渗透水压力作用下灰岩单轴疲劳特性试验研究

龚晓理

（中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司 黑龙江哈尔滨 150008）

1 引言

地下工程施工蕴含着复杂的动力学问题，岩体开挖过程中初始应力场的动态卸载是引起岩体松动的重要因素之一，进而诱发隧道和地下工程施工中的突泥、涌水灾害［1］。同时，研究渗透水压力下岩石的疲劳损伤破坏机制对于评价富水环境下岩体的长期稳定性具有重要的意义。

众多学者围绕不同循环荷载水平［2-4］、频率［5］、循环次数下岩石的疲劳力学参数［6］和循环疲劳寿命［7］的变化规律进行了大量研究。肖建清等［8］通过分析多种岩石在循环荷载作用下的Felicity效应，研究了岩石的疲劳损伤演化规律。上述研究成果为探究岩石疲劳破坏特性提供了基础，但并未考虑渗透水压力对疲劳特性的影响。由于试验条件的限制，关于渗透水压力和循环荷载共同作用下岩石疲劳破坏过程的研究相对不足。

另外，李浩然［9］、李晓泉［10］等人针对不同循环加载条件和温度条件下煤的渗透特性变化进行了研究，试验表明随着循环次数和循环应力的增加煤样逐渐降低；在相同循环次数下，煤样的渗透率随温度升高而减小。周志华等［11］通过开展渗透水压力下预制裂缝混凝土的单轴循环加卸载试验发现，在循环荷载上限为70%单轴抗压强度条件下加载20周次，与无渗透水压力相比，1.50 MPa渗透水压力下试件的单轴疲劳强度约降低30%，不可逆变形量约增加了1.20倍。以上研究主要围绕渗透水压力与动荷载耦合作用的研究，并且主要集中于循环加卸载过程中岩石渗透特性变化，而针对渗透水压力与循环荷载共同作用下岩石疲劳破坏演化过程的研究成果较少。

为探究周期性荷载与渗透水压力共同作用下灰岩的疲劳破坏特点，对不同渗透水压条件下的灰岩试件进行单轴疲劳试验，基于试验结果探究了渗透水压力对灰岩疲劳特性的影响规律。

2 试验概况

2.1 试件制备

灰岩取自贵阳地铁1号线的下麦西隧道，通过钻孔、切割、打磨成直径50 mm高度100 mm的柱形岩样，岩样双端面不平行度小于2%。试验前对试样进行密度与波速检测，尽可能降低试件离散性。部分灰岩试样，如图1所示。

图1 部分灰岩试样

2.2 试验设备

试验在西安力创仪器设备有限公司生产的2 000 kN型微机控制电液伺服机上进行。该系统能提供应力控制、变形控制及多种循环荷载加载方式，最高荷载频率为3 Hz，最大的试验力为600 kN。

通过增加高压水装置，试验系统可以进行渗透-应力耦合试验，最大渗透水压力35 MPa，最大渗流量30 mL/min，最小渗流量1.75 mL/min，渗透水压力的分辨率0.025 PSI。试验过程中，同时对灰岩试样进行声发射信号实时采集。通过渗透水压力系统与岩石动三轴试验机的协同作业，可实现开放性环境下的岩石渗流-流变耦合试验。

2.3 岩样烘干和饱水

将灰岩岩样在108℃的恒温下烘24 h，将其从烘箱中取出放入干燥器内冷却至室温，称试件质量；继而重复上述步骤，直到相邻两次称量的质量之差不超过后一次称量的0.10%（认为此时的饱水度为0）。参考以往类似饱水经验后，对干燥岩样采用自由法饱水，在此期间内不定时对其饱水度和波速进行测试，为减小水-岩样骨架的软化作用，对其采取真空饱水。重复以上试验步骤并得到试验结果。

2.4 试验方案

灰岩疲劳试验考虑了 0、2、4、6、8、10 MPa 渗透水压的试验方案，见表1。试验过程中，首先按照1 MPa/s的加载速率施加轴向应力至上、下限应力的平均值（初始荷载，见表1），然后进行单轴疲劳试验。循环荷载的加载波形为三角波，荷载循环频率为1 Hz。循环荷载幅值为20 MPa，各试样荷载循环次数均设定为300次，岩石若经过300次加载循环后未发生破坏，则继续以1 MPa/s的增压速度继续加载至整体破坏。

