三轴多级循环加载下不同类型岩石的应力应变响应特性研究

2022-07-13徐鸿彪刘汉香别鹏飞

有色金属（矿山部分） 2022年2期

徐鸿彪，刘汉香，别鹏飞

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041；2.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059；3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

岩体在地震动荷载作用下的疲劳损伤和破坏往往是地震诱发深层岩质滑坡和震裂斜坡在震后强降雨等影响下出现滑坡、泥石流等灾害的主要原因之一。近些年来，随着国家西部大开发战略的深入和“一带一路”建设的陆续推进，将有更多大型工程(如川藏铁路)穿越地质构造活跃、地质结构复杂、地震烈度高和地质灾害频发的地区，地震作用下复杂斜坡的动力稳定性问题也将日益突出[1]。为了更好地理解地震滑坡的触发机制，研究其组成材料岩石在动荷载作用下的力学特性至关重要。

室内循环加卸载试验是目前开展岩石动力学特性研究的主要手段。许多学者对循环加卸载过程中岩体的力学特性进行了研究和总结[2-7]。LI等[8]通过一系列试验研究了在加卸载条件下岩体的应力应变关系，探讨了尺寸效应对岩石弹性模量和泊松比等参数的影响。汪泓等[9]通过对砂岩试件进行单轴循环加卸载试验，得出两种不同应力路径下砂岩的弹性模量均呈增大趋势。苏承东等[10]对不同晶粒的大理岩进行了单轴压缩循环加卸载试验，结果表明循环加卸载条件下的应力—应变曲线包络线与单调加载条件下相一致。李晓彤等[11]对自然和饱水状态下的石膏进行单轴压缩下循环加卸载实验，探讨了石膏内部裂纹压密及扩展与滞回环面积的关系。李浩等[12]开展了在不同围压和不同偏应力条件下致密砂岩的循环加卸载试验，分析了加卸载阶段的岩石应力—应变曲线及滞回环演化规律。姚吉康等[13]通过对花岗岩开展单轴和三轴循环加卸载试验，研究了不同围压下的应力-应变曲线特征和岩样的破坏模式。朱明礼等[14]研究了不同频率下花岗岩动应变-应力滞回曲线、动弹性模量和阻尼比同循环频率之间的关系。在上述研究中，主要是基于单轴压缩试验，考虑了岩石不同初始状态和尺寸效应等条件对岩石力学特性(弹性模量、泊松比等)的影响；研究了岩石应力—应变曲线变化规律；从形态特征等角度研究了滞回曲线的演化。部分研究考虑了围压和振动频率等载荷参数对应力—应变曲线、滞回圈特征和其它各项力学特性参数的影响。

综上，目前关于各类岩石在循环加卸载条件下的试验研究已有很多，不过，主要集中在单轴压缩或者三轴等幅循环加卸载条件下脆性岩石(砂岩、大理岩、花岗岩等)的疲劳变形破坏特征、阻尼特性和能量演化及分配等方面，对于岩石在较复杂动荷载作用下(如地震作用)的力学响应行为研究尚不充分。本研究旨在探究不同类型岩石在复杂动荷载作用下的力学响应特性。由于目前试验设备在实现中等应变率加载方面的困难，本试验对拟研究的地震荷载进行了较大的简化，转而开展岩样在三轴多级循环加卸载条件下的力学响应特性研究。在这个加载过程中，应力水平随时间逐渐增加，以模拟实际地震作用过程中振幅随时间变化的特征。限于篇幅，本文仅对试验结果中2种岩石的应力应变特性(包括曲线特征、残余应变和滞回圈)进行分析。

1 试验概况

1.1 试样制备

本试验采用白云岩样和千枚岩样。所有岩样均取自四川省广元市青川县东河口滑坡区。该滑坡是2008年汶川地震在一层状复合岩体斜坡内触发的巨型高位远程滑坡碎屑流，滑体体积达到1×107m3。按照《工程岩体试验方法标准》(GBT 50266—2013)将岩样加工成标准圆柱体试样(Ф50 mm×100 mm)，并对其两端及侧面进行了仔细研磨，不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。为了尽量保持各试样特性的一致性，同一组试样都是从同一岩块中钻取而得，如图1所示。根据岩样薄片镜下鉴定结果，白云岩成分主要为白云石(82%)、黏土质(15%)、云母(<1%)和磁铁矿(1%～2%)；千枚岩成分主要为绢云母(70%)、石英(15%)、黑云母(10%)和磁铁矿(<5%)。两种岩体都含初始缺陷：从图1(a)可知，白云岩样表面均发育有一些细小孔洞，孔径小于1.0 mm，同时还可见多条不等宽的微裂隙和细脉，脉内主要充填石英；从图1(b)可知，千枚岩样除了B03发育有一条斜向岩脉，其余两个岩样的完整性较好，镜下鉴定结果显示千枚状构造和皱纹构造。

图1 试验岩样及薄片镜下鉴定结果Fig.1 Rock samples and microscopic identification results of thin section

由此可见，尽管每组试样均取自同一岩块，但它们在初始结构上的不同必然导致力学特性上的差异性。经密度测试后得白云岩和千枚岩的平均密度分别为2 648.3 kg/m3和2 629.1 kg/m3。

1.2 试验设备

本试验在MTS-815 Flex Test GT岩石力学测试系统上进行，该系统可以在应力或应变控制模式下运行(图2)。该设备由三部分组成：轴向动态加载系统、围压加载系统和数字控制及数据采集系统。第三部分可以在试验过程中同时测量载荷、应力、位移和应变，并在计算机上同时显示应力—应变和载荷—位移曲线。加载系统框架刚度为10.5×109N/m，轴向加荷范围为0 ～ 4 600 kN，围压范围为0 ～ 140 MPa。振动频率大于5 Hz。振动波形可以是正弦波、三角波、方波、斜波和随机波。振动的相位差可以任意设置为0 ～ 2π。岩石试样由于加载而产生的轴向变形由线性可变差动变压器(LVDT)测量，测量范围为-2.5 ～+2.5 mm。环向变形在本试验中没有测量。

图2 MTS-815 Flex Test GT岩石力学试验系统Fig.2 MTS-815 Flex Test GT rock mechanics test system

1.3 试验加载方案

在恒定围压10.0 MPa和恒定加载频率2.0 Hz的条件下，对图1中的两组试样依次进行多级应力水平下的循环加卸载试验。加载波形为正弦波。在每次测试开始时，在力控制模式下对岩样施加一个小的预压力，以便使岩样两端与加载板紧密接触。随后，按照图3所示的方法对岩样施加多级轴向压应力，直至岩样破坏。每级压应力的加载过程包括两部分：首先为恒定速率20 kN/min的单调加载，直到达到循环加载的上限应力(σmax)，然后在给定的振幅和频率下进行60次正弦波加载。随着加载级数的增加，上限应力(σmax)和平均轴向应力(σm)也相应地增加，而下限应力(σmin)保持在恒定值。重复以上的步骤，直至完成6个岩样的加载试验。试验结束后，每个岩样破坏前所接受的总加载级数、破坏时轴向应变、峰值强度和残余强度等结果如表1所示。

图3 三轴多级循环加卸载过程示意图(B02)Fig.3 Sketches of triaxial multi-stage cyclic loading and unloading process(B02)

表1 三轴多级循环加载条件及试验结果统计表Table 1 Summary of triaxial multi-stage cyclic loading conditions and test results

2 试验结果分析

2.1 应力—应变曲线特征

图4(a)为3个白云岩样在多级循环加载下的完整轴向应力—应变曲线。可将岩样的应力应变响应过程按三阶段进行分析。第一阶段为循环加载前的单调加载过程。在这一阶段，3个白云岩样的应力—应变过程曲线相似，斜率接近，表明岩样虽然初始结构有差异，但仍具有相似的弹性响应特征。第二阶段从第一个周期的正弦波加载开始到最后一个周期结束。在每级循环加载的中后期，在一个循环周次内，加载段产生的轴向应变在卸载段不能完全恢复，即产生了残余应变。加载和卸载过程中的应力—应变曲线在每个循环中形成了一个滞回圈。第三阶段为当轴向应力不断增大到峰值应力(σp)时，岩样发生破坏，应力开始下降。从峰值后的应力—应变曲线来看，D01和D03试样的峰后应力随着应变的增加呈缓慢下降趋势，最终达到相同的残余强度(σcr)，而D02试样则迅速下降，残余强度相比其余2个试样低得多。

图4 两种岩样的应力—应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of two types of rock samples

图4(b)为3个千枚岩样在多级循环加载下的完整轴向应力—应变曲线。按照前述的三阶段分析思路，千枚岩样的应力—应变响应过程表现出显著的个体化差异，应与岩样内部的结构和构造差异有关。3个岩样在第一阶段的曲线不重合，一方面与该阶段的应力加载过程有关(B01和B02的单调加载时间长于B03)，另一方面也体现了岩样之间弹性常数的差异。不仅如此，3个岩样的峰后段差异也较大。除了B01表现出了稳定的残余强度特征以外，B02在岩样出现多条贯通的宏观裂隙后，仍表现出很高的承载能力，未出现应力下降的情况。试验过程中提前结束了对B02的加载，导致其未获得完整的应力—应变过程曲线。B03则出现粉碎性破坏，未获得破坏后的完整试件。两组岩样的最终破坏特征如图5所示。从保留完整的岩样来看，两种岩石在经过多级循环加卸载作用后，都呈现出明显的剪切破坏特征，剪切面粗糙，D03白云岩样出现“X”型共轭剪切面。

图5 两种岩样的最终破坏特征Fig.5 Final failure characteristics of two types of rock samples

已有的研究表明，岩石的疲劳强度值与加载条件(即加载频率、平均应力、应力幅值和围压)和岩石材料类型密切相关，且循环荷载作用下的强度低于非循环荷载作用下的强度[2-4]。从表1可知，与静态压缩强度(σc)相比，经过多级循环加载后的白云岩试样和千枚岩试样的峰值强度分别降低了29.8%～39.9%和32.5%～45.2%，表现出了不同程度的疲劳破坏特性。

2.2 残余应变特征

图6(a)给出了白云岩样的累积残余应变随着循环周次增加的变化规律。从图中可知，每级循环加载下产生的累积残余应变与循环周次存在较好的线性关系。对每个岩样而言，当前两级加载结束后，残余应变仅表现出一个很小的或零增量，说明了岩样在此阶段仍处于黏弹性响应阶段。在随后的几级加载中，累积残余应变随循环次数的增加而略有增加。在破坏前的最后一个循环加载阶段，残余应变迅速增加。累积残余应变的这种变化特征也从一个侧面体现了应力幅值对轴向应变积累的影响。随着应力幅值的增加，应变增量经历了“稳定”→“小增长”→“快速增长”的变化过程。然而，在本试验中，由于循环周次增加和应力幅值增加同步进行，无法区分到底哪一种参数的影响更大。

图6 两种岩样的累积残余应变变化特征Fig.6 Cumulative residual strain versus cycle number of two types of rock samples

图6(b)给出了千枚岩样的累积残余应变随着循环周次增加的变化规律。由于较大的岩样个体差异，3个千枚岩样的累积残余应变变化特征均不同。B01表现出了与白云岩样相似的特征。B02和B03在加载结束后，都未测到累积残余应变的明显变化，而实际上岩样已经发生了破坏。由此也表明，对于含初始缺陷的严重非均质化的岩体，较难从累积残余应变的变化规律中获得岩体动力变形破坏的前兆信息。

2.3 回滞环特征

图7(a)给出了白云岩样在每个循环加载阶段的应力应变回滞环曲线，分别对应1、30和最后一个循环数。从图中可知，在同一加载阶段，回滞环的形状和面积差异较小，说明在同一应力水平下，短期的有限循环加载对岩石材料的损伤(即残余塑性变形和能量耗散)没有显著影响。当上限应力和平均应力逐渐增大时，3个试样的回滞环均发生了显著变化，环的高度、开口宽度和面积均增加。在前两级，回滞环相互重叠并闭合，残余轴向应变很小。当应力水平进一步增大时，回滞环向应变增大方向移动，且重叠较少，加载—卸载曲线不再闭合。随着开口宽度的逐渐增大，试样中发生残余应变的积累，由于微观裂纹扩展导致能量耗散增加。环的开口宽度的变化揭示了岩石材料在低应力水平循环加载时表现出黏弹性响应，在高水平循环加载时表现出黏弹塑性响应。无论应力水平多大，所有回滞环都具有相似的窄尖叶形状。在加载过程中，应力和应变是逐渐变化的，应力—应变曲线为直线。在加载与卸载的过渡阶段，曲线迅速逆转，表明弹性应变迅速恢复；卸载过程中出现了相对于应力的小应变滞后现象，应力—应变曲线为上凹形。图7(b)给出了千枚岩样在每个循环加载阶段的应力应变回滞环曲线，分别对应1、30和最后一个循环数。对比图7(a)和7(b)，千枚岩样回滞环的形状与白云岩样的相似。但是，B02和B03岩样在高应力水平作用下，不同循环次数的回滞环仍紧密重叠在一起，与图6(b)所观察到的微小累积残余应变增量有关。

图7还给出了两种岩样在每级循环加载阶段滞回环的平均面积随应力幅值增加的变化情况。从能量的角度，回滞环的面积大小反映了岩样在受力过程中能量耗散的多少。从图中可知，随着应力幅值的增加，滞回线面积呈单调增大趋势，且前期增速较缓，后期增速变大。以千枚岩样为例，当应力幅值从7.5 MPa增加到22.5 MPa时，B01试样的滞回环面积比初始阶段增加了7.5倍。当应力幅值从7.5 MPa增加到27.5 MPa时，B03试样的滞回环面积比初始阶段增加了9.5倍。当应力幅值从7.5 MPa增加到37.5 MPa时，B02试样的滞回环面积是初始阶段的14.2倍。在相近的应力水平作用下，千枚岩样的滞回环面积要略大于白云岩样，表明千枚岩由于内部结构损伤而耗散的能量更大。