考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

李均奕,王 伟,曹亚军,陈超维,朱其志

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098; 2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098)

地下工程中,应力状态变化路径对围岩力学特性的影响显著,如隧道围岩在开挖过程中,围岩所处的应力状态十分复杂,在某些情况下围岩在一个方向上应力处于卸荷状态,另一方的应力处于加荷或卸荷状态,不同应力状态变化路径下的岩石力学特性不同,同时由于岩石内部往往存在一定的孔隙水,孔隙水压力与岩石变形之间存在相互动态耦合。因此,研究水-力耦合条件下不同卸荷应力路径对岩石力学特性的影响十分重要。

目前,很多学者从不同角度对岩石在卸荷条件下的力学特性进行了研究,叶洲元等[1]通过砂岩在复杂应力路径下的三轴试验,分析了砂岩在复杂应力状态下的强度、变形特性及其应变能随应力路径的变化规律;雷涛等[2]对矿石进行了连续卸荷开挖试验,结果表明,在卸荷试验过程中,岩石的黏聚力与内摩擦角等参数逐渐降低;Li等[3]通过对砂岩进行不同条件下的三轴卸荷试验,研究了裂隙岩体在卸荷过程中的力学特性;黄达等[4]对高应力下脆性岩石进行了不同条件下的三轴卸荷试验,结果表明,高应力下脆性岩石在卸荷过程中呈现较为显著的应变强化特性,同时给出了卸荷条件下参数的数值计算方法;赵航[5]对深部大理岩进行的三轴卸荷试验结果表明,卸荷试验比加载试验更易引起岩石的破坏,岩石破坏发生时,试件的侧向变形更为剧烈,同时发现在峰值点开始卸荷条件下的破坏更加剧烈;Zhang等[6]通过进行一系列的卸荷试验研究了加卸载条件下岩体的应力-应变关系,分析了岩石在卸荷条件下的力学特性;Wang等[7]进行了三轴试验和恒轴压卸围压试验,结果表明,在卸荷条件下,岩石强度较为脆弱,破坏时损伤较大,初始围压越大,越容易发生卸载破坏;Li等[8-9]通过对岩石开展三轴加卸载试验,研究了岩石在卸荷条件下的力学特性;李地元等[10]发现相对于常规三轴试验,恒轴压卸围压试验黏聚力降低24.21%,内摩擦角增大16.71%,而加轴压卸围压路径黏聚力增大10.25%,内摩擦角减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中岩石抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压路径中为黏聚力;陈秀铜等[11]进一步研究了水压影响下的卸荷试验,通过对高围压、高水压下的岩石进行试验,得出有水压卸荷对岩石强度的影响比无水压卸荷要大的结论,有水压卸荷,水削弱了围压对岩石的影响;邓华锋等[12]在研究水-岩作用对岩石的影响中发现,水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度和抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势;王伟等[13]对花岗岩岩样进行了渗透试验并给出了岩石渗流-应力耦合的拟合函数,表明了花岗岩渗透率和体积应变之间的关系。综上,目前国内外对于考虑水-力耦合三轴卸荷试验的研究并不多见,特别是针对不同卸荷路径下水-力耦合的砂岩应力-应变特征与力学特性的研究。

本文结合某隧道工程围岩的卸荷应力状态,设计了恒轴压卸围压以及加轴压卸围压两种应力路径,以砂岩为研究对象,开展不同渗透压力和不同卸荷路径耦合作用下室内岩石卸荷力学特性研究,并分析了不同卸荷路径下的砂岩水-力耦合力学特性。

1 试验方法

1.1 试验岩样与试验仪器

试验对象为红砂岩,质地由均匀的砂砾组成,颜色为暗红色。经过对该红砂岩进行测量,其平均含水率为3%,密度为2.41g/cm3。根据SL 264—264《水利水电工程岩石试验规程》和GBT50266—2013《工程岩体试验方法标准》,最终将岩块加工为直径为50mm、高度为100mm的标准圆柱体试样,如图1所示。试验采用的仪器为中国科学院武汉岩土力学研究所开发的岩石多场耦合三轴仪,如图2所示。

图1 试验岩样

图2 三轴试验仪

1.2 试验方案

恒轴压卸围压以及加轴压卸围压两种不同卸荷路径如图3所示,具体试验方案如下:①常规三轴试验。卸荷点为常规三轴试验破坏时强度的75%。为提供对比,引入一组常规三轴试验数据,试验数据采用同种岩样进行常规三轴试验得到,见表1(表中σ3为初始围压,pw为渗透压力)。②恒轴压卸围压路径试验。将轴压升至该围压条件下岩石常规三轴试验破坏时强度的75%,保持轴压不变,开始卸载围压,至试样发生破坏为止,试验初始预设压力值见表2(表中σ1为轴压)。③加轴压卸围压路径试验。将轴压加载至相同围压条件下岩石极限强度的75%,然后在增加轴压的同时卸载围压,在卸载围压过程中需保持平均应力基本不变,直到试样发生破坏为止。试验初始预设压力值见表3。

表1 常规三轴试验数据

表2 恒轴压卸围压路径预设压力值

表3 加轴压卸围压路径预设压力值

图3 应力路径

2 试验结果分析

2.1 不同应力路径变形特征分析

表4 卸荷试验结果

图4 2种路径下的偏压-应变关系

2.2 渗透压力影响分析

2.2.1 恒轴压卸围压路径

图5为恒轴压卸围压路径试验在相同初始围压不同渗透压力的应力-应变曲线对比,图6为不同渗透压力卸荷段的围压-应变关系曲线。

图5 恒轴压卸围压路径不同渗透压力应力-应变全阶段关系曲线

图6 恒轴压卸围压路径不同渗透压力卸荷阶段围压-应变曲线

从图5可以看出,当初始围压相同、渗透压力不同时,在卸荷阶段,随着围压的逐渐降低,岩石的轴向应变在初期降低速率较小,在岩石接近破坏围压时,轴向应变降低速率增大。从图6可以看出,渗透压力越大破坏时的围压越大;同时渗透压力越小,在卸荷初期岩石的轴向应变增长速率越小。这主要是在相同条件下,随着渗透压力的减小,岩石的有效围压增大,此时对岩石的变形有着较好的约束作用,所以轴向应变增长速率较小;轴向应变相同时,渗透压力越大,围压减小值越小。以初始围压为10MPa为例,当轴向应变为10-3时,渗透压力为0所对应的围压减小量为2.03MPa,渗透压力为3MPa所对应的围压减小量为1.42MPa,渗透压力为5MPa所对应的围压减小量为0.66MPa,这主要是由于渗透压力越大,降低单位围压后的有效围压越小,则产生相同轴向应变条件下所需要降低的围压越小。当围压减小至相同时,渗透压力越大,岩石的轴向应变越大。以围压为10MPa为例,当围压降低1MPa时,渗透压力为0所对应的轴向应变为0.27×10-3,渗透压力为3MPa所对应的轴向应变为0.53×10-3,渗透压力为5MPa所对应的轴向应变为1.91×10-3。可以看出,相同围压卸载量条件下,渗透压力越大,产生的轴向应变越大。这是由于卸载相同的围压后,渗透压力越大,有效围压越小,则对岩石变形的约束作用就越小,则产生的轴向应变就越大。在保持渗透压力不变时,随着初始围压的升高,岩石的峰值强度以及轴向峰值应变也随之增大,表明在卸荷条件下,围压对岩石的强度起着强化作用,当初始围压不变时,随着渗透压力的增大,试样的峰值强度逐渐降低,说明渗透压力对岩石的强度起着劣化作用。

2.2.2 加轴压卸围压路径

图7为加轴压卸围压路径下相同初始围压不同渗透压力的应力-应变全阶段关系曲线,图8为卸荷阶段不同渗透压力对应的应力-应变关系曲线。

图7 加轴压卸围压路径不同渗透压力应力-应变全阶段关系曲线

图8 加轴压卸围压路径不同渗透压力卸荷阶段应力-应变关系曲线

由图7可知,加轴压卸围压路径与恒轴压卸围压路径渗透压力作用相同:渗透压力对岩石的强度有劣化作用;由图8可知,在相同初始围压条件下,渗透压力越大,岩石的峰值强度越小,岩石的压密段特征越明显。这主要是因为随着渗透压力的增大,岩石的有效围压逐渐降低,而有效围压能够抑制岩石损伤的发展。岩石的压密程度反映了岩石变形模量的变化规律,在压密段曲线的斜率即岩石的变形模量逐渐增大,表明在压密段岩石的损伤逐渐降低,而有效围压越大岩石的损伤降低速率越快,从而导致压密段变得越小,即岩石的压密特征越不明显。根据对恒轴压卸围压路径应力-应变曲线的分析,相同围压卸载量条件下,渗透压力越大则产生的轴向应变越大,在加轴压卸围压路径过程中,由于轴压的增大,渗透压力对岩石的劣化作用更为明显。对图8中曲线切线斜率进行观察可以发现,在卸荷段,岩石在卸荷前期应变的增长速率较慢,随着围压的逐渐降低,轴压逐渐增大,岩石的轴向应变增长速率开始增大。

2.3 考虑渗透压力的强度准则拟合分析

直线型Mohr-Coulomb强度理论模型能线性反映岩石强度与围压之间的关系。考虑围压对岩石强度的影响,采用其作为拟合方法:

τ=c+σtanφ

(1)

式中:σ为岩石破坏面上的主应力;τ为破坏面上的剪应力;c为岩石的黏聚力;φ为岩石的内摩擦角。式(1)可以用主应力的方式进行表述,即:

(2)

式中σ1、σ3分别为试样中的最大主应力与最小主应力。式(2)可化简为

σ1=aσ3+b

(3)

式中:a为强度拟合曲线的斜率;b为强度拟合曲线的截距。

已有研究表明:岩石在不同应力路径下的强度特性具有一定的差异性[14-17]。为探究岩石的强度特性,对两种不同应力路径的试验结果分别进行拟合。根据拟合结果预测卸荷条件下达到破坏围压时的常规三轴试验压缩强度值,然后将该理论值与卸荷试验值对比,以分析卸荷路径对岩石强度的影响。

图9为常规三轴试验的拟合结果。由图9可得,Mohr-Coulomb强度理论模型的参数拟合结果为c=12.23MPa,φ=47.58°。

图9 常规三轴试验拟合结果

2.3.1 恒轴压卸围压路径

对恒轴压卸围压路径试验结果进行强度理论拟合,如图10所示,Mohr-Coulomb强度理论模型的参数拟合结果为c=9.61MPa,φ=52.28°。

图10 恒轴压卸围压路径

恒轴压卸围压路径条件下岩石的强度值普遍低于常规三轴压缩条件下的岩石强度值,这是由于在恒轴压卸围压路径过程中岩石内部的微裂隙发育更加迅速,卸围压过程相当于对岩石作用侧向的拉应力。该过程不仅会降低岩石的围压值,降低对岩石变形的约束作用,加剧岩石裂缝的发展,同时也会由于岩石较弱的抗拉裂能力,使得岩石产生一定程度的微小张拉裂隙,最终使得岩石强度降低。当渗透压力较低时,岩石的卸荷强度相比常规三轴试验强度值降低幅度较少,当围压较高时,岩石的卸荷强度降低幅度较小。如当渗透压力为0时,围压为3.09MPa,岩石卸荷强度降低幅度为2.46%;围压为7.37MPa时,卸荷强度降低幅度为4.42%;围压为12.15MPa时,卸荷强度降低幅度为1.18%,平均降低幅度为2.69%。当渗透压力为3MPa,围压为8.71MPa时,卸荷强度降低幅度为18.69%;围压为13.38MPa时,卸荷强度降低幅度为6.84%,平均降低幅度为12.77%。当渗透压力为5MPa,围压为9.02MPa时,卸荷强度降低幅度为20.98%;围压为14.42MPa时,卸荷强度降低幅度为8.43%,平均降低幅度为14.71%。通过以上数据做出不同渗透压力下岩石常规三轴预测结果与试验值对比图(图11)。根据有效应力原理,在围压一定的情况下,渗透压力的增加会导致有效围压减小,围压对岩石内部微裂隙的抑制作用减弱,孔隙裂纹更易发育延伸,进而导致岩石的破坏,所以渗透压力对岩石强度具有劣化作用。

图11 恒轴压卸围压路径常规三轴试验与卸荷强度线对比

另外,对比岩石常规三轴试验的拟合结果可以看出,岩石的黏聚力在常规三轴试验条件下为12.23MPa,在卸荷条件下变为9.61MPa,黏聚力降低了21.42%;岩石的内摩擦角在常规三轴试验条件下为47.58°,在卸荷条件下变为52.28°,内摩擦角提高了9.88%。这主要是由于在卸荷条件下岩石的侧向张裂变形更加明显,导致岩石内部的节理发育更加发达,从而使得岩石整体变得松散,即岩石的黏聚力变小,同时变形过程中的裂缝较常规三轴试验中产生裂缝粗糙程度更大,因而导致岩石的内摩擦角增大。

