溫度作用后大理巖三軸卸荷細觀破壞特征研究

宋文SONG Wen；汪然WANG Ran；黃河HUANG He

（①安徽省公路工程建設(shè)監(jiān)理有限責任公司，合肥 230001；②合肥市建筑質(zhì)量安全監(jiān)督站，合肥 230001；③安徽省綜合交通研究院股份有限公司，合肥 230001）

（①Anhui Highway Engineering Construction Supervision INC.，Hefei 230001，China；②Hefei Construction Quality Supervision Station，Hefei 230001，China；③Anhui Comprehensive Transportation Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230001，China）

0 引言

在水利工程中，涉及到的地下洞室主要有：地下廠房、導流洞、引水隧洞、尾水洞、交通洞等等。在巖體開挖時，基坑、洞室等周圍巖體會在不同程度上出現(xiàn)卸荷或卸荷破壞現(xiàn)象，由此導致的破壞失穩(wěn)的現(xiàn)象十分普遍，它通常表現(xiàn)出滑坡、邊坡失穩(wěn)、礦坑變形等等，這些狀況往往給人員和設(shè)備的安全以及工程按時順利地進行造成巨大的威脅。

很多深部巖體所處地質(zhì)環(huán)境復雜，而且工程上往往作為深部核廢料貯存、收到地熱地下水作用等工程狀態(tài)。因此往往會同時受到卸荷以及較高溫度的作用。在應力狀態(tài)不同時，工程巖體往往會具有不同的破壞特征，而每一種力學理論都有著其使用范圍。因此，研究在大理巖在卸荷條件下加溫后的圍觀破壞特征，有著非常重要的理論研究以及工程實踐意義。

1 試驗方法

1.1 試件制備 試驗樣品來源于中國科學院武漢巖土所采集的大理巖，鉆孔盡量選擇在相近地點，以確保減少巖樣的個體差異。依據(jù)巖石力學試驗標準，在實驗室加工成標準試件，尺寸為Φ50mm×100mm 的圓柱體。為保證選擇的巖樣性質(zhì)均一，使試驗結(jié)果具有可比性，筆者選擇外觀無明顯裂紋的巖樣。

經(jīng)過國土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢驗中心安徽省地質(zhì)實驗研究所進行的礦物成分檢測，試件切片如圖1 所示。碎屑主要成分為方解石（含量高于99%，），粒徑0.2-12mm 及0.5-1mm，呈半自形粒狀，以細晶為主，互為鑲嵌，緊密分布，菱形解理發(fā)育，雙晶紋平行菱形解理的長對角線；其余成分主要為一些不透明礦物，粒狀，零星分布。

壓縮試驗均在大型巖石試驗系統(tǒng)RMT-150C 上進行。該試驗機為中科院武漢巖土所自行研制，可以進行單軸、三軸壓縮試驗、拉伸試驗、剪切試驗等，具有操作方便、測量準確的優(yōu)點。該儀器可完全在計算機的控制下進行試驗，只需要在試驗之前輸入相應的試驗參數(shù)等就可以試驗某一試驗路徑。試驗過程將被計算機全稱記錄，在試驗結(jié)束后，操作者就可以讀取相應結(jié)果。

加熱設(shè)備為武漢巖土所的電熱恒溫鼓風干燥箱（加熱200℃試件）與巖土所樣品加工工廠的高溫加熱爐（加熱800℃試件）。干燥箱的編號為1651，大小為400×400×450mm，溫度調(diào)節(jié)范圍為50℃-200℃。

圖1 卸荷路徑示意圖

1.2 卸荷實驗方案 在巖石的三軸試驗中，可以通過兩種路徑實現(xiàn)主應力差卸載。卸載方式1：保持σ3恒定，通過降低σ1實現(xiàn)主應力差(σ1-σ3)卸載；卸載方式2：保持σ1恒定，通過增大σ3實現(xiàn)主應力差(σ1-σ3)的卸載[1,2]。

本卸荷試驗選用路徑1（如圖1 所示），施加靜水壓強的終點確定為略小于相同圍壓下三軸加載試驗破壞點。

1.3 試驗步驟 可以確定試驗步驟為：

①將需要加溫的試件放置在200℃條件下保持3 小時，冷卻至室溫后預備開展卸荷試驗。為分析溫度對大理巖的損傷，在試件初始態(tài)和每次溫度作用并冷卻至室溫后均進行了波速測試。測得的數(shù)據(jù)列表保存；

②三軸試驗開始前，測量好試件的縱波波速及尺寸。然后將試件套上一層薄的耐油橡膠皮套，裝入與試驗機相配套的壓力室中（事先排光空氣），置于試驗機的相應位置，安裝好軸向位移傳感器；

