复杂应力路径下三峡库区砂岩力学特性分析

王兴霞（三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002）

复杂应力路径下三峡库区砂岩力学特性分析

王兴霞
（三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002）

针对三峡库区中砂岩进行了三轴加载试验 ，及不同应力路径的三轴卸荷试验。试验结果表明:与加载破坏相比 ，卸荷破坏岩样表现出较强的脆性。卸荷作用引起了岩样变形模量、内摩擦角、黏聚力等力学参数的劣化，从而导致岩样质量的降低。卸荷路径不同时卸荷阶段应力-应变曲线形态有很大区别。按照轴压、围压等速率减小的路径卸载，卸荷阶段应力-应变曲线呈下凹形态且出现回弹变形，回弹变形占卸荷段总变形的比例随初始围压值的增大而减小。

卸荷；回弹变形；卸荷变形模量；卸荷抗剪强度参数

水利水电工程建设与岩体开挖紧密相连，开挖面附近岩体往往处于卸荷力学状态［1-2］，且卸荷条件下岩体的力学性质与加载状态下不同。以三峡永久船闸边坡为例，距离开挖面约20 m范围内的岩体受到开挖卸荷作用的影响，该区域岩体性状有不同程度的弱化［3］。卸荷作用对岩体力学性质的影响越来越受到人们的重视。文献［4-8］基于室内三轴加、卸荷试验研究了卸荷条件下岩样的力学特性，但是，卸荷试验方案都采用的是升轴压、卸围压试验或恒轴压、卸围压试验，而鲜有采用同时降低轴压与围压这种卸荷路径的。文献［9-12］均认为卸荷作用将引起岩样变形模量的劣化，并对卸荷过程中岩样变形模量的劣化规律进行了定性分析。但是，针对“卸荷过程中岩样的变形模量如何劣化”这一问题的试验研究结论并不一致。文献［13-14］定量分析了卸荷作用对岩样变形模量的劣化影响，也认为卸荷作用造成了岩体变形模量的降低 ，但是在降低量的具体数值上存在较大区别。综上所述，尽管卸荷岩体力学性质方面的研究成果越来越多，但是，由于岩体的不可见性及卸荷问题的复杂性，尚有很多问题有待进一步研究。

三峡库区很多边坡的基岩为砂岩［15］，本文应用RM-150C型岩石力学刚性伺服试验机［16］，针对该地区砂岩开展室内三轴试验，在三轴加载试验的基础上开展升轴压、卸围压、同时等量减小轴压和围压两种卸荷试验，分析比较不同应力路径下砂岩变形特征、岩体变形参数劣化规律等力学性质。

1 试样制备及试验方案

试验所用岩块取自三峡库区，由国土资源部武汉资源环境监督检测中心鉴定后确定该砂岩准确名称为叶腊石化含岩屑中粒石英砂岩。按照试验规范制成直径50 mm，高度100 mm的标准试样，满足试验要求。

试验方案包括:方案1常规加载试验可得岩样加载破坏的应力-应变曲线及基本力学参数，为卸荷试验打下基础。方案2卸荷试验包括两种卸荷方式:a方案最大主应力增大，最小主应力卸荷；b方案最大和最小主应力同时等速率卸荷，即保持主应力差不变。

试验中轴压、围压分别对应最大、最小主应力。加卸荷试验的初始围压值为5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa，卸荷试验过程中轴压与围压的关系示意图如图1所示。OA段表示等速率同步施加轴压、围压至前述预定值；AB段表示保持围压不变，继续施加轴压至某一应力水平，此时轴压为加载破坏抗压强度的70%左右；将OA段与AB段合称为加载阶段。BC段为卸荷阶段 ，卸荷方式包括前述两种方式，其中a方案由于采用位移控制方式，因此最大、最小主应力之间为非线性关系 ，且该阶段最大主应力出现峰值；b方案采用应力控制方式，因此最大、最小主应力之间为线性关系；CD阶段测试岩样的残余强度。

