卸荷速率對(duì)巖石強(qiáng)度的影響研究

卸荷速率對(duì)巖石強(qiáng)度的影響研究

1卸荷試驗(yàn)研究巖體開挖擾動(dòng)初應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致重安置電壓。在此過程中,開挖巖體周圍不再處于單純的加荷狀態(tài),而是某些方向處于加荷狀態(tài),另一些方向處于卸荷狀態(tài)。研究表明,巖體在加荷和卸荷條件下的力學(xué)特性有本質(zhì)的區(qū)別,卸荷條件下的巖石強(qiáng)度特性研究對(duì)于分析開挖作用下巖石工程的安全性具有極為重要的意義,因而得到越來越多的關(guān)注,已有大量的學(xué)者開展了相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究。在卸荷條件下,影響巖石強(qiáng)度的因素很多,主要包括巖石的巖性、卸荷點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)、卸荷應(yīng)力路徑以及卸荷速率等。許東俊等針對(duì)3種巖性的巖石試樣采用若干種卸荷路徑進(jìn)行了卸荷試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)卸荷點(diǎn)的偏應(yīng)力高于體積應(yīng)變轉(zhuǎn)彎點(diǎn)處的偏應(yīng)力時(shí),卸荷對(duì)巖石的強(qiáng)度有影響,但對(duì)不同巖石影響不同,對(duì)較軟的巖石如大理巖,卸荷路徑下強(qiáng)度提高,而對(duì)較硬的巖石如輝長巖和花崗巖,卸荷路徑下強(qiáng)度降低。陳颙等利用輝長巖進(jìn)行了保持軸壓不變而降低圍壓的試驗(yàn),結(jié)果表明,卸荷條件下的強(qiáng)度偏低,但前提條件是卸荷點(diǎn)的偏應(yīng)力接近體積應(yīng)變轉(zhuǎn)彎點(diǎn)處的偏應(yīng)力,如果該條件不滿足,卸荷對(duì)巖樣的強(qiáng)度影響不大,這與許東俊等所得的結(jié)論一致。很多學(xué)者也進(jìn)行了各種卸荷應(yīng)力路徑的試驗(yàn),李宏哲、尤明慶和李天斌等的卸荷試驗(yàn)表明,卸荷對(duì)巖樣的強(qiáng)度沒有影響;陳衛(wèi)忠等利用大理巖進(jìn)行的峰前和峰后卸圍壓試驗(yàn)表明,卸荷試驗(yàn)對(duì)巖樣的強(qiáng)度的影響不大,但卸荷條件下的強(qiáng)度普遍高于常規(guī)試驗(yàn)的強(qiáng)度。可見,不同學(xué)者所得結(jié)論是不同的,至今尚不明確卸荷對(duì)強(qiáng)度是否有影響以及影響程度如何。造成這種現(xiàn)狀的一個(gè)重要原因是卸荷點(diǎn)應(yīng)力和卸荷速率等條件的確定沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因此,需要首先研究這些條件對(duì)巖石強(qiáng)度的影響規(guī)律。因?yàn)樾逗蓷l件下影響巖石強(qiáng)度的因素很多,如果一次試驗(yàn)考慮的因素過多,勢(shì)必影響對(duì)最終結(jié)果的解釋。本文將在前人研究成果的基礎(chǔ)上,以錦屏大理巖為對(duì)象,重點(diǎn)研究卸荷速率對(duì)巖石強(qiáng)度的影響。另外,需要說明的是,為了與力學(xué)上加載和卸載的概念相區(qū)分,本文采用加荷和卸荷來表述某個(gè)應(yīng)力分量的提高和降低。2無附加荷載試驗(yàn),巖石力學(xué)政巖石的常規(guī)試驗(yàn)中,加載速率對(duì)強(qiáng)度是有影響的,一般隨著加載速率的增加,巖石的強(qiáng)度提高。吳剛等進(jìn)行的裂隙巖體真三軸卸荷試驗(yàn)表明,隨著卸荷速率的增加,巖石的強(qiáng)度也是提高的。至于加載速率引起強(qiáng)度變化的原因,部分學(xué)者研究認(rèn)為,加荷或卸荷的速度越快,試件來不及開展塑性變形,變形趨于局部化,表現(xiàn)出明顯的脆性,強(qiáng)度也就相應(yīng)提高。