不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083)

隧道、边坡、矿山等施工导致围岩应力状态发生变化，多表现为沿开挖工作面的应力降低，在此过程中，岩石表现出的力学性质直接影响工程的安全。传统研究方法多基于加载岩石力学理论，未充分考虑开挖卸荷对岩体工程的影响，得到的结果与工程实际结果存在差异[1-2]，故研究岩石卸荷力学特性十分重要。国内外学者通过室内卸荷试验对岩石卸荷特性进行了大量研究，获得了很多成果，如：汪斌等[3]对大理岩进行了单轴循环加卸载、峰前卸围压、峰后卸围压3 种卸载试验，发现峰前与峰后卸载条件下大理岩破坏模式存在明显差异，峰前卸围压路径下大理岩强度对围压更敏感；刘建等[4]通过不同围压下砂岩峰前恒轴压卸围压试验，发现较加载而言，卸载破坏时岩石扩容表现更明显，卸荷路径下砂岩更容易被破坏，剪胀角自卸载点开始快速增大到极值；ZHOU 等[5-6]基于理论分析及数值模拟发现深部圆形隧道裂隙带和非裂隙带的位置、数量及大小与深部岩体的卸荷速率和力学参数有显著关系；ZHAO 等[7-8]研究了卸载速率对岩爆破坏特性的影响；ZHANG 等[9]利用结晶砂岩进行不同速率下的卸载试验，发现试件应力圆随着卸荷速率的增大而右移，极限强度、峰值应变及残余强度也随之增大；DUAN等[10]基于室内试验及模拟试验研究了不同卸荷速率下花岗岩卸荷破坏模式及应变急变；李宏哲等[11]基于大理岩加载、卸载试验，建立了大理岩加载、卸载本构模型；赵国彦等[12]发现幂函数型摩尔强度准则可以很好地拟合不同应力路径下岩石卸荷力学强度；许江等[13]通过加轴压卸围压试验研究了煤岩变形和渗透特征的演化规律；沙鹏等[14]通过SEM 电镜扫描发现大理岩卸载破坏表现为张性萌生—剪切交汇—贯通破坏的渐进过程。但由于受试验条件限制，试验多采用常规三轴加载方式，其受力状态与自然界中岩石三向受力状态存在差异，故常规三轴试验无法有效地模拟岩石开挖过程的真实受力情况。本文基于真三轴加载、卸载试验与PFC3D数值模拟试验，研究不同应力路径下砂岩加载、卸载力学特性、破坏模式、强度参数及裂纹演化规律等，对岩土工程的开挖具有一定的理论意义和实用价值。

1 室内试验

室内试验在中南大学TRW-3000岩石真三轴伺服试验机上完成，试件是边长为100 mm的标准立方体砂岩试样。将试件表面仔细打磨，使其不平行度和不垂直度均满足DL/T 5368—2007水利水电工程岩石试验规程要求。

室内试验分为真三轴加载试验(方案1)和真三轴卸载试验(方案2)2 部分，初始应力见表1。其中，σ10，σ20，σ30分别为第一、二、三初始应力。方案1：以0.05 MPa·s-1的速率同时加载三向应力至初始应力，而后保持最小主应力σ3及中间主应力σ2不变，继续加载最大主应力σ1直至试件破坏。方案2：参照方案1 进行，各向应力加载至预定值后继续加载最大主应力σ1至卸载点应力(取同组加载试验所获最大主应力σ1max的90%)保持稳定，以0.05 MPa·s-1的速率卸载最小主应力σ3至试件破坏。这2种方案的应力路径如图1所示。

表1 真三轴试验初始应力Table 1 Initial stress of true triaxial test

图1 加载和卸载应力路径Fig.1 Loading and unloading stress paths

2 试验结果分析

2.1 应力-应变曲线

图2所示为σ30=5 MPa 时不同中间主应力下砂岩真三轴加载、卸载试验应力-应变曲线。由图2可知在不同应力路径下，砂岩应力-应变曲线变化趋势基本相同：试件经过短暂的微裂隙压密后，进入弹性变形阶段，此时，(σ1-σ3)与ε1之间的关系曲线近似为直线；当应力达到弹性极限后，试件塑性变形增大，(σ1-σ3)与ε1之间的关系曲线变缓直至最终破坏；与加载相比，卸载条件下试件变形更加迅速，其中最大主应变ε1与最小主应变ε3表现最明显，同时，卸载末期岩石多发生突发性脆性破坏，伴有破碎岩块剥落，卸载破坏峰值强度较加载时也存在一定程度降低，说明卸载时岩石强度降低，更易破坏。中间主应力对应力-应变曲线的影响主要表现为：随着中间主应力σ2增大，(σ1-σ3)与ε1之间的关系曲线中的直线段斜率增大，试件弹性增强，弹性极限升高，破坏时峰值强度也相应增大；同时，中间主应力σ2抑制了中间主应变ε2发展，随着σ2增大，中间主应变ε2明显变小。此现象在真三轴卸载试验中表现得更明显。

