),横向应变E3随围压R3的降低而增大。全程应力应变曲线都显示出试验中各阶段转变分明,没有渐变的过渡段(见图4)。各阶段中应力应变具有较好的线性关系,表明岩石在该应力图5 方案Ó试件应力应变曲线

Fig.5 Thestress-straincurvesofspecimenforplanÓ

338

岩 土 工 程 学 报 2003年

E3=E3-E3。

fe

(7)(8)(9)(10)(11)

3 岩石的卸载变形参数

3.1 岩石损伤演化概念

损伤是指在外载和环境作用下,由于细观结构的缺陷(如微裂纹,微孔洞等)引起的材料或结构的劣化过程。引入损伤力学的概念,岩体的卸荷变形过程可这样描述:岩体卸荷方向的拉应变,小于极限拉应变时,岩体的变形属线弹性,材料无损;当超过极限拉应变时,材料受到损伤,其变形参数逐渐劣变,直至残余值。

建立损伤变量与弹性模量之间的关系,有

X=I-DD,

式中 X为损伤变量;I为单位矩阵;D、D阵和等效弹性阵。

等效弹性阵D

*

*

*

-1

[5,6]

由广义Hoek定律:

eeeeeeEE-(LPE)R1-(LPE)R2。3=R3P

E3=(1-L)PE#R3-(LPE)R1。

代入式(7),可得

eeeeef

(1-L)PE#R3-(LPE)R13。E3=E3-由损伤变量定义:

X=dE3PdE3,

式中E为加载阶段弹模,X为损伤变量。

e

f

e

e

e

e

e

常规三轴试验中R2=R3,E2=E3,式(8)可简化为

(1)为弹性

由上述损伤演化方程,进行回归拟合分析可确定系数Et及a,即确定岩体卸荷岩时损伤演化方程:

X1组试件Et=0.54,a=-0.386,损伤演化方程为

X=0, Eu[0.54,X=1-e

-0.386(E-0.54)

u

反映了损伤对弹性模型的影响。

因此可通过弹模的变化测定损伤变量X的演化规律。

X为三维损伤张量,Xii代表卸载主方向的损伤变量,量值范围在0~1之间,假定3个卸载主方向的损伤变量相互独立,其损伤演化方程为

X=0, Eii[Et,

X=1-e

a(E-E)

ii

t

, Eu>0.54。

(12)

H1组试件Et=0.95,a=-0.178,损伤演化方程为

X=0, Eu[0.95,X=1-e

-0.386(E-0.95)

u

, Eu>0.95。

(13)

, Eii>Et。

(2)

其中 Eii为卸载主方向的主应变;Et为与抗拉强度Rt对应之初裂应变,即拉伸极限应变值;a为与岩石单轴抗拉强度Rt及卸载时最大附加变形有关的系数。3.2 岩体的卸载变形模量及泊松比

前述成果表明,岩体在卸载过程中,卸载方向存在较大的侧向变形,其泊松比L值最大达到0.8(弹塑性

材料极限L值为0.5),从方案Ñ和方案Ò的试件破坏型态也可清晰看到,试件存在许多竖向张开裂缝,这表明卸载方向除产生弹性回弹变形外,还存在裂缝变形,同时裂缝的方向基本垂直于卸载主方向。由L的定义:

L=EE3P1,

(3)

其中E1和E3分别为轴向应变和侧向应变,这里可认为E1方向仅产生弹性应变,而E3方向(卸载方向)的应变等于弹性应变与裂缝应变之和,即

E1=E,E3=E+E。

代入式(3)得

efef

L=(EEEE3+E3)P1=E3P1+E3P1,令L=EEE3P1,L=E3P1,则有

L=L+L

e

e

f

f

e

e

f

f

e

1

e3

f3

4 结 论

(1)岩石在加载和卸载两种状态下,其力学特性有本质的差别,岩体力学参数存在很大的不同。(2)卸载时,岩体主要发生拉裂损伤破坏和剪切损伤破坏两种形式,体积应变从压缩变形转为扩容。

(3)岩体处于卸载状态下时,在卸载方向出现较大的侧向变形,除弹性回弹变形外,还存在裂缝变形,致使卸载时的泊松比L值可以达到0.8左右。本文运用损伤力学的基本观点,对这一现象进行了合理解释,建立了卸载变形参数的演化方程。

(4)不同岩性的岩体,卸荷损伤演化规律不同。参考文献:

[1]崔政权,李 宁.边坡工程)理论与实践的最新发展[M].

北京:中国水利水电出版社,1999.

[2]哈秋聆,张永兴.岩石边坡工程[M].重庆:重庆大学出版

社,1995.

[3]JaegerJC.BrittleFractureofRocks[A].Proceedingofthe

EighthSymposiumonRockMechanics[C].Baltimore:PortCityPress,1967.3-57.

[4]吴 刚.岩石在加、卸载条件下破坏效应的对比分析[J].岩

土力学,1997,18(2):13-16.

[5]哈秋聆,李建林,等.节理岩体卸荷非线性岩体力学[M].北

京:中国建筑工业出版社,1998.

[6]于骁中.岩石与混凝土断裂力学[M].长沙:中南工业大学

出版社,1988.(4)(5)(6)

其中L是弹性阶段材料泊松比,L为卸载阶段损伤

(裂缝)引起的附加泊松比。式(6)表明卸载时泊松比为这两泊松比之和。

3.3 岩体的卸载损伤变量及其特性

根据上述基本观点,由式(4)可导出: