砂质板岩加卸载力学特性的试验研究

高春玉，徐 进，李忠洪

（1．四川大学水利水电学院，成都 610065；2．昆明勘测设计研究院勘察分院实验中心，昆明 650051）

砂质板岩加卸载力学特性的试验研究

高春玉1，徐 进1，李忠洪2

（1．四川大学水利水电学院，成都 610065；2．昆明勘测设计研究院勘察分院实验中心，昆明 650051）

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统，对雪峰山隧道围岩中的砂质板岩开展三轴加卸载试验，研究这种具微面理砂质板岩的变形特性、强度特性及破坏规律，结果表明：平行面理试件（微面理平行最大主应力）加、卸载条件下峰值强度相近；垂直面理试件（微面理垂直最大主应力）卸载条件峰值强度低于加载条件约20%，残余强度低于加载条件25%。平行面理时砂质板岩表现为弹脆性特征，且卸载条件下的脆裂破坏特征比加载条件下更强。平行面理试件破坏面基本沿试样中的微面理面方向发育，破坏是横向强烈扩容引起的张性破坏。垂直面理时，加载条件下破裂面呈现对角线贯通性剪切破坏特征，卸载条件下破坏面从试件两端的剪切屈服面向中部扩展，中部在剪张作用下破裂，与加载条件下单个贯通剪切面有显著差别。

砂质板岩；加卸载；力学特性；试验研究

1 研究背景

随着地下洞室和隧道工程的发展，岩体在卸载力学条件下的力学特性研究越来越受到重视。岩体的初始应力状态是一种三向应力状态，实际工程中洞室和隧道开挖即是岩体的一个卸荷过程。伴随着开挖的进行，岩体三向应力发生相应的调整，此时围岩的力学特性与加载情况下有较大差别。

针对这一情况研究人员进行了大量研究工作，哈秋舲［1］针对三峡工程永久船闸陡高边坡开展岩体各向异性卸荷力学研究；裴建良［2］等对层状大理岩的卸载力学特性进行了试验研究，得到相同卸荷条件下，平行面理面压缩时岩石更易发生破坏，垂直面理面时大理岩脆性特征更明显；黄润秋［3］等对卸荷条件下岩石变形特征进行研究，并建立了卸荷岩石峰后脆性段本构方程；高春玉［4］等通过三轴加卸载试验对大理岩在加载和多个卸载路径条件下的变形及强度变化规律进行了对比研究；李天斌和王兰生［5］研究了卸荷应力状态下玄武岩的变形和破坏特征；李建林［6］在专著中总结了岩体的卸荷力学特性。大量研究表明：岩石在卸载条件下的力学特性与常规试验条件下差异较大，而不同岩性岩体卸载条件下的力学特性仍有许多研究有待开展。

本文结合雪峰山隧道工程实际，对取自该工程现场的砂质板岩岩样开展三轴加载与三轴卸载试验，研究雪峰山隧道具微面理砂质板岩的卸载力学特性，并对试验结果进行比较分析，得到该砂质板岩在最大主应力垂直面理和平行面理时的强度特征、变形破坏特征及主要力学参数的变化规律。

2 试验方案及试验条件

2．1 试件制备

试验所用岩样采自雪峰山隧道工程现场，试件岩性主要为硅化砂质板岩，钻取的试件按照岩石试件取样洞段分左右洞编号。相同方案的试件均取自同一岩块。试件尺寸为Φ50 mm×100 mm的标准圆柱体；岩石试件按微面理与最大主应力夹角分为平行面理（β＝0°）和垂直面理（β＝90°）两类。

2．2 试验设备

本次研究的试验均在四川大学MTS815 Flex Test GT岩石力学试验机上进行，该试验机具有足够大的刚度和计算机程控高速闭环伺服控制，可采集到单轴及三轴试验的全过程曲线。

2．3 试验方案及方法

三轴试验分以下2个方案（见表1）。

方案Ⅰ：常规三轴试验，其试验程序按照试验规范［7］进行。试验按夹角不同分2组，每组4个样，围压分别为10，20，40和60 MPa。三轴试验以0．05 MPa／s的速率施加到设定围压，待围压稳定后，以0．5 MPa／s的力控制加载速率施加轴向荷载至岩样峰值荷载的70%左右，之后转为环向引伸计控制，得到全过程曲线，直至岩石试件破坏。