對(duì)于常規(guī)加載試驗(yàn),國內(nèi)外巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程中對(duì)加載速率都有明確的限定,如國內(nèi)規(guī)程限定加載速率為0.5~0.8MPa/s。由于卸荷試驗(yàn)開展得較少,國內(nèi)外試驗(yàn)規(guī)程中未有明確卸荷速率的范圍。在研究卸荷應(yīng)力路徑和初始卸荷點(diǎn)處的應(yīng)力等對(duì)強(qiáng)度的影響時(shí),就需要確定合理的卸荷速率,以便得到卸荷條件下合適的強(qiáng)度參數(shù)。2.1試驗(yàn)過程中的自適應(yīng)識(shí)別準(zhǔn)則為了便于比較加荷和卸荷條件下的應(yīng)力狀態(tài),需要提出表征當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)與巖石強(qiáng)度關(guān)系的變量。本文引入張傳慶提出的屈服接近度YAI(yieldapproachindex)的概念,它描述一點(diǎn)的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)與相對(duì)最安全狀態(tài)的參量的比。在主應(yīng)力空間中,一點(diǎn)A的應(yīng)力狀態(tài)可以表示為子午面上的一點(diǎn),如圖1所示,相對(duì)于該A點(diǎn),離屈服面最遠(yuǎn)即最安全狀態(tài)為A0點(diǎn)。根據(jù)屈服接近度的定義,其計(jì)算公式為屈服接近度可以表征應(yīng)力狀態(tài)與屈服面的接近程度,則其隨時(shí)間的變化率可表示一定的應(yīng)力路徑接近屈服的快慢。為了表述方便,下文中稱屈服接近度的時(shí)間變化率的絕對(duì)值為屈服接近速率,用YAR(yieldapproachrate)表示。本文將分別從數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)室試驗(yàn)的角度研究巖石在加荷和卸荷破壞過程中YAR的變化規(guī)律。對(duì)于試驗(yàn)室試驗(yàn),加荷或卸荷的時(shí)間可以用真實(shí)的時(shí)間,此時(shí)YAR的單位為1/s;對(duì)于數(shù)值計(jì)算,規(guī)定數(shù)值計(jì)算的每個(gè)計(jì)算步叫做一個(gè)加載步(step),則加荷或卸荷的時(shí)間長短與加載步(step)的多少是相對(duì)應(yīng)的,因此,可以用加載步來表示加載的時(shí)間,此時(shí)YAR的單位為1/加載步。從而給定強(qiáng)度參數(shù)后可以計(jì)算得到屈服接近速率YAR與加載步的關(guān)系,不同圍壓下的結(jié)果如圖2所示。計(jì)算中采用的強(qiáng)度準(zhǔn)則為MohrCoulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,強(qiáng)度參數(shù)的取值為黏聚力c=15MPa,摩擦角?=49°,軸向應(yīng)力加荷速率為1MPa/step。從圖2可以看出,圍壓越大,巖石需要更多的加載步才能達(dá)到破壞,即加載的時(shí)間歷程更長,雖然初始加載時(shí)的屈服接近速率在各個(gè)圍壓下差別較大,但接近破壞時(shí)的屈服接近速率趨于一致。當(dāng)前,常規(guī)試驗(yàn)的強(qiáng)度參數(shù)是通過擬合不同圍壓下的峰值軸向應(yīng)力得到的,其離散型一般是不大的。從上述分析可知,不同圍壓下軸向應(yīng)力接近峰值時(shí),其相應(yīng)的屈服接近速率趨于一致,因此,在屈服接近速率的意義上,當(dāng)前擬合強(qiáng)度參數(shù)的方法是合適的。2.2加荷和卸荷試驗(yàn)通常說的卸荷試驗(yàn)指降低最小主應(yīng)力的試驗(yàn),對(duì)于常規(guī)三軸試驗(yàn)指降低圍壓的試驗(yàn),采用的方案主要有以下幾種:(1)保持軸壓不變,降低圍壓;(2)保持偏應(yīng)力不變(降低圍壓的同時(shí)降低軸壓),降低圍壓;(3)升高軸壓,降低圍壓;(4)保持軸向位移不變,降低圍壓?？梢詫⑸鲜鰬?yīng)力路徑在靜水壓力-廣義剪應(yīng)力平面上表示,如圖3所示。