2.3.2 加轴压卸围压路径

同样对加轴压卸围压路径干燥条件下的岩石试验数据进行拟合,结果如图12所示。

图12 加轴压卸围压路径

由图12可得,直线型Mohr-Coulomb强度理论模型的参数拟合结果为c=12.42MPa,φ=45.38°

加轴压卸围压路径常规三轴试验与卸荷强度线对比见图13。由图13可知,在加轴压卸载围压条件下,岩石的强度较常规三轴试验强度而言也会有相应的降低,相较常规三轴试验,试样在卸围压过程中,围压不断降低,对岩石的保护程度也随之减小,而轴压在增大,岩石的承载能力也逐渐变小,从而使得岩石的强度降低。岩石在加轴压的同时卸围压,即相当于在侧向对岩石施加拉应力。根据直线型Mohr-Coulomb强度理论模型的特点易知,岩石的极限强度与围压呈正相关关系,所以当围压降低时岩石的强度也随之降低。

图13 加轴压卸围压路径常规三轴试验与卸荷强度线对比

当渗透压力较低时,岩石的卸荷强度相比常规三轴试验强度值降低幅度较小;当围压较高时,岩石卸荷强度的降低幅度较大。如当渗透压力为0,在围压为3.31MPa时,岩石卸荷强度降低幅度为7.74%;围压为7.92MPa时,卸荷强度降低幅度为4.39%;围压为15.26MPa时,卸荷强度降低幅度为8.70%,平均降低幅度为6.94%。当渗透压力为3MPa,围压为8.52MPa时,卸荷强度降低幅度为15.01%;围压为15.01MPa时,卸荷强度降低幅度为5.55%,平均降低幅度为10.28%。当渗透压力为5MPa,围压为9.03MPa时,卸荷强度降低幅度为18.80%,围压为15.72MPa时,卸荷强度降低幅度为6.40%,平均降低幅度为12.60%。

就岩石的物理性质而言,加轴压卸围压路径条件下岩石的内摩擦角为45.38°,黏聚力为12.42MPa,其中内摩擦角相比常规三轴试验条件下的47.58°降低了4.62%,黏聚力相比常规三轴试验条件下的12.23MPa提高了1.55%,这是由于相较于恒轴压卸围压路径条件而言,在卸围压的同时增加轴压,使得岩石沿着破坏面迅速滑移,此时作用在节理面上岩块之间的力为滑动摩擦力,低于相对静止状态时节理面两侧岩块之间的静摩擦力,所以表现为内摩擦力降低的现象,而对于黏聚力而言,由于在卸荷过程中轴压逐渐增加,使得岩石会沿着一个主要的破坏面产生滑移,而不会持续作用在主裂缝两侧的岩块上,从而使得主裂缝两侧的岩块完整性得以保持,即降低了主裂缝附近岩块的松散性,使得岩石的黏聚力相对于常规三轴试验条件得以提高。

3 结 论

a.加轴压卸围压和恒轴压卸围压两种卸荷路径下的岩石强度较同条件下常规三轴试验中岩石强度具有较大的降低幅度,其中加轴压卸围压路径条件下的岩石强度降低幅度最大,其次为恒轴压卸围压路径,这是由于与恒轴压卸围压路径相比,加轴压卸围压路径过程中不仅岩石抵抗变形能力逐渐降低,而且同时轴向荷载使得岩石内部的能量在不断地增加,从而造成强度降低幅度更大。

b.在卸荷条件下,渗透压力对岩石强度有着劣化作用,且随着渗透压力的增大,试样的峰值强度逐渐降低,相同初始围压渗透压力越大,其平均降低幅度越大。

c.恒轴压卸荷路径,相同围压卸载量条件下,渗透压力越大则产生的轴向应变越大。加轴压卸荷路径,在相同初始围压条件下,渗透压力越大,岩石的峰值强度越小,岩石的压密段特征越明显。

d.岩石的强度参数黏聚力和内摩擦角在不同的应力路径下具有不同的变化规律,以常规三轴试验中的黏聚力和内摩擦角值作为基本值,根据恒轴压卸围压路径试验数据可知,黏聚力逐渐降低,内摩擦角逐渐增大,而加轴压卸围压路径过程中的黏聚力逐渐增大,内摩擦角逐渐降低。