2.2 破坏强度

2.2.1 应力差与中间主应力的关系

岩石破坏时最大、最小主应力差(σ1-σ3)随中间主应力σ2变化情况如图3所示。由图3可知：不同应力路径下岩石破坏时最大、最小主应力差(σ1-σ3)均随着中间主应力σ2增大而增大，可以采用线性拟合，各拟合系数R2均在0.9 以上，拟合结果良好；在σ30相同时，卸载拟合曲线位于加载拟合曲线下方，即卸载破坏时最大、最小主应力差(σ1-σ3)较加载时降低；σ30越大，加载破坏与卸载破坏时最大、最小主应力差(σ1-σ3)的差值越大。

图2 不同应力路径下砂岩应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of sandstone under different stress paths

图3 (σ1-σ3)与σ2拟合曲线Fig.3 Fitting curves of(σ1-σ3)and σ2

2.2.2 Drucker-Prager系列准则

Drucker-Prager 准则(简称D-P 准则)[15]考虑了中间主应力和静水压力对岩石强度的影响，克服了Mohr-Coulomb 准则(简称M-C 准则)的主要缺点，公式简单，计算方便，广泛地应用于岩土力学与工程的分析计算。D-P系列准则可表示为

式中：I1=σ1+σ2+σ3，为应力第1 不变量；J2=为应力偏量第2 不变量；α和k为仅与岩石特性有关的试验常数，本文采用M-C 屈服准则外角点外接圆的D- P准则[16-20]，参数

将真三轴加载试验与真三轴卸载试验所得结果基于D-P准则进行数值拟合，拟合曲线如图4所示。由图4可以看出：不同应力路径下试验结果与D-P 准则拟合结果吻合良好，拟合系数R2均达到了0.97。岩石加、卸载条件下的黏聚力c和内摩擦角φ如表2所示。由表2可知这2 种应力路径下岩石力学参数存在差异：与加载相比，真三轴卸载试验中岩石的黏聚力c降低5.6%，内摩擦角φ降低4.1%，其原因为在真三轴卸载试验中，前期应力加载过程中试件内部微裂纹萌生、发展，产生微小塑性变形，导致试件存在一定的损伤破坏，此时，试件黏聚力c与初始试件相比存在一定的弱化，同时，在卸载过程中，随着σ3降低，试件卸载方向所受约束减小，垂直于卸荷方向的裂纹更易扩张，岩石内部颗粒间摩擦减弱，导致内摩擦角φ也发生了相应弱化，故与加载相比，真三轴卸载条件下试件黏聚力c、内摩擦角φ均有一定程度降低。

图4 Drucker-Prager拟合曲线Fig.4 Drucker-Prager fitting curves

表2 Drucker-Prager准则拟合参数Table 2 Drucker-Prager criterion fitting parameters

3 PFC3D数值模拟

3.1 PFC3D建模与细观参数

PFC3D程序中模型由一系列球体颗粒组成，通过对颗粒本身及颗粒间接触赋值相关属性来匹配岩石的宏观特性，程序中的平行黏结模型既可以传递法向力与切向力，又能传递弯矩，广泛用于岩土工程数值分析[20-24]。本文以室内试验所用试件实际尺寸为依据建立1个由51 316个颗粒组成的边长为100 mm的立方体模型，如图5所示。

图5 数值模型Fig.5 Numerical model

3.2 细观参数标定与验证

基于“试错法”获取一组匹配砂岩力学特性的细观参数(见表3)，而后将室内真三轴加载试验结果与模拟结果进行对比，进一步验证细观参数的可靠性，见表4。由表4可知：PFC3D模拟试验峰值应力、各向应变与室内试验结果基本吻合；除个别ε2外，其他参数相对误差均小于10%，即采用此组细观参数的模型与试样的宏观力学参数基本匹配，满足数值模拟试验要求。该组细观参数可以用于模拟室内试验所用砂岩的力学特性，在此基础上进行PFC3D数值对比试验，模拟试验加载、卸载步骤参照室内试验方案执行。

3.3 模拟结果分析

本文模拟计算的应力路径及相关力学参数均与室内试验的匹配。

表3 PFC3D细观参数Table 3 Mesoscopic parameters of PFC3D

表4 加载条件下模拟试验和室内试验峰值应力、应变对比Table 4 Comparison of peak stress and strain between simulated and laboratory tests under loading conditions