圖中,靜水壓力為;廣義剪應(yīng)力為,其中σi(i=1,2,3)為3個(gè)主應(yīng)力。σ0表示初始卸荷應(yīng)力,線段ab為屈服面的子午線,數(shù)字編號(hào)(1)~(4)為對(duì)應(yīng)于上述4種卸荷應(yīng)力路徑,而編號(hào)(5)對(duì)應(yīng)于常規(guī)加荷的應(yīng)力路徑。從圖3可以看出,對(duì)于各種卸載圍壓的路徑,雖然圍壓在降低,應(yīng)力狀態(tài)仍然是在不斷靠近屈服面,即巖石試樣仍然處于力學(xué)概念上的“加載”狀態(tài),且不同的卸荷路徑下應(yīng)力路徑的“長短”不同。因?yàn)槌Ｒ?guī)加載和各種卸荷應(yīng)力路徑的長度不同,相同的加荷和卸荷速度下,如加載軸壓和卸圍壓的速度都按照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程中建議的0.5~0.8MPa/s,不同的應(yīng)力路徑靠近強(qiáng)度線的速率明顯會(huì)不同。巖土類材料與金屬等材料在強(qiáng)度特性上的顯著差別在于前者的強(qiáng)度與靜水壓力有關(guān),靜水壓力越大,強(qiáng)度越高,如圖3所示。對(duì)于常規(guī)三軸加荷試驗(yàn),即圖3中的路徑(5),因?yàn)殡S著軸向應(yīng)力的加載靜水壓力是逐漸提高的,所以巖石的強(qiáng)度也在逐漸提高,使得屈服接近速率會(huì)不斷減小,這點(diǎn)從圖2中可以明顯地看出;但對(duì)于各種卸荷路徑,因?yàn)殡S著圍壓的卸載,靜水壓力在逐步減小,所以巖石的強(qiáng)度也在逐步降低,使得屈服接近速率會(huì)不斷增加。對(duì)于各卸荷路徑可以計(jì)算得到屈服接近速率YAR與加載步的關(guān)系,如圖4所示,計(jì)算中仍采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,強(qiáng)度參數(shù)同2.1節(jié),圍壓卸荷速率為1MPa/step,卸荷點(diǎn)的應(yīng)力為σ1=130MPa和σ2=σ3=20MPa,特別地,對(duì)于卸荷路徑(4),假設(shè)卸荷過程中巖石是彈性的且泊松比不變?yōu)?.3。從圖4可以看出,隨著卸荷的進(jìn)行,各種卸荷路徑下的屈服接近速率都是逐漸增大的,雖然開始時(shí)各種路徑下的屈服接近速率差別較大,接近破壞時(shí)的各屈服接近速率相差不大。因?yàn)榻咏茐臅r(shí)各個(gè)卸荷路徑下的屈服接近速率比較接近,限于篇幅,以下將以卸荷路徑(1)為例來分析加荷和卸荷條件下的屈服接近速率。為了選擇合適的加荷和卸荷條件下的屈服接近速率進(jìn)行對(duì)比,首先需要研究?jī)煞N條件下的屈服接近速率是否受圍壓的影響。從圖3可以看出,常規(guī)加荷條件下,接近破壞時(shí)的屈服接近速率幾乎不受圍壓的影響。改變卸荷點(diǎn)的位置,可以計(jì)算得到不同圍壓條件下卸荷時(shí)的屈服接近速率,見圖5,計(jì)算中采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,強(qiáng)度參數(shù)同前,卸荷時(shí)的初始軸向應(yīng)力為σ1=115.7MPa,圍壓如圖5中所示。從圖可以看出,在不同的圍壓下卸荷時(shí),雖然初始時(shí)各屈服接近速率差別較大,但接近破壞時(shí)的屈服接近速率相等,即卸載圍壓速率一定的條件下,接近破壞時(shí)的屈服接近速率與圍壓無關(guān)。既然加載和卸荷路徑下的屈服接近速率與圍壓無關(guān),就可以比較任意圍壓下的加荷和卸荷的屈服接近速率,見圖6所示,計(jì)算中采用MohrCoulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,強(qiáng)度參數(shù)同前,加荷的起始應(yīng)力狀態(tài)為σ1=σ2=σ3=5MPa,卸荷的起始應(yīng)力狀態(tài)為σ1=115.7MPa和σ2=σ3=20MPa。圖6中給出了4種卸荷速率和一種常規(guī)加荷速率下的屈服接近速率,從圖中可以看出,當(dāng)卸載圍壓速率是常規(guī)加載軸壓速率的0.2~0.3倍時(shí),加荷和卸荷的屈服接近速率在接近破壞時(shí)大小相當(dāng)。