③先將軸壓和圍壓同步加載，保證圍壓到預定點A（軸向力加載速率0.2kN/s，圍壓加載速率0.1MPa/s）；

④保證圍壓不變，增大軸壓直至設(shè)定的終點B（力加載速率0.5kN/s）；

⑤到達力終點之后，保持軸壓不變，以固定速率卸圍壓直至試件破壞（圍壓卸載速率0.05MPa/s，卸荷點均位于塑形階段開始時）。

2 縱波波速試驗及結(jié)果

目前，超聲波測試技術(shù)在巖石力學領(lǐng)域得到了廣泛地應用。縱波與橫波在巖石試件內(nèi)的傳播速度可以在一定程度上反映巖石的礦物成分、孔隙度等物理特性以及泊松比、楊氏模量等參數(shù)；超聲波速度也是評價材料損傷的指標之一。[3,4]

為分析溫度對大理巖的損傷，在試件初始態(tài)和每次溫度作用并冷卻至室溫后均進行了波速測試。測得的數(shù)據(jù)列表保存，代表性試件的結(jié)果如表1 所示。

表1 不同溫度下波速試驗的結(jié)果

表2 不同溫度下大理巖試件破壞強度與圍壓

很明顯可以看出，溫度作用后試件的縱波波速降低。這從一定程度上體現(xiàn)出，200℃溫度作用后，巖石的內(nèi)部缺陷發(fā)展，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 卸荷強度變化規(guī)律 通過卸荷試驗，得到不同溫度下大理巖試件卸荷破壞的力學參數(shù)如表2 所示。

通過對比，可以看出相比常溫卸荷的試件，可以看出在200℃溫度作用下大理巖試件卸荷強度略有增大；隨著圍壓的提高，這一現(xiàn)象更加明顯。

3.2 縱波波速與大理巖卸荷強度關(guān)系的討論 根據(jù)損傷力學[5,6]原理，采用縱波波速的相對變化來定義損傷因子，則大理巖試件的損傷因子可以定義為：

式中：

D 為損傷因子；

Vt為試件經(jīng)過溫度作用后對應的波速；

V0為初始時刻對應的波速。

則損傷因子對應著就是表1 中的波速降低百分比。

根據(jù)表1 和表2 可以看出，試件的卸荷強度與相應的損傷因子有著一定相關(guān)性：損傷因子越大，卸荷強度越低，反之亦然。

3.3 溫度對大理巖微觀卸荷破壞形式的影響 使用合肥工業(yè)大學分析測試中心的SEM 電鏡（型號JSM6490/LV掃描電鏡）觀察加溫前后的大理巖試件的微觀破壞模式的影響。

可以看出，在經(jīng)歷溫度作用后，大理巖試件會出現(xiàn)由于水分蒸發(fā)產(chǎn)生的氣孔，如圖2。相對于常溫試件，加溫后的試件，氣孔變得更大，數(shù)量更多，從而更加容易被觀測到。

圖2 氣孔微觀觀測圖

同時，也可以觀測到，在試件破壞過程中會出現(xiàn)各種形態(tài)的微裂紋以及斷口。可以總結(jié)出，大理巖的微裂紋主要分為縮聚微裂紋、張性微裂紋、壓性微裂紋和剪性微裂紋等，如圖3 所示。由大量的觀測結(jié)果可以得出結(jié)論，常溫作用后試件的剪性、張性微裂紋居多，相比常溫試件，200℃溫度作用后出現(xiàn)了一定數(shù)量的縮聚微裂紋及壓性微裂紋。這說明溫度作用對大理巖微觀破壞模式有著顯著的影響，與波速試驗的結(jié)果相吻合。

圖3 200℃溫度作用后大理巖微觀破裂形式圖

4 結(jié)論

①用縱波波速比商法定義了溫度損傷，可以看出試件的卸荷強度與相應的損傷因子有著一定相關(guān)性：損傷因子越大，卸荷強度越低，反之亦然。

②溫度作用后，巖石內(nèi)部微氣孔數(shù)量變多，大小變大，在電鏡下更容易被觀察到。

③常溫作用后試件的剪性、張性微裂紋居多，相比常溫試件，200℃溫度作用后出現(xiàn)了一定數(shù)量的縮聚微裂紋及壓性微裂紋。

[1]尤明慶,蘇乘東,李小雙.損傷巖石試樣的力學特性與縱波速度關(guān)系研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(3):358-467.

[2]夏才初,李宏哲,劉勝.含節(jié)理巖石試件的卸荷變形特性研究[J].巖石力學與工程學報，2010,29(4):697-704.

[3]顧澤同,葛永樂,翁中杰等.工程熱應力[M].北京國防工業(yè)出版社,1987：162-163.

[4]張元中,楚澤涵,陳颙.巖石熱開裂研究現(xiàn)狀及其應用前景[J].特種油氣藏,1999,16(2):1-5.

[5]Wang H F,Bonner B P,Charlson S R,et al.,Thermal stress cracking in granite[J].J Geophys Res,1989,94:1745-1758.

[6]張安哥,朱成久,陳夢成.疲勞、斷裂與損傷[M].成都:西南交通大學出版社,2005,11.