軟硬巖石卸荷應力規律研究

李悠然，燕 喬，李 萌，婁毅博，李 元

(1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443000 2.仙桃市水利水電建筑勘測設計院，湖北 仙桃 433000)

自然界中存在的軟硬相間的巖體是一種較為復雜的組合性巖體，其變形參數受到多方因素的影響，但其主要是由層狀巖體中每單層巖體的變形參數和組合特征構成[1]。由于軟硬相間層狀力學模型概念化的準確性直接導致其變形參數理論研究的正確性[2-3]，因此，本課題擬以實地樣品巖石采集為基礎，采用理論分析、室內試驗以及數值模擬分析相結合的研究方法[4]，首先在相關現場資料分析基礎上，確定重點研究區域，現場采取符合試驗要求的軟硬巖石塊體，加工處理成標準試驗試樣進行三軸卸荷試驗。

1 三軸卸荷試驗

1.1 卸荷試驗以及應力分析

1.1.1 三軸卸荷試驗方案

本次卸荷試驗所采用的儀器為RMT-150C試驗機，具體試驗方案分為三個步驟。第一步采用力(圍壓)控制模式，軸向力與圍壓力分別以0.2 kN/s和0.1 MPa/s按靜水力加載至設計值(軸壓分別為10 kN、20 kN、30 kN；圍壓分別為5 MPa、10 MPa、15 MPa)；第二步采用力(圍壓)控制模式，保持圍壓處于設計值，穩定不變，軸向力以0.5 kN/s的速率加載至對應圍壓的抗壓強度的70%。緊接著第三步是采用力(圍壓)控制模式，分別以位移速率為0.02 MPa/s、0.05 MPa/s卸除圍壓至試件破壞。

本次試驗所采用的試件巖石均為水布埡地下洞室現場采集加工所制，均為直徑50 mm，高100 mm的標準圓柱體試樣，試件進行聲波測試后選取節理完整且巖性相同的試件進行試驗研究。其軟硬巖石巖性如表1所示，其中燧石灰巖為硬巖，團狀塊灰巖為軟巖。

1.1.2 三軸卸荷應力分析

根據上述試驗方案進行軟硬巖石試件的三軸卸荷試驗，其應力應變分析圖如圖1、圖2所示。

表1 巖石巖性

圖1 硬巖卸荷應力應變圖

圖2 軟巖卸荷應力應變圖

由圖1、圖2可以看出：

(1)軟硬巖石在加載應力達到預定值之前，其應力保持線性增長，X軸方向的負數表示試驗儀器桶內存在空氣殘留。

(2)試件在應力達到預定值之后進行圍壓卸荷，由卸荷過程可以看出，在相同卸荷速率下，相對于軟巖巖石，硬巖巖石的卸荷速率更快，軟巖卸荷過程持續較久。

(3)在相同試件下的卸荷試驗，卸荷速率越大，卸荷過程越快，試件越早被破壞。

1.2 巖石變形特征分析

1.2.1 硬巖變形特征分析

現對試件在卸荷過程中的變形情況進行研究，以卸荷階段中不同卸荷速率下的變形模量變化進行分析。硬巖不同卸荷條件下的變形模量統計如表2所示。

根據圖1繪制出硬巖在不同條件下的卸荷情況，如圖3所示。

表2 硬巖不同卸荷條件下的變形模量統計

由圖3可以看出，在不同速率卸荷的情況下，隨著圍壓的增加，試件的彈性模量以及變形模量都在增加，其中彈性模量的增加幅度相對變形模量的增加幅度更大。表明彈性模量更容易受圍壓的影響而發生變化。

1.2.2 軟巖變形特征分析

對軟巖試件在卸荷過程中的變形情況進行研究，以卸荷階段中不同卸荷速率下的變形模量變化進行分析。軟巖不同卸荷條件下的變形模量統計如表3所示。

根據圖2繪制出軟巖在不同條件下的卸荷情況，如圖4所示。

圖3 硬巖不同卸荷條件下的變形特征

表3 軟巖不同卸荷條件下的變形模量統計

圖4 軟巖不同卸荷條件下的變形特征

由圖4可以看出，在不同速率卸荷的情況下，隨著圍壓的增加，試件的彈性模量以及變形模量都在增加，其中彈性模量的增加幅度相對變形模量的增加幅度更大。表明彈性模量更容易受圍壓的影響發生變化。

2 有限元應力分析

利用有限元軟件模擬試驗過程得出應力圖可以對試驗得出的結果以及結論進行論證和檢驗。本文基于Solidworks軟件，采用有限元分析的方法進行試驗模擬。本次有限元模擬計算旨在驗證上述規律，所以只進行5 MPa圍壓下的軟硬巖石試件卸荷模擬。

利用軟件模擬所得出的硬巖試件應力分析如圖5所示，其中將特殊區域受力(圖中標注)情況進行單獨分析，其受力情況如圖6所示。

圖5 軟件模擬硬巖試件應力分析

圖6 硬巖特殊區域所受應力

接著利用軟件模擬軟巖的卸荷試驗，軟巖試件應力分析圖如圖7所示，特殊部位所受應力情況如圖8所示。

通過有限元軟件模擬三軸卸荷試驗中得出結論：

(1)通過試件應力分布圖可以看出，軟硬巖石的應力分布情況大致相同，試件所受最大應力處于軸向面與垂直面的相交處。

(2)通過對比軟硬試件相同部位的受力情況，在相同圍壓卸荷作用下，硬巖所產生的應力更大。

(3)通過試件的應力分布圖可以看出，垂直面應力分布服從正態分布。

3 結 論

(1)在相同圍壓卸荷作用下，軟巖卸荷時間持續更久。在相同卸荷速率的作用下，速率越大、試件破壞更快。

(2)在三軸卸荷試驗過程中，隨著圍壓越高，試件的彈性模量以及變形模量都在增加，其中彈性模量的增加幅度相對變形模量的增加幅度更大。表明彈性模量更容易受圍壓的影響發生變化。

圖7 軟件模擬軟巖試件應力分析

圖8 軟巖特殊區域所受應力

(3)在相同圍壓作用下卸荷試驗中，硬巖所產生的彈性模量以及變形模量都比軟巖所產生數值大。

(4)通過有限元軟件模擬三軸卸荷試驗，通過對比軟硬試件相同部位的受力情況，在相同圍壓卸荷作用下，硬巖所產生的應力更大。符合試驗所得結論。