下文將通過數(shù)值和室內(nèi)試驗(yàn)證明,當(dāng)在臨近破壞條件下的屈服接近速率相當(dāng)時(shí),加荷和卸荷條件下的強(qiáng)度也比較接近。3試驗(yàn)和試驗(yàn)研究為了驗(yàn)證第2節(jié)的分析結(jié)果,利用巖石破裂過程分析的彈塑性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬系統(tǒng)(EPCA2D)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)和試驗(yàn)室試驗(yàn)來研究不同卸荷速率下的巖石的強(qiáng)度特性。卸荷路徑采用2.2節(jié)中的路徑(1),即保持軸向應(yīng)力不變,降低圍壓。3.12卸荷加載試驗(yàn)結(jié)果分析本部分采用自行開發(fā)的巖石破裂過程分析的彈塑性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬系統(tǒng)EPCA2D[16-17]對(duì)卸圍壓試驗(yàn)進(jìn)行模擬。模擬采用平面應(yīng)變模型,模型大小為50mm×100mm。設(shè)置細(xì)胞自動(dòng)機(jī)迭代精度為1×10-10,容許誤差為1%,非線性最大迭代次數(shù)為400。元胞單元服從彈脆塑性本構(gòu)關(guān)系,采用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則和塑性關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則,巖樣的力學(xué)參數(shù)如表1所示。在EPCA2D中巖樣的非均質(zhì)性是通過非均質(zhì)系數(shù)反映的,此處取值為2,參數(shù)含義參考文獻(xiàn)。為了得到巖樣的變形和強(qiáng)度特性,首先進(jìn)行了3組常規(guī)三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn),圍壓分別為5、15、30MPa。試驗(yàn)中軸向應(yīng)力的加載速率為1MPa/step。所得的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖7所示,由于巖樣的非均質(zhì)性,在達(dá)到峰值前已有單元破壞,使得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上出現(xiàn)明顯的初始屈服點(diǎn)。本數(shù)值試驗(yàn)的目的是研究卸荷速率對(duì)巖樣強(qiáng)度的影響,為了排除其他因素對(duì)巖樣強(qiáng)度的影響,在進(jìn)行卸圍壓模擬時(shí),首先要選擇合適的初始卸荷應(yīng)力,使該應(yīng)力狀態(tài)下巖樣處于彈性狀態(tài)。根據(jù)圖7中各種圍壓下初始屈服時(shí)的應(yīng)力,確定卸荷數(shù)值試驗(yàn)的初始應(yīng)力點(diǎn)為σ1=55MPa和σ2=σ3=10MPa。確定初始應(yīng)力點(diǎn)后,進(jìn)行了4組卸圍壓模擬,卸荷速率分別為0.1、0.5、1、5MPa/step。卸荷過程中側(cè)向應(yīng)變的變化較為明顯,圖8中給出了圍壓與側(cè)向應(yīng)變的關(guān)系,可以看出,隨著圍壓的卸荷,不同卸荷速率下的試樣都是經(jīng)歷了一段彈性變形以后,開始發(fā)生塑性變形,之后,側(cè)向變形迅速膨脹。從圖8還可以看出,卸荷圍壓的速率越快,巖樣破壞時(shí)的圍壓越低。為了對(duì)比分析常規(guī)加載和卸荷條件下的強(qiáng)度,將圖7、8中破壞時(shí)的軸向應(yīng)力和圍壓繪于圖9。圖中同時(shí)給出了圖7中初始屈服對(duì)應(yīng)的應(yīng)力以及初始卸荷應(yīng)力點(diǎn),可以看出,該應(yīng)力狀態(tài)下,巖樣處于彈性狀態(tài)。