图1 卸荷试验主应力关系示意图

2 试验结果及分析

2.1 岩样加卸荷试验变形特征分析

图2～图4为中砂岩岩样三轴加、卸荷试验得到的应力-应变曲线，卸荷试验应力应变曲线用小圆点标出了BC段的起始位置。

图2 三轴压缩试验应力-应变曲线

图3 a方案卸荷试验应力-应变曲线

图4 b方案卸荷试验应力-应变曲线

比较图2、图3可知，当卸荷路径不同时，岩样应力-应变曲线在卸荷阶段的形态有很大的不同。按照a方案卸荷时，卸荷阶段曲线呈上凸形态，而按照b方案卸荷时，曲线则呈下凹形态，且有回弹变形产生，将该阶段的应力-应变曲线放大如图5～图8所示，计算回弹变形占该阶段总变形的比例 ，当初始围压分别为5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa时，比例分别为:63.37%、6.51%、2.55%、0.69%，可见随着初始围压值的增大 ，回弹变形占卸荷段总变形量的比例迅速降低；当初始围压值较大时，该比例很小，回弹变形可忽略。

表1统计了加、卸荷试验得到的部分应力、应变值。表中σ03指初始围压值；σp1指轴压的峰值；σr1指岩样的残余强度；εr1指岩样的残余应变。

图5 b方案卸荷段应力-应变曲线

图6 b方案卸荷段应力-应变曲线

图7 b方案卸荷段应力-应变曲线

图8 b方案卸荷段应力-应变曲线

比较表1中的数据可知 ，与加载破坏相比，卸荷破坏时岩样的残余强度值较低，残余应变值较小，说明卸荷破坏条件下岩样表现出较强的脆性，且按照b方案进行卸荷较a方案岩样的脆性更强。

表1 加卸荷试验部分应力、应变值统计结果

2.2 加卸荷破坏岩样力学参数分析

表2统计了岩样加卸荷破坏条件下的力学参数，包括变形模量、内摩擦角、黏聚力。表中 E表示岩样加载破坏的变形模量；Er，φr，cr分别表示岩样发生卸荷破坏后的变形模量、残余内摩擦角、残余黏聚力。

表2加卸荷试验岩样力学参数统计结果

当岩样发生卸荷破坏时，岩样变形模量急剧降低，由表2可知，按照b方案路径卸荷，岩样卸荷破坏的变形模量为三轴压缩破坏变形模量的14%～24%；按照a方案路径卸荷，该比例为16%～27%，说明卸荷破坏导致岩样变形模量劣化，降低了岩样质量，同时降低轴压和围压的情况下岩样变形模量劣化更严重。

卸荷作用也使岩样的内摩擦角、黏聚力发生了劣化。按照b方案路径卸荷，与加载破坏相比，当初始围压值分别为5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa时，岩样残余内摩擦角分别增大了8.42%、13.49%、16.65%、20.63%，而岩样残余黏聚力分别减小了24.59%、46.56%、34.97%、24.15%，比较这些数据发现卸荷作用对黏聚力的影响比对内摩擦角的影响大，或者说，岩样黏聚力对卸荷作用更敏感。按照a方案路径卸荷，分析数据可以得到相似的结论。卸荷作用对岩样抗剪强度参数的劣化规律与文献［17］中卸荷试验得到的规律一致 ，但是，岩样卸荷抗剪强度参数增大或减小的具体数值不同。

3 结 论

（1）与加载破坏相比，卸荷破坏岩样表现出较强的脆性。

（2）卸荷作用引起了岩样力学参数的变化，岩样发生卸荷破坏后变形模量为加载破坏变形模量的14%～27%，岩样残余内摩擦角较加载破坏有不同程度的增大，而残余黏聚力有不同程度的减小。岩样力学参数的劣化反映了岩样质量的降低，因此在实际工程中应注意对卸荷岩体的保护。

（3）当采用同时等量降低轴压和围压的方式卸荷时，卸荷阶段应力-应变曲线产生回弹变形，由于回弹变形占卸荷段总变形量的比例随初始围压值的增大而急剧减小，因此当初始围压值较大时 ，可忽略回弹变形。

［1］ 李建林，王乐华.边坡工程［M］.重庆:重庆大学出版社，2013.