方案Ⅱ：卸荷三轴试验，用加轴压降围压的试验来模拟工程开挖引起的围岩应力变化过程中最大主应力σ1增高，最小主应力σ3降低的力学过程。试验分为4个阶段：第一阶段逐步施加σ3至预定值40 MPa；第二阶段逐步升高σ1至比例极限；第三阶段缓慢升高σ1的同时逐步降低σ3；第四阶段是试件破坏后效应的测试，试件破坏后继续施加轴向应变，直至主应力差不随轴向应变的增加而降低时结束试验。试验按夹角不同分2组，平行面理组2个样，垂直面理组4个样。

表1 试件分组Table 1 G roups of specim ens

3 试验结果及分析

3．1 变形特征

三轴加载条件的典型应力－应变全过程曲线如图1（所选试样围压均为40 MPa），平行面理时（如图1（a）），应力－应变曲线在主应力差达到峰值后经历了较长的不稳定破裂过程，具有明显的弹脆性材料的特性［8］，应力差达到峰值前变形较小，峰值后轴向应变变化较小，环向应变及体积应变增加较大，说明破坏是由横向强烈扩容引起的［9］。

垂直面理时（如图1（b）），应力差达到峰值以后变形进入了软化阶段，并迅速破坏。峰值后基本没有不稳定破裂阶段，但经历了一个较明显的应力降低而应变增大的扩容过程。应变值在应力峰值前明显大于平行面理，表现出延性特征。并且在破坏前轴向变形较大，破坏后横向与轴向变形增长量相近，试件变形主要由交层剪切破坏［1］产生。

从图1可以看出，2种面理方向试件的应力－应变曲线差异明显。平行面理试件呈现脆性破坏特征，而垂直面理试件呈峰后软化特征［10］。平行面理试件有一个明显的急剧扩容过程，残余强度的体变达到14×10－3，垂直面理时只有8．5×10－3，说明微面理平行于最大主应力时，破坏后试件变形更大。平行面理时弹性模量和变形模量分别比垂直面理时约大6%和20%，而侧胀系数在平行面理时明显小于垂直面理时，三轴加载条件下夹角对泊松比的影响不明显。

图1 三轴加载试验典型应力－应变曲线Fig．1 Typical comp lete stress-strain curves of triaxial loading tests

三轴卸载条件的典型应力－应变全过程曲线如图2（所选试样围压均为40 MPa），曲线变化规律与三轴加载条件下相似。垂直面理试件破坏时应力应变曲线呈圆滑过渡，并没有能量的瞬间释放，变形破裂经历了线弹性变形、非线性变形、稳定破裂、破坏几个阶段。平行面理试件破坏过程中应力应变曲线各阶段转折尖棱，并伴有高低起伏，没有圆滑的过渡阶段，不稳定破裂阶段在体应变达到10×10－3时基本结束，这一阶段在加载条件下对应的体应变为2．2×10－3，约为卸载条件下的20%，而二者的体变在达到残余强度时相近，表明卸载条件下平行面理试件显示出更强的脆裂破坏特征。峰值前平行面理的环向应变约为垂直面理情况下的80%；平行面理弹性模量和变形模量分别比垂直面理时约大60%和85%，这一比例远大于加载条件，说明卸载条件下试件的弹脆性特征较加载条件下更显著。

图2 三轴卸载试验典型应力－应变曲线Fig．2 Typical com plete stress-strain curves of triaxial unloading tests

3．2 强度特征

三轴加载条件试验组中，平行面理和垂直面理试件的峰值强度与残余强度都随围压的增大呈增大趋势。两组试件破坏时主应力差（σ1－σ3）max与残余强度相近。

三轴卸载条件试验组中，平行面理和垂直面理试件以相同初始围压（40 MPa）开始卸载，试验得到平行面理的峰值强度与残余强度都较垂直面理高约20%，卸载条件下试件强度差异增大。卸载条件下垂直面理试件的强度比相同围压加载条件试件的强度降低约20%。

对加、卸载条件下各组试件峰值强度和残余强度值进行比较，平行面理时，加、卸载条件下峰值强度相近，垂直面理时，卸载条件峰值强度低于加载条件20%，残余强度低于加载条件25%。

三轴加、卸载试验得到的结果列于表2。

3．3 破坏特征

加载试验试件的破坏特征如图3。平行面理时（如图3（a）），破坏面基本沿试样中的面理方向发育，破裂面分散，破坏是由横向强烈扩容引起的张性破坏，说明微面理是岩体中的弱面，当这种弱面与岩体最大主应力方向相近或平行时，它就控制了岩石的破坏方式和破坏特征。垂直面理时（如图3（b）），破裂面呈现对角线贯通性剪切破坏特征，破坏面与面理和最大主应力方向的夹角都较大。两种面理方向时破坏形式的差异显著，面理方向对岩石的破坏形式有较大影响，也导致平行面理时强度较垂直面理时低。

卸载试验试件的破坏特征如图4。平行面理时（如图4（a）），破坏面与加载条件下相同，基本沿试样中的微面理面方向发育，相同的破坏方式使得二者的强度相近。垂直面理时（如图4（b）），破坏面从试件两端的剪切屈服面向中部扩展，中部在剪张作用下破裂，与加载条件下单个贯通剪切面有显著差别，所以，卸载条件下其强度较加载条件下低。

表2 试验结果Table 2 Test results

图3 三轴加载试验典型破坏形态Fig．3 Typical failurem odes of triaxial loading tests

图4 三轴卸载试验典型破坏形态Fig．4 Typical failuremodes of triaxial unloading tests

4 结 论

本文结合雪峰山隧道工程实际，通过隧道围岩中具典型微面理砂质板岩的常规三轴和卸载三轴试验研究，得到如下结论：

（1）平行面理时，在加、卸载两种条件下砂质板岩变形均表现出弹脆性特征，应力差达到峰值前变形较小，峰值后轴向应变变化较小，环向应变及体积应变增加较大，强烈横向扩容导致试样破坏；加载条件下不稳定破裂阶段体应变仅为卸载条件同阶段的20%，说明卸载条件下的脆裂破坏更强烈，破坏产生的变形更大。

（2）垂直面理时，在加、卸载两种条件下变形均表现为峰后软化特征，在破坏前轴向变形较大，破坏后横向与轴向变形增长量相近，试件变形主要由交层剪切屈服破坏产生。

（3）平行面理时，加、卸载条件下峰值强度相近，加载条件下残余强度高于卸载条件约10%，卸载条件下破坏后岩体强度更低，承载能力更差；垂直面理时，卸载条件峰值强度低于加载条件20%，残余强度低于加载条件25%。垂直面理时岩样在加、卸载条件下的强度分化更明显。在开挖卸荷条件下，岩体实际强度会明显低于规范要求室内试验加载时得到的强度，在开挖与支护设计中应当引起重视。

（4）卸载条件下，平行面理的峰值强度与残余强度都较垂直面理高约20%，平行面理的弹性模量和变形模量分别比垂直面理时约大60%和85%。在隧道开挖过程中，面理垂直于开挖面时岩体更容易破坏［11］。

（5）平行面理时破坏面基本沿试样中的微面理面方向发育，破裂面分散，破坏是由横向强烈扩容引起的张性破坏。垂直面理时，加载条件下破裂面呈现对角线贯通性剪切破坏特征，破坏面与面理和最大主应力方向的夹角都较大；卸载条件下破坏面从试件两端的剪切屈服面向中部扩展，中部在剪张作用下破裂，与加载条件下单个贯通剪切面有显著差别。

［1］ 哈秋舲．三峡工程永久船闸陡高边坡各向异性卸荷岩体力学研究［J］．岩石力学与工程学报，2001，20（5）：603－618．（HA Qiu-ling．Study on the Anisotropic Unloading Rock Mass Mechanics for the Steep-high Rock Slope of the Three Gorges Project Permanent Shiplock［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（5）：603－618．（in Chinese））

［2］ 裴建良，刘建锋，徐 进．层状大理岩卸荷力学特性试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2009，28（12）：2496－2502．（PEI Jian-liang，LIU Jian-feng，XU Jin．Experimental Study of Mechanical Properties of Layered Marble under Unloading Condition［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（12）：2496－2502．（in Chinese））

