粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究

田利勇，朱珍德，朱姝，王剑波，刘刚

（河海大学a.岩土工程科学研究所;b.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098）

粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究

田利勇a，b，朱珍德a，b，朱姝a，王剑波a，b，刘刚a，b

（河海大学a.岩土工程科学研究所;b.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098）

利用MTS815.04电液压伺服可控制刚性试验机，对标准粉砂岩岩样进行了保持轴向变形恒定的卸围压试验，获得了大量的应力、应变实验数据。研究表明:岩体卸围压试验大致分为3个阶段，即初始阶段、裂纹扩展阶段及破坏阶段;岩体破坏时裂纹主要沿着最大主应力的方向开裂，最终形成近似平行于最大主应力的张拉型破坏面。进一步对岩体卸荷过程中轴压σ1与围压σ3的变化曲线进行分析发现:当围压降低到一定程度时，裂纹在拉应力作用下迅速扩展;扩展开的裂纹之间由于没有了摩擦力的作用，相对于加载破坏，岩体更容易发生卸荷破坏;在卸荷过程中岩体弹性模量E，泊松比μ随体积应变εv表现出明显的非线性变化趋势。试验结果可为工程提供借鉴。

粉砂岩;卸荷破坏;强度特征;参数变化

1 研究背景

边坡、基坑、铁路与公路隧道等岩体工程的施工，都会产生卸载效应。岩体作为一种特殊的地质材料，内部形成了各种尺度的节理裂隙等缺陷［1］。叶黔元等［2］研究了多孔岩石在不同压缩应力下的变形破坏特征，指出张性微裂纹的扩展是引起岩石产生非线性变形的重要原因。Swanson［3］，Crouch［4］研究了卸围压试验，利用常规的三轴试验仪器进行岩样的卸围压试验，验证不同卸围压路径下岩体的强度。Stacey［5-6］在等效拉应力理论的基础上提出了极限拉应变理论，解释了在宏观压应力场中的岩芯饼化现象。实际工程中，由于工程施工的扰动，岩体原有的平衡状态被打破，由此引起岩体内的应力重分布，促使岩体中内在裂纹（裂隙）不断累积和发展，进而产生宏观的时效断裂，导致岩体发生破坏失稳。

卸荷岩体的研究方法一般都是按照加载岩体力学的方法，但岩体在加载和卸荷条件下，其力学特征有着本质的区别［7］，其基本的力学参数也会发生一定的变化。如果继续按照加载的强度理论进行研究，则会产生较大的差异。基于此，本文通过浙江省某公路隧道粉砂岩卸载试验，研究卸荷岩体的变形破坏特征及其在卸载条件下岩样的力学参数变化情况。工程中，采用卸荷理论对开挖隧洞初始变形量和最终变形量进行了预测，与实测值吻合的较好，为工程提供了借鉴。

2 试验样品制备及试验仪器

岩样取自浙江某公路隧道地层，岩性为微风化粉砂岩，岩样完整性较好，性质较均匀。利用岩石切割机和双端面磨面机将其制成50 mm×100 mm的标准圆柱形试样，如图1所示。

图1 试验标准岩样Fig.1Standard rock sample for the test

本次试验所采用的试验设备是山东科技大学MTS8 15.04电液压伺服可控制刚性试验机，最大轴向力4 600 kN，最大围压150 MPa，应变率适用范围为（10-2～10-7）/s，试验设备如图2。

图2 MTS815.04电液压伺服可控制刚性试验机Fig.2Electric-hydraulic servo-controlled rigid testing machine MTS815.04

3 试验方案

本次试验的试验步骤为:

（1）按静水压力条件逐步施加σ1=σ3至预定值，预定值分别为5，10，15 MPa;

（2）保持围压σ3不变，逐步增加σ1至岩样峰前的某一应力值（峰值强度的80%）;

（3）保持轴向变形恒定的同时，逐渐卸除围压σ3直至试样破坏。

围压采用应力控制，轴压采用位移控制。第1阶段采用应力速率控制;第2阶段保持σ3不变，以0.1 mm/min的加载速率加载轴向应力至预定值;第3阶段以0.02 MPa/s的卸荷速率逐渐卸除围压。

4 试验结果及分析

4.1 岩样变形及破坏特征

对试验数据进行分析处理，本试验是采用保持轴向变形恒定的卸围压试验。轴向应变在围压分别为5，10，15 MPa时分别保持为0.005 6，0.009 5和0.011 8。保持轴向变形恒定的卸围压试验，由于在卸荷过程中轴向变形恒定，试验机不对试样做功，试样的破坏完全在前期存储的可释放弹性应变能的驱动下进行。

