循环荷载下花岗岩强度及变形特征试验研究

石 卉

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

水库是调配水资源的重要基础设施,在运营过程中,其岩土体会受到不同程度的循环荷载作用,比如地质构造运动、地震作用、水库水位升降等,影响着库区边坡的长期稳定性[1]。由于花岗岩岩体的力学强度较大,但存在着不同尺度的裂隙、裂纹和结构面,在复杂的地下应力状态时,其变形和力学破坏规律表现为明显的时变性,解释其疲劳荷载下的力学行为显得尤为重要,有助于建立花岗岩岩体的本构关系,对于工程设计、施工安全和运营加固都具有十分重要的意义[2-4]。

1 工程背景

1.1 工程概况

某拟建水库位于“V”型山谷内,水库主要建筑物有拦河坝、溢洪道及导流输水隧洞,是一座以灌溉为主,兼顾人畜饮水的小(一)型水利工程。区内地貌在形成过程中,构造作用居主导地位,山脉走向与主干河流走向主要受北西向构造制约,呈近北西向展布。而支流多受北东及近南北向构造和岩性的控制。根据地貌成因,可分为侵蚀构造中山地貌和侵蚀堆积河谷阶地地貌两类地貌[5]。侵蚀构造中山地貌为浅切割中山、斜坡和陡坡地貌,测区内广泛分布,其中山麓为斜坡、陡坡地貌,山坡和谷坡为斜坡、陡坡,山顶地形较缓,多已被侵蚀成平缓坡地。

1.2 工程地质条件

坝址区工程地质花岗岩属于硬脆性材料,主要为中酸性侵入花岗岩,具有花岗结构、半自形中粒粗状结构、块状构造,岩体成分主要石英(无色,含量25.3%)、斜长石(无色,含量60.1%)、黑云母(棕褐色,含量5%)、角闪石(褐绿色,含量8.5%)、绿泥石(黄绿色,含量1.1%)。对场区花岗岩进行取样试验,得到其物理力学指标参数如表1所示。

表1 坝址区域岩土室内试验物理力学指标参数

表2 不同加载工况条件下单轴循环荷载和三轴循环荷载花岗岩强度和变形测试结果对比

2 材料与方法

在为了研究花岗岩在循环荷载作用下的变形和强度变化规律,在现场通过小扰动的取样方案,获取弱风化花岗岩的圆柱状试验,试验高度为150 mm,直径为75 mm[6-8]。试验采用中国科学研究院生产的岩石RMT-159C型压缩仪,该仪器可以实现对岩体单轴循环加载和三轴循环加载,轴向压力最大可以达到2 000 kN,轴向位移可以最大测试200 mm,三轴循环加载时围压可以加到最大为15 MPa。

本研究采用单轴循环加载试验和三轴循环加载试验对比的方法,对花岗岩的应力应变过程和力学参数、变形参数进行分析。按照循环加载的上限应力σmax和循环加载的下限应力σmin,将加载循环分为n次[9-10]。在单轴循环加载时,围压设置为0,并设置3中不同的工况进行对比,工况A:在第1个循环荷载时,先将循环荷载加载到σmin,1=5 MPa,随后第2个循环荷载加载到σmin,2=35 MPa,在第3个循环荷载加载到σmin,2=50 MPa,随后的第4,……,n个循环荷载的加载增量为15 MPa;工况B:在第1个循环荷载时,先将循环荷载加载到σmin,1=5 MPa,随后第2个循环荷载加载到σmin,2=30 MPa,在第3个循环荷载加载到σmin,2=45 MPa,随后的第4,……,n个循环荷载的加载增量为15 MPa;工况C:在第1个循环荷载时,先将循环荷载加载到σmin,1=5 MPa,随后第2个循环荷载加载到σmin,2=30 MPa,在第3个循环荷载加载到σmin,2=50 MPa,随后的第4,……,n个循环荷载的加载增量为15 MPa。

在三轴循环加载时,围压设置为15 MPa,并设置3中不同的工况进行对比,工况D:在第1个循环荷载时,先将循环荷载加载到σmin,1=15 MPa,随后第2个循环荷载加载到σmin,2=150 MPa,在第3个循环荷载加载到σmin,2=200 MPa,随后的第4,……,n个循环荷载的加载增量为30 MPa;工况E:在第1个循环荷载时,先将循环荷载加载到σmin,1=15 MPa,随后第2个循环荷载加载到σmin,2=170 MPa,在第3个循环荷载加载到σmin,2=200 MPa,随后的第4,……,n个循环荷载的加载增量为30 MPa;工况F:在第1个循环荷载时,先将循环荷载加载到σmin,1=5 MPa,随后第2个循环荷载加载到σmin,2=140 MPa,在第3个循环荷载加载到σmin,2=170 MPa,随后的第4,……,n个循环荷载的加载增量为30 MPa。