圖9中的卸荷強(qiáng)度為卸圍壓至破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài),從右至左卸荷速率依次增加,圖中用數(shù)字給出了卸荷圍壓的速率。從圖9中可以看出,隨著卸荷速率的增加,巖樣的強(qiáng)度逐漸提高,EPCA2D模擬結(jié)果和吳剛等試驗(yàn)所得結(jié)論一致。當(dāng)卸荷速率為常規(guī)加載試驗(yàn)加載速率的0.5倍時(shí),卸荷條件下的強(qiáng)度高于常規(guī)加載的強(qiáng)度。從圖9還可以得出以下結(jié)論:當(dāng)卸圍壓速率是常規(guī)加載軸壓速率的0.2~0.3倍時(shí),加載和卸荷條件下的強(qiáng)度比較接近。由2.2節(jié)的討論可知,此時(shí)加載和卸荷條件下的接近破壞時(shí)的屈服接近速率相當(dāng),這說明在卸荷試驗(yàn)中,如果卸荷點(diǎn)處于彈性范圍內(nèi),只要各種應(yīng)力路徑下的屈服接近速率差別不大,應(yīng)力路徑對(duì)強(qiáng)度的影響不顯著。3.2常規(guī)卸圍壓試驗(yàn)為了進(jìn)一步驗(yàn)證第2節(jié),以及3.1節(jié)的結(jié)論,利用錦屏II級(jí)深埋長大引水隧洞的深部大理巖進(jìn)行了卸圍壓試驗(yàn)。此種巖石由碳酸鹽礦物成分組成,變晶結(jié)構(gòu),致密塊狀構(gòu)造,宏觀均勻性好,礦物成分主要為方解石。巖樣尺寸為?50×100mm,試件的加工精度包括平行度、平直度和垂直度均控制在《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264-2001)規(guī)定范圍之內(nèi)。與3.1節(jié)相同,首先進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)確定大理巖的強(qiáng)度,然后根據(jù)初始屈服點(diǎn)確定初始卸荷圍壓的應(yīng)力點(diǎn),對(duì)于該大理巖,卸荷點(diǎn)定為σ1=125MPa和σ2=σ3=25MPa。常規(guī)試驗(yàn)采用軸向位移控制,通過彈性參數(shù)可計(jì)算得到軸向應(yīng)力的加載速率約為0.15MPa/s。卸圍壓試驗(yàn)共進(jìn)行了4組,4組的卸圍壓速率分別為常規(guī)加軸壓速率的1/9、1/3、1和4/3倍,即0.016、0.049、0.1、0.20MPa/s。各種卸圍壓速率下,圍壓與橫向應(yīng)變的關(guān)系如圖10所示,該關(guān)系和彈塑性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬的結(jié)果,即圖8在趨勢(shì)上是一致的。同樣,為了對(duì)比分析常規(guī)試驗(yàn)和卸荷試驗(yàn)下的強(qiáng)度,將兩種路徑下的強(qiáng)度繪于圖11,圖中常規(guī)試驗(yàn)的強(qiáng)度利用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行了擬合。從圖可以看出,隨著卸荷速率的增加,大理巖的強(qiáng)度提高,這與3.1節(jié)中的模擬結(jié)果也是一致的。當(dāng)卸荷速率為常規(guī)加載速率的1/3時(shí),卸荷條件下的強(qiáng)度已經(jīng)大于常規(guī)試驗(yàn)的強(qiáng)度。與3.1節(jié)中的結(jié)論相似,當(dāng)卸荷圍壓速率是常規(guī)加載軸壓速率的0.2~0.3倍時(shí),加載和卸荷條件下的強(qiáng)度比較接近。4卸荷和卸荷速率對(duì)強(qiáng)度的影響首先提出用屈服接近速率表征各種應(yīng)力路徑下巖石接近屈服的快慢,并分析了常規(guī)加載和各種卸荷路徑下的屈服接近速率,結(jié)果表明:給定強(qiáng)度參數(shù),接近破壞時(shí),(1)各個(gè)路徑下的屈服接近速率幾乎和圍壓無關(guān);(2)各種卸荷路徑下的屈服接近速率相差不大;(3)當(dāng)卸荷速率為加載速率的0.2~0.3倍時(shí),加載和卸荷路徑下的屈服接近速率基本一致。通過彈塑性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬和