温度作用后大理岩三轴卸荷细观破坏特征研究

宋文SONG Wen；汪然WANG Ran；黄河HUANG He

（①安徽省公路工程建设监理有限责任公司，合肥 230001；②合肥市建筑质量安全监督站，合肥 230001；③安徽省综合交通研究院股份有限公司，合肥 230001）

（①Anhui Highway Engineering Construction Supervision INC.，Hefei 230001，China；②Hefei Construction Quality Supervision Station，Hefei 230001，China；③Anhui Comprehensive Transportation Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230001，China）

0 引言

在水利工程中，涉及到的地下洞室主要有：地下厂房、导流洞、引水隧洞、尾水洞、交通洞等等。在岩体开挖时，基坑、洞室等周围岩体会在不同程度上出现卸荷或卸荷破坏现象，由此导致的破坏失稳的现象十分普遍，它通常表现出滑坡、边坡失稳、矿坑变形等等，这些状况往往给人员和设备的安全以及工程按时顺利地进行造成巨大的威胁。

很多深部岩体所处地质环境复杂，而且工程上往往作为深部核废料贮存、收到地热地下水作用等工程状态。因此往往会同时受到卸荷以及较高温度的作用。在应力状态不同时，工程岩体往往会具有不同的破坏特征，而每一种力学理论都有着其使用范围。因此，研究在大理岩在卸荷条件下加温后的围观破坏特征，有着非常重要的理论研究以及工程实践意义。

1 试验方法

1.1 试件制备 试验样品来源于中国科学院武汉岩土所采集的大理岩，钻孔尽量选择在相近地点，以确保减少岩样的个体差异。依据岩石力学试验标准，在实验室加工成标准试件，尺寸为Φ50mm×100mm 的圆柱体。为保证选择的岩样性质均一，使试验结果具有可比性，笔者选择外观无明显裂纹的岩样。

经过国土资源部合肥矿产资源监督检验中心安徽省地质实验研究所进行的矿物成分检测，试件切片如图1 所示。碎屑主要成分为方解石（含量高于99%，），粒径0.2-12mm 及0.5-1mm，呈半自形粒状，以细晶为主，互为镶嵌，紧密分布，菱形解理发育，双晶纹平行菱形解理的长对角线；其余成分主要为一些不透明矿物，粒状，零星分布。

压缩试验均在大型岩石试验系统RMT-150C 上进行。该试验机为中科院武汉岩土所自行研制，可以进行单轴、三轴压缩试验、拉伸试验、剪切试验等，具有操作方便、测量准确的优点。该仪器可完全在计算机的控制下进行试验，只需要在试验之前输入相应的试验参数等就可以试验某一试验路径。试验过程将被计算机全称记录，在试验结束后，操作者就可以读取相应结果。

加热设备为武汉岩土所的电热恒温鼓风干燥箱（加热200℃试件）与岩土所样品加工工厂的高温加热炉（加热800℃试件）。干燥箱的编号为1651，大小为400×400×450mm，温度调节范围为50℃-200℃。

图1 卸荷路径示意图

1.2 卸荷实验方案 在岩石的三轴试验中，可以通过两种路径实现主应力差卸载。卸载方式1：保持σ3恒定，通过降低σ1实现主应力差(σ1-σ3)卸载；卸载方式2：保持σ1恒定，通过增大σ3实现主应力差(σ1-σ3)的卸载[1,2]。

本卸荷试验选用路径1（如图1 所示），施加静水压强的终点确定为略小于相同围压下三轴加载试验破坏点。

1.3 试验步骤 可以确定试验步骤为：

①将需要加温的试件放置在200℃条件下保持3 小时，冷却至室温后预备开展卸荷试验。为分析温度对大理岩的损伤，在试件初始态和每次温度作用并冷却至室温后均进行了波速测试。测得的数据列表保存；

②三轴试验开始前，测量好试件的纵波波速及尺寸。然后将试件套上一层薄的耐油橡胶皮套，装入与试验机相配套的压力室中（事先排光空气），置于试验机的相应位置，安装好轴向位移传感器；

③先将轴压和围压同步加载，保证围压到预定点A（轴向力加载速率0.2kN/s，围压加载速率0.1MPa/s）；

④保证围压不变，增大轴压直至设定的终点B（力加载速率0.5kN/s）；

⑤到达力终点之后，保持轴压不变，以固定速率卸围压直至试件破坏（围压卸载速率0.05MPa/s，卸荷点均位于塑形阶段开始时）。

2 纵波波速试验及结果

目前，超声波测试技术在岩石力学领域得到了广泛地应用。纵波与横波在岩石试件内的传播速度可以在一定程度上反映岩石的矿物成分、孔隙度等物理特性以及泊松比、杨氏模量等参数；超声波速度也是评价材料损伤的指标之一。[3,4]

为分析温度对大理岩的损伤，在试件初始态和每次温度作用并冷却至室温后均进行了波速测试。测得的数据列表保存，代表性试件的结果如表1 所示。

表1 不同温度下波速试验的结果

表2 不同温度下大理岩试件破坏强度与围压

很明显可以看出，温度作用后试件的纵波波速降低。这从一定程度上体现出，200℃温度作用后，岩石的内部缺陷发展，微观结构发生变化。

3 试验结果及分析

3.1 卸荷强度变化规律 通过卸荷试验，得到不同温度下大理岩试件卸荷破坏的力学参数如表2 所示。

通过对比，可以看出相比常温卸荷的试件，可以看出在200℃温度作用下大理岩试件卸荷强度略有增大；随着围压的提高，这一现象更加明显。

3.2 纵波波速与大理岩卸荷强度关系的讨论 根据损伤力学[5,6]原理，采用纵波波速的相对变化来定义损伤因子，则大理岩试件的损伤因子可以定义为：

式中：

D 为损伤因子；

Vt为试件经过温度作用后对应的波速；

V0为初始时刻对应的波速。

则损伤因子对应着就是表1 中的波速降低百分比。

根据表1 和表2 可以看出，试件的卸荷强度与相应的损伤因子有着一定相关性：损伤因子越大，卸荷强度越低，反之亦然。

3.3 温度对大理岩微观卸荷破坏形式的影响 使用合肥工业大学分析测试中心的SEM 电镜（型号JSM6490/LV扫描电镜）观察加温前后的大理岩试件的微观破坏模式的影响。

可以看出，在经历温度作用后，大理岩试件会出现由于水分蒸发产生的气孔，如图2。相对于常温试件，加温后的试件，气孔变得更大，数量更多，从而更加容易被观测到。

图2 气孔微观观测图

同时，也可以观测到，在试件破坏过程中会出现各种形态的微裂纹以及断口。可以总结出，大理岩的微裂纹主要分为缩聚微裂纹、张性微裂纹、压性微裂纹和剪性微裂纹等，如图3 所示。由大量的观测结果可以得出结论，常温作用后试件的剪性、张性微裂纹居多，相比常温试件，200℃温度作用后出现了一定数量的缩聚微裂纹及压性微裂纹。这说明温度作用对大理岩微观破坏模式有着显著的影响，与波速试验的结果相吻合。

图3 200℃温度作用后大理岩微观破裂形式图

4 结论

①用纵波波速比商法定义了温度损伤，可以看出试件的卸荷强度与相应的损伤因子有着一定相关性：损伤因子越大，卸荷强度越低，反之亦然。

②温度作用后，岩石内部微气孔数量变多，大小变大，在电镜下更容易被观察到。

③常温作用后试件的剪性、张性微裂纹居多，相比常温试件，200℃温度作用后出现了一定数量的缩聚微裂纹及压性微裂纹。

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