从试验过程及所获得试验数据分析表明，卸荷岩体的变形全过程可以分为3个阶段。①卸围压初始阶段:岩体即发生侧向扩容，初始围压越大，体积扩容现象越明显;②裂纹扩展阶段:卸围压达到某一值时，岩样的侧向变形会出现小幅激增，此时岩样中的微裂纹开始起裂扩展;③破坏阶段:继续卸围压，当达到另一值时，可以听到压力室内因岩样破坏产生的清脆的响声，此时岩样发生破坏。各阶段岩样发展变化时的围压值见表1。岩样在破坏后也会表现出明显的体积扩容现象。

表1 卸围压各阶段围压值Table 1Confining pressures in each stage of the unloadingMPa

对比卸荷岩体和加载岩体的破坏特征，可以明显看到二者的不同。常规加载岩体多发生剪切破坏，剪切破坏面与岩体轴向呈一定的角度。而对于卸载岩体，破坏是发生在岩体围压卸载到一定程度时突然发生的，表现出明显的脆性特征。岩体中的裂纹主要沿着最大主应力的方向开裂，最终形成近似平行于最大主应力的破坏面，多为张拉型破坏，如图3。

图3 加卸荷岩体破坏特征对比Fig.3Comparison between failure characteristics of loading and unloading test

4.2 卸荷岩体的强度特征

在卸围压试验过程中，轴向应力σ1和围压σ3的关系见图4。

从图4可以看出，随着围压的降低，轴向应力也不断降低，在卸围压初期，轴向应力σ1随围压σ3大致呈线性关系降低，当围压降低到一定程度时，轴向应力急剧降低，此时岩样侧向变形突然增大，发生脆性崩溃式破坏。根据Brown E T和Trollopr DH提出的等效拉应力理论［8］，在岩体破坏时其内部等效侧向应力σ'3=σ3-μ＜0（σ1+σ2）（μ为泊松比），裂纹会在拉应力作用下快速扩展，同时扩展开的裂纹之间由于没有了摩擦力的作用，相对于加载破坏，岩体更容易发生卸荷破坏。σ1与σ3关系在整个试验过程中呈现出明显的非线性特征，体现了岩体卸荷破坏的非线性特征。

图4 轴向应力σ1和围压σ3关系曲线（卸围压试验）Fig.4Relationship between axial stress σ1and confining pressure σ3（unloading test）

4.3 卸荷岩体的力学参数变化特征

岩体在卸荷与加载条件下是有很大区别的，不同应力路径下其力学参数的变化也是不同的［9］，对岩石类材料，其力学参数一般是通过单轴试验获得的。即但是三轴试验情况下力学参数的求解，如果继续按照这种方式会产生一定的误差。因此在这里假设卸围压过程中仍满足广义胡克定律并考虑到试验中σ2=σ3，可得变形参数的求解公式为:

其中B=ε3/ε1。

为了研究卸载过程中岩样变形与体积应变的关系，引入体积应变εv=Δv/v0=ε1+ε2+ε3［10］。由式（1）和式（2）可以看出，岩体卸荷弹性模量和泊松比随轴向应变ε1和侧向应变ε3变化而变化。

（1）卸荷弹性模量E和体积应变εv的关系曲线如图5（a）。从图5（a）可以看出，在卸围压初始阶段弹性模量几乎不随围压的降低而变化，仅在破坏点之前较小范围内发生微小降低。然而当围压越过破坏点进一步降低时，弹性模量发生急剧降低，体现出明显的脆性破坏特征。

（2）卸荷岩体的泊松比μ随体积应变的变化曲线如图5（b）。在卸荷初期岩体中裂隙不太发育，侧向变形增加比较缓慢，泊松比也没有较大增长。随着围压的降低，岩体中裂隙发育扩展，泊松比也随着发生急剧增长，曲线斜率增大。从图5（b）中可以看出，在岩体破坏区域，泊松比甚至大于0.5，这是因为在岩体发生破坏时，岩体的卸载变形不仅包含基体的回弹变形，还包括由于裂纹拉开而形成的裂缝变形。

图5 岩体变形参数与体积应变的关系Fig.5Relationship between deformation parameters and volume strain

5 结论

（1）岩体卸围压的过程可以分为3个阶段:①初始阶段;②岩体裂纹开始扩展阶段，此时岩样的侧向变行会出现小幅激增;③破坏阶段，压力室内伴有清脆的响声，试样破坏后的形态主要沿着最大主应力方向，形成平行于最大主应力的破坏面。卸荷岩体表现出明显的张拉和脆性破坏，这与加载主要产生的剪切破坏是不同的。