3 结果与分析

图1～图3为单轴循环荷载下工况A、工况B和工况C的花岗岩应力应变曲线。从图中可以看出,3种不同加载工况的应力应变曲线变化规律较为一致,大致可以分为2个阶段,在峰值强度前的非线性增加阶段和峰值强度后者迅速减小阶段。在荷载加载初期,由于花岗岩内部存在各种各样的微小裂隙和微小节理,因此受到压力作用后被压紧、闭合,导致其塑性应变明显大于加载后期在同一应力增量条件下的塑性应变。3种不同的加载方式并没有改变峰值强度前的应力应变曲线关系,总体表现为单调上升的趋势;而在峰值强度后不同加载方式改变了其应力应变曲线,在工况A条件下,应力应变曲线表现为单调下降,表现为明显的应变软化特征,而在工况B条件下,应力应变曲线出现了一定程度的应力平台,表现为应力软化特征减弱,在工况C条件下,应力应变曲线甚至出现了一定程度的升高,表明循环荷载作用使得花岗岩的力学性质造成了一定的劣化,循环荷载使得花岗岩原生的微小裂隙、微小节理得以扩张、贯通和发育,切割了岩块的整体完整性,花岗岩试验的承载力得到大幅度的降低,在持续的循环加载过程中,裂隙之间的黏聚力丧失,荷载的抵抗主要由裂隙之间的岩块表面摩擦力提供,并且摩擦力在不断地适应和调整应力状态,以适应新的外力条件,达到新的平衡后可以继续承载,表现为存在一定的残余强度(曲线出现应力平台和微弱上升)。由常规的单轴抗压强度试验可知,花岗岩的应力应变曲线在峰值强度后表现为明显的脆性断裂破坏,在极短的时间内失去承载力,应力断崖式下跌,而经过单轴循环荷载试验的花岗岩则表现为明显的应变软化现象,峰值强度过后试件仍具有一定的承载力和变形能力。

图1 工况A单轴循环荷载作用下花岗岩应力应变曲线

图3 工况C单轴循环荷载作用下花岗岩应力应变曲线

图5 工况E三轴循环荷载作用下花岗岩应力应变曲线

图4～图6为三轴循环荷载下工况D、工况E和工况F的花岗岩应力应变曲线。从图中可以看出,与单轴循环荷载作用下的应力应变一致,3种不同三轴循环荷载加载工况的应力应变曲线变化规律较为一致,大致可以分为2个阶段,在峰值强度前的非线性增加阶段和峰值强度后迅速减小阶段。在峰值强度前,应力应变曲线表现为非线性单调增加,而在峰值强度后这表现为曲线下降,并出现的残余应力。

对工况A～工况F的试验结果进行统计,结果表1所示。从表1中可以看出,在单轴循环加载时,按照工况A、工况B和工况C的顺序,花岗岩的峰值强度不断减小,减小幅度范围为7.95%～18.01%,而按工况B、工况A和工况C的顺序,总应变、泊松比和弹性模量与峰值应变不断增加,峰值应变的增加幅度为14.57%～29.53%,由此表明,在前几次的循环荷载加载方式可以明显改变花岗岩的强度和变形特征;三轴循环加载时,按照工况D、工况E和工况F的顺序,峰值强度、峰值应变、总应变、泊松比和弹性模量均不断减小,峰值强度的减小幅度为11.08%～32.55%,而峰值应变的减小幅度为24.64%～41.65%,由此表明,在前几次的循环荷载加载方式可以明显改变花岗岩的强度和变形特征,加载增量越大,峰值强度和峰值应变的减小幅度也越大。相比于单轴循环荷载试验,三轴循环荷载试验得到的峰值强度和峰值应变显著增加,增加约3.0倍,表明围压可以明显增加岩体的抗变形和抗剪切破坏的能力,且三轴循环荷载试验的强度和变形受前几次循环荷载的加载方式影响更为显著。

4 结语

以某水库为研究对象,运用室内试验的方法,对场区弱风化花岗岩进行单轴循环荷载试验和三轴循环荷载试验,研究其应力、应变变化规律,得到以下结论:

(1)单轴循环荷载试验和三轴循环荷载试验的应力应变曲线变化规律较为一致,均可分为2个变形阶段,即应变在峰值强度前的非线性增加阶段和峰值强度后者迅速减小阶段;

(2)常规单轴抗压强度试验得到花岗岩的应力应变曲线为在峰值强度后表现为明显的脆性断裂破坏,在极短的时间内失去承载力,应力断崖式下跌,而经过单轴循环荷载试验的花岗岩则表现为明显的应变软化现象,峰值强度过后试件仍具有一定的承载力和变形能力。

(3)前几次的循环荷载加载方式可以明显改变花岗岩的强度和变形特征,相比于单轴循环荷载试验,三轴循环荷载试验得到的峰值强度和峰值应变增加约3.0倍,表明围压可以明显增加岩体的抗变形和抗剪切破坏的能力,且三轴循环荷载试验的强度和变形受前几次循环荷载的加载方式影响更为显著。