［3］ 黄润秋，黄 达．卸荷条件下岩石变形特征及本构模型研究［J］．地球科学发展，2008，23（5）：441－447．（HUANG Run-qiu，HUANG Da．Study of Deformation Characteristics and Constitutive Model of Rock on the Condition of Unloading［J］．Advances in Earth Science，2008，23（5）：441－447．（in Chinese））

［4］ 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 on Mechanical Properties of Marble under Loading and Unloading Conditions［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（3）：456－460．（in Chinese））

［5］ 李天斌，王兰生．卸荷应力状态下玄武岩变形破坏特征的试验研究［J］．岩石力学与工程学报，1993，12（4）：321－327．（LI Tian-bin，WANG Lan-sheng．An Experimental Study of the Deformation and Failure Features of a Basalt under Unloading Condition［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1993，12（4）：321－327．（in Chinese））

［6］ 李建林．卸荷岩体力学［M］．北京：中国水利水电出版社，2003．（LIJian-lin．Unloading Rock MassMechanics［M］．Beijing：China Water Power Press，2003．（in Chinese））

［7］ SL264—2001，水利水电工程岩石试验规程［S］．北京：中国水利水电出版社，2001．（SL264—2001，Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering［S］．Beijing：China Water Power Press，2001．（in Chinese））

［8］ 蔡 朋，邬爱清，汪 斌，等．一种基于II型全过程曲线的岩爆倾向性指标［J］．岩石力学与工程学报，2010，5（增1）：3290－3294．（CAI Peng，WU Ai-qing，WANG bin，etal．A Rockburst Proneness Index Based on Class IIWhole Process Curve［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，5（Sup．1）：3290－3294．（in Chinese））

［9］ 尤明庆．岩石的力学性质［M］．北京：地质出版社，2007．（YOU Ming-qing．Mechanical Properties of Rock Masses［M］．Beijing：Geological Publishing House，2007．（in Chinese））

［10］许 强，黄润秋．岩体强度的各向异性研究［J］．水文地质工程地质，1993，（6）：10－12．（XU Qiang，HUANG Run-qiu．Strength Anisotropy Study of Rockmass［J］．Hydrogeology and Engineering Geology，1993，（6）：10－12．（in Chinese））

［11］张学民．岩石材料各向异性特征及其对隧道围岩稳定性影响研究［D］．长沙：中南大学，2007．（ZHANG Xue-min．Anisotropic Characteristic of Rock Material and Its Effect on Stability of Tunnel Surrounding Rock［D］．Changsha：Central South University，2007．（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

M echanical Properties of Sandy Slate under Loading and Unloading Conditions

GAO Chun-yu1，XU Jin1，LIZhong-hong2
（1．School ofWater Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2．Hydrochina Kunming Engineering Corporation，Kunming 650051，China）

To research the strength characteristics，deformation properties，and failure regularities of sandy slate which hasmicro-bedding，triaxial compressed tests in loading and unloading conditions are carried out by MTS815 Flex test GT rock mechanics test system．The test results show that the peak intensities under loading are close to those under unloading condition when the bedding parallels to the maximum principal stress（parallel bedding）．When the bedding is vertical to the maximum principal stress（vertical bedding），peak intensity and residual strength under unloading condition are respectively 20%and 25%lower than those under loading condition．The sandy slate with parallel bedding shows elastic brittle feature，and this brittle failure under unloading condition is stronger than that under loading condition．Failure surfaces of parallel bedding samples develop along the bedding planes direction，and the failure is caused by strong lateral expansion under tension．The failure faces of vertical bedding samples under loading condition display shear feature with diagonal transfixion plane，and the failure faces under unloading condition develop from the shear yielding planes at both ends to the center of the sample．

sandy slate；loading and unloading；mechanical property；experimental study

TU 458

A

1001－5485（2013）02－0052－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．011

2011－11－25；

2012－06－13

国家重点基础研究发展规划（973）项目（2011CB201201）

高春玉（1975－），女，四川宜宾人，讲师，主要从事岩石力学性质、地下工程稳定及安全监测方面的研究工作，（电话）028－85465866（电子信箱）chygao＠scu．edu．cn。