［2］ 张华栋.卸荷岩体力学特性及在边坡工程中的应用［J］.公路与汽运，2012，（4）:182-185.

［3］ 周火明，盛 谦，李维树 ，等.三峡船闸边坡卸荷扰动区范围及岩体力学性质弱化程度研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（7）:1078-1081.

［4］ 王在泉，张黎明，孙 辉，等.不同卸荷速度条件下灰岩力学特性的试验研究［J］.岩土力学，2011，32（4）:1045-1050，1277.

［5］ 韩铁林，陈蕴生，宋勇军，等.不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，31 （S2）:3959-3966.

［6］ 李林峰.加载和卸围岩条件下岩石力学特性的对比研究［J］.地下空间与工程学报，2013，9（1）:55-60.

［7］ 张成良，杨旭祥，余贤斌，等.加卸荷条件下辉绿岩岩体力学参数特性研究［J］.地下空间与工程学报，2012，8 （2）:280-285.

［8］ 李建林，王乐华，孙旭曙.节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（5）: 892-900.

［9］ 尹光志，李文璞，李铭辉，等.不同加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（5）:891-901.

［10］ 赵二平，李建林，王瑞红，等.不同应力路径下膨胀岩力学特性试验研究［J］.人民长江，2014，45（3）:83-86.

［11］ 胡 政，刘佑荣，武 尚，等.高地应力区砂岩在卸荷条件下的变形参数劣化试验研究［J］.岩土力学 ，2014，35（Supp.1）:78-84.

［12］ 田利勇，朱珍德，朱 姝，等.粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究［J］.长江科学院院报，2013，30（4）:44-47.

［13］ 隋智力，乔 兰，李 远，等.复杂岩质边坡的岩体力学参数变化规律研究［J］.黄金，2010，31（12）:24-27.

［14］ 黄润秋，黄 达.卸荷条件下花岗岩力学特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（11）:2206-2213.

［15］ 邓华锋.库水变幅带水岩作用机理和作用效应研究［D］.武汉:武汉大学，2010.

［16］ 牛学超，张庆喜 ，岳中文.岩石三轴试验机的现状及发展趋势［J］.岩土力学，2013，34（2）:600-607.

［17］ 胡卸文，伊小娟，王帅雁，等.不同三轴应力途径下红砂岩力学特性试验研究［J］.水文地质工程地质 ，2009，36（4）:57-61.

Analysis of Mechanical Properties of Sandstone in Three Gorges Reservoir Area Under Complex Stress Paths

WANG Xing-xia

（College of Hydraulic&Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002，China）

Triaxial compression tests and unloading confining tests were conducted with the medium sandstone of Three Gorges Reservoir as test rock samples.The results indicate that the sandstone sample undergone unloading failure is more brittle than that from the loading failure.Unloading failure leads to the deterioration of rock sample mechanical parameters，namely deformation modulus，internal friction angle，and cohesion，which means lower quality of the rock sample. Shapes of unloading stress-strain curves are very different due to different unloading paths.When the maximum and minimum stresses decrease simultaneously，curves of unloading stage concave downward，and springback deformations occur. In addition，springback deformations decrease with the increase of initial confining pressure.

unloading；springback deformation；unloading deformation modulus；unloading parameters of shear strength

TV541

A

1672—1144（2015）02—0099—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.021

2015-01-06

2015-03-17

国家自然科学基金项目（51279091）；宜昌市自然基础科学研究与应用专项项目（A14-302-a01）；三峡大学青年科学基金项目（KJ2012B027）

王兴霞（1980—），女，湖北十堰人，博士 ，讲师 ，主要从事工程力学及边坡稳定性分析方面的科研与教学工作。

E-mail:wangxingxia1980@126.com