3.3.1 室内试验与模拟试验对比

图6所示为σ30=5 MPa，σ20=11 MPa，σ10=20 MPa 时室内试验与模拟试验的应力-应变曲线。由图6可知：不同应力路径下模拟试验曲线与室内试验曲线基本吻合，但模拟试验中(σ1-σ3)与ε1之间的关系曲线前期近似呈线性上升，无明显的压密阶段。其原因是数值模型生成过程中内部颗粒分布较均匀，无明显缺陷，而室内试验所用试样内部原生微裂隙导致(σ1-σ3)与ε1之间的关系曲线存在明显压密阶段；同时，模拟试验采用同一个数值模型，不存在离散性，而室内试验各试件存在细微差异，导致相同应力路径下应力-应变曲线不完全重合。

图6 室内试验与模拟试验应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of laboratory test and simulation test

图7所示为σ30=5 MPa，σ20=11 MPa，σ10=20 MPa 时室内与模拟卸载试验破坏模式。由图7可知：在室内卸载试验中，试件发生拉伸-剪切复合破坏，破坏面主要为2条宏观贯通破坏面，破坏面存在大量剪切摩擦留下的岩石粉末以及少数劈裂破坏产生的片状小岩块；而模拟卸载试验中，模型由2条主裂纹带和一系列次生裂纹带共同作用引发破坏，但次生裂纹带发育不丰富，只有模型个别棱角处裂纹数量较多，破坏主要由2条主裂纹带主导，主裂纹带中剪切裂纹数量约占70%，以剪切破坏为主，这与室内卸载试验破坏模式也相互吻合。

图7 室内试验与模拟试验破坏模式Fig.7 Failure modes of laboratory test and simulation test

3.3.2 裂纹演化

图8所示为σ30=5 MPa，σ10=20 MPa时不同中间主应力PFC3D模拟试验裂纹演化图。由图8(a)和图8(b)可知：在不同应力路径下，剪切裂纹数与拉伸裂纹数均随ε1增大而增大，且中间主应力σ2越大，破坏前相同应变ε1下各类裂纹数量越低。其原因是随着σ2增大，模型弹性增强，相同应变ε1下塑性变形所占比例降低。由图8(c)和图8(d)可知：在不同应力路径下，裂纹演化以剪切裂纹为主，剪切裂纹占比(剪切裂纹数占总裂纹数比例)均在70%以上，剪切裂纹占比曲线随ε1变化总体趋势呈“И”型；裂纹萌生阶段以剪切裂纹为主，随着ε1增大，试样拉伸裂纹增多，剪切裂纹占比降低，继续加载，裂纹扩展加快，新生成裂纹中剪切裂纹居多，剪切裂纹占比增大；加载后期，试样发生明显塑性变形，剪切裂纹、拉伸裂纹均随ε1快速发展，此时，剪切裂纹占比快速降低直至最终破坏，同时，卸载破坏时模型剪切裂纹占比随σ2增大而减小，拉伸裂纹占总裂纹比例上升。由图8(e)可知：加载与卸载条件下裂纹演化存在差异；与加载相比，卸载时剪切裂纹数与拉伸裂纹数增速明显加快，2种应力路径下模型破坏前裂纹数量的差值持续增大。其原因是模型卸载方向约束变弱，裂纹更容易萌生、扩展；同时，剪切裂纹占比曲线自卸载点开始快速下降，曲线由加载的“上凸”型转变为卸载“下凹”型，说明卸载时新生成裂纹中拉伸裂纹数量明显增多，所占比例增大，拉伸破坏增多。

图8 PFC3D模拟试验裂纹演化Fig.8 Crack evolution in PFC3D simulation test

4 结论

1)卸载条件下岩石变形更迅速，卸载末期岩石多发生突发性脆性破坏；在不同应力路径下，砂岩破坏时最大、最小主应力差(σ1-σ3)与中间主应力σ2均呈线性相关；其破坏强度采用D-P 准则拟合效果良好，与加载相比，卸载条件下岩石黏聚力c和内摩擦角φ均有所降低。

2)不同应力路径下剪切裂纹数以及拉伸裂纹数均随ε1增大而增大，剪切裂纹比例曲线随ε1呈“И”型趋势变化；与加载相比，卸载时各类裂纹数量迅速增加，剪切裂纹占比快速降低，卸载时的裂纹中拉伸裂纹数量增多，占比增大。

3)室内试验结果与数值模拟结果所示的力学特性、破坏模式、裂纹演化规律均较吻合；本文构建的数值模型、匹配的细观参数以及相关程序语言只需进行相应调整即可用于相关理论研究和工程应用，具有较强的实用性。