（2）卸围压试验时，岩样破坏时的轴向应力σ1和围压σ3呈现出非线性的变化关系，体现了岩体卸荷破坏准则的非线性特征。

（3）卸围压过程中岩体的力学参数随着围压的降低在不断劣化。弹性模量在卸荷初始阶段几乎不随围压变化，但在越过破坏点之后就会大幅降低。岩体泊松比则随着围压的降低而不断增大，在岩体破坏区域，泊松比（严格的说此时已经不可称为泊松比）甚至会大于0.5。

［1］谢和平，鹏润东，鞠杨.岩石变形破坏过程中的能量耗散分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（21）: 3565-3570.（XIE He-ping，PENG Run-dong，JU Yang.Energy Dissipation of Rock Deformation and Frac-ture［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（21）:3565-3570.（in Chinese））

［2］叶黔元，张流生，卢平.岩石内时损伤本构关系实验验证［J］.江西有色金属，1992，6（4）:242-247.（YE Qian-yuan，ZHANG Liu-sheng，LU Ping.The Experimental Verification of Rock Damage Constitutive Relation［J］.Jiangxi Nonferrous Metals，1992，6（4）:242-247.（in Chinese））

［3］SWANSON R S，BROWN W S.An Observation of Loading Path Independence of Fracture Rock［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1971，8（3）:277-281.

［4］CROUCH S L.A Note on Post-Failure Stress-Strain Path Dependence of Fracture Rock［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1972，9（2）: 197-204.

［5］STACEY T R.A Simple Extension Strain Criterion for Fracture of Brittle Rock［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1981，18（6）: 469-474.

［6］STACEY T R.Contribution to the Mechanism of Core Disking［J］.Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，1982，18:269-274.

［7］哈秋舲，李建林，张永兴，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.（HA Qiu-ling，LI Jian-lin，ZHANG Yong-xing，et al.Unloading Nonlinear Mechanics of Jointed Rock Mass［M］. China Architecture and Building Press，1998.（in Chinese））

［8］BROWN E T，TROLLOPE D H.The Failure of Linear Brittle Materials under Effective Tensile Stress［J］.Felsmechanik und Ingenieurgeologie，1967，4（1）:229-241.

［9］高春玉，徐进，何鹏，等.大理岩加卸载力学特性的研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（3）:456-460.（GAO Chun-yu，XU Jin，HE Peng，et al.Study of Mechanical Properties of Marble under Loading and Unloading Conditions［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（3）:456-460.（in Chinese））

［10］李林峰.岩石峰后扩容特性的加卸载试验研究［D］.昆明:昆明理工大学，2008.（LI Lin-feng.Experimental Study on Dilatancy Nature of Rock Post-peak Behavior［D］.Kunming:Kunming Institute of Technology，2008. （in Chinese））

（编辑:姜小兰）

Deformation and Failure Characteristics of Siltstone Under Unloading Condition

TIAN Li-yong1，2，ZHU Zhen-de1，2，ZHU Shu1，WANG Jian-bo1，2，LIU Gang1，2
（1.Geotechnical Research Institute of Hohai University，Nanjing210098，China;
2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment
Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China）

To provide reference for a highway tunnel construction，unloading confining pressure tests are carried out on standard siltstone samples with constant axial deformation by using MTS815.04 electro-hydraulic servo-controlled rigid testing system.Results show that there are three stages during the whole test process:initial stage，crack growth stage，and failure stage.In the failure stage，the major cracks propagate along the direction of the maximum principal stress，and eventually a tension failure plane which is approximately parallel to the maximum principal stress is formed.The variation curve of axial pressure vs.confining pressure σ3during the unloading process is analyzed.It can be found that the rock is more vulnerable to unloading destruction compared with loading destruction，because when the confining pressure is reduced to a certain degree，the cracks spread rapidly due to the tensile stress，and the friction between the expanded cracks disappears at the same time.The mechanical parameters of the siltstone samples under unloading are obtained，among which the elastic modulus and Poisson’s ratio μ show a nonlinear change with the volumetric strain εv.

siltstone;unloading failure;strength characteristics;parameter variation

TU45

A

1001-5485（2013）04-0044-04

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.010

2013，30（04）:44-47

2012-09-03

国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2011CB013504）;国家自然科学基金项目（41272329）;浙江省重大科技计划重点项目（2009C33049）;江苏省2011年度研究生培养科技创新计划项目（CXZZ11-0428）;深部岩土力学与地下工程国家重点实验室资助项目（SKLGDUEK0902）

田利勇（1986-），男，河南郑州人，硕士研究生，主要从事岩石力学方面的研究，（电话）15951905343（电子信箱）zixintian@163. com。