表1 单轴疲劳试验方案

3 疲劳试验结果与分析

3.1 灰岩破裂形态特征

图2为恒定上、下限循环加卸载试验的应力路径，按照该加载路径对灰岩试样B1～B18分别进行加卸载试验，灰岩试样的破坏形态，如图3所示。为对比分析灰岩的破坏特征，在每组试验中增加了试样C1～C6等6个试样作为单轴压缩试验的对比试验。

图2 恒定上下限循环加卸载应力路径

图3 灰岩试样破坏形态

通过循环加卸载试验发现，除B2灰岩试样呈鼓状破坏外，其余试样的破坏形式均以劈裂破坏为主。18个岩样中B1、B5和B13岩样在300次的加卸载循环后未出现整体破坏。其他岩样均不到300次循环荷载整体发生劈裂破坏，循环荷载次数为250～300次，其破坏形式同对比试验结果基本一致，但循环荷载条件下的破裂块度较小。这表明循环加卸载作用加剧了灰岩试样的破裂程度，且破裂程度与渗透水压力呈正相关。

3.2 灰岩变形特征

由于试验数据较多，仅统计了循环加卸载不同渗透水压力下典型灰岩（B3、B6、B8、B11、B14 和B18试样）的不可逆变形累积曲线，如图4所示。基于试验数据分析，随着渗透水压力提高，灰岩在循环加载过程中产生的疲劳变形量出现小幅度增加，其中B6、B8、B11、B14和 B18试样破坏时的变形量分别为 2.20 ×10-3、2.29 ×10-3、2.46 ×10-3、2.54×10-3和2.80×10-3，相比B3分别增加了2.30%、6.50%、14.40%、18.10%和30.20%。另外，由图4中的变形累积曲线可知，不同渗透水压力下灰岩疲劳破坏演化过程可分为三个阶段，即初始疲劳变形阶段、稳定变形阶段和加速疲劳变形阶段。

图4 不同渗透水压力下灰岩不可逆变形累积曲线

在初始疲劳阶段，灰岩的不可逆变形快速累积，但随荷载循环次数增加变形的增长速度逐渐降低，经过一定次数的循环后变形速率近似达到某一常数，疲劳变形进入稳定阶段。在稳定变形阶段，灰岩的不可逆变形基本呈线性增长，且增长速率比较缓慢，循环次数约占总循环次数的40% ～73%。随后，灰岩进入加速疲劳阶段，该阶段灰岩的不可逆变形速率逐渐增大，直至破坏。

为详细分析不同渗透水压力对灰岩累积变形三阶段的影响规律，图5～图7分别给出了初始疲劳阶段灰岩不可逆变形累积曲线，稳定阶段灰岩不可逆变形累积曲线，以及加速疲劳阶段灰岩不可逆变形累积曲线，图中a、b、c、d为与拟合相关的参数，N为循环次数，εt表示变形累积值。灰岩试样的三个阶段的累积变形规律分析如下：

（1）初始疲劳变形阶段（见图5）：随着渗透水压力增大，灰岩不可逆变形的增长速率明显提高，变形增长速率随循环次数的衰减速度明显加快；灰岩初始阶段的持续周期明显降低，岩样更快地进入稳定疲劳阶段，该阶段时累积不可逆变形量明显增加。相比无渗透水压力状态，10 MPa渗透水压力下初始疲劳阶段的不可逆变形平均增长速率由8.95×10-6/周提高至1.22×10-4/周，初始阶段持续周期由37周降低至11周，该阶段的累积不可逆变形量由3.70×10-4增加至1.34×10-3。

图5 初始疲劳阶段灰岩不可逆变形累积曲线

（2）加速变形破坏阶段（见图6）：随着渗透水压力增大，灰岩的破坏演化过程逐渐由突发式向缓变式过度，其应变增长率不断降低。同时，加速破坏阶段与稳定发育阶段的分界点逐渐消失。相比无渗透水压力状态，10 MPa渗透水压力下破坏阶段不可逆变形的平均增长速率由8.06×10-5/周降低至1.4×10-5/周，岩样加速疲劳阶段的循环周期由16周提高至61周。

图6 稳定阶段灰岩不可逆变形累积曲线

（3）稳定变形阶段（见图7）：随着渗透水压力增大，灰岩不可逆变形的增长速率出现小幅度提高，试样进入破坏阶段的循环周期逐渐降低。相比无渗透水压力，10 MPa渗透水压力下灰岩在稳定发育阶段不可逆变形的平均增长速率由1.81×10-6/周提高至2.95×10-6/周，进入破坏阶段的循环周期由243周降低至207周。

图7 加速疲劳阶段的不可逆变形累积曲线

4 疲劳破坏演化规律分析

岩石循环加载过程中不可逆变形量的不断增加实际上是岩石产生的疲劳破坏积累的宏观表现。不同渗透水压力影响下的岩石疲劳破坏累积机理可通过岩石损伤程度来解释，如图8所示。由图8可知，渗透水压力下岩石的疲劳破坏的积累过程同样表现出了三段式变化规律。

图8 不同渗透水压力下疲劳破坏累积曲线

疲劳破坏的第Ⅰ阶段：灰岩内部结构的疲劳破坏迅速积累，随着渗透水压力的提高，疲劳破坏发育速度不断加快，导致岩样内部结构更早地达到新的平衡状态。疲劳破坏进入第Ⅱ阶段前，灰岩内部的疲劳破坏程度较为显著。进入第Ⅱ阶段后，由于渗透水压力增加了单次循环产生的不可逆变形量，减少了岩样进入第Ⅲ阶段所需的循环次数。根据试验结果可以推断，当渗透水压力提高到某一水平时，疲劳破坏的第Ⅱ阶段将会消失，岩样直接由第Ⅰ阶段进入第Ⅲ阶段。当岩样疲劳进入第Ⅲ阶段后，由于渗透水压力促进了灰岩残余裂缝的扩展，同时降低了岩样储存弹性变形能的能力，导致岩样不易发生整体式脆性破坏，其疲劳破坏累积过程更加平缓，发生整体破坏所需的循环次数增加。

从细观角度而言，渗透水压力对岩样疲劳破坏演化规律的影响，实际上是对岩样内部微裂缝萌生、扩展与汇聚贯通过程的影响。在岩石疲劳破坏初期，渗透水压力增加了岩石在一次循环加卸载过程中产生的不可逆变形，从而加快微裂缝萌生、扩展直至达到稳定阶段。在岩样疲劳破坏稳定发育阶段，渗透水压力会降低岩石材料的力学性能，致使岩样在加卸载过程中能够储备的变形能比例减少，而表面能耗散相应提高，从而加快这一阶段内微裂缝的扩展速度。同时，由于渗透水压力提高了微裂缝的发育程度，进而促进岩石内部残余裂缝的生成和发育，导致岩石发生整体破坏前大量内部微裂缝先形成局部裂缝连接贯通，从而使得岩石最终加速破坏过程变得更为平缓。

5 结论

通过开展不同渗透水压力下灰岩的单轴循环加卸载试验，探究渗透水压力对灰岩疲劳力学特性和疲劳破坏演化过程的影响，得到以下结论：

（1）在单轴疲劳试验中，渗透水压力对灰岩疲劳破坏演化过程各阶段均有不同程度的影响。

（2）随着渗透水压力增大，在初始疲劳阶段中灰岩不可逆变形的增长速率明显提高，同时变形增长速率随循环次数的衰减速度明显加快，灰岩初始疲劳阶段的持续周期明显降低；相比无渗透水压力状态，10 MPa渗透水压力下灰岩初始疲劳阶段不可逆变形平均增长速率由8.95×10-6/周提高至1.22×10-4/周，阶段持续周期由37周降低至11周。

（3）在稳定疲劳阶段中，灰岩不可逆变形的积累速率出现小幅度提高，试件进入加速疲劳阶段的循环周期降低；在加速疲劳阶段中，灰岩的破坏演化过程逐渐由突发式增长向稳定式增长过渡，加速破坏阶段与稳定疲劳阶段的分界点逐渐消失。