兩種砂巖峰后應(yīng)力松弛特性對比分析

(湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南 湘潭 411201)

沉積地層的主要組成成分為砂巖，而砂巖是巖土工程中的常見圍巖類型。在深部地下工程中，使用一定的支護方式對破裂圍巖進行加固，圍巖往往會表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)力松弛特性，這使得圍巖壓力顯現(xiàn)加劇，這也是造成冒頂事故的主要原因之一[1]。由于不同砂巖的組成成分、內(nèi)部膠結(jié)構(gòu)造等因素各不相同，所以各自在破裂狀態(tài)下的應(yīng)力松弛特性也存在一定的差異。因此，對不同砂巖之間峰后松弛特性進行相應(yīng)的研究和分析，對確保地下工程圍巖長期穩(wěn)定有著非常重要的實用價值。

目前對不同砂巖的研究主要集中于不同砂巖完整巖樣的力學(xué)特性研究[2-7]，而不同砂巖的峰后應(yīng)力松弛特性方面，相關(guān)對比分析的研究較少。原因在于峰后試驗過程中需要人工切換改變控制參量，容易發(fā)生漏油現(xiàn)象，這使試驗的成功率大幅降低，也增加了試驗的難度。在巖石峰后松弛試驗方面，于懷昌等[8]對粉砂質(zhì)泥巖開展了三軸壓縮下峰后應(yīng)力松弛試驗，發(fā)現(xiàn)巖石在峰后應(yīng)變階段的應(yīng)力松弛量大以及松弛穩(wěn)定時間長。唐禮忠[9]進行了巖石在峰值荷載變形條件下的松弛試驗，發(fā)現(xiàn)巖石在峰值荷載變形條件下，應(yīng)力松弛表現(xiàn)為間斷式和陣發(fā)式。綜上所述，在對巖石峰后松弛特性的研究方面，研究內(nèi)容較少且缺乏更系統(tǒng)的研究和分析，對不同砂巖的峰后松弛特性的差異有待進一步的探索。基于這點，本文采用MTS815電液伺服巖石力學(xué)試驗機，對紅砂巖和白砂巖進行三軸壓縮峰后松弛試驗，獲取了兩種砂巖在相同圍壓下的峰后松弛曲線，研究了不同砂巖峰后松弛特性的差異。分析其內(nèi)在原因。

一、試驗情況

本試驗是在MTS815電液伺服巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)下進行的三軸壓縮峰后應(yīng)力松弛試驗。試驗采用高度和直徑分別為100mm和50mm的紅砂巖和白砂巖，加工成圓柱體狀，沒有層理或者裂隙，試驗前對兩種巖樣均進行了超聲波檢測，以保證其均質(zhì)性一致。

試驗開始先進行常規(guī)三軸壓縮試驗，對試件施加軸壓使其加載到破壞狀態(tài)，即峰后階段，加載路徑依次為預(yù)加載→位移加載→固定變形。首先，軸壓與圍壓同時施加，軸向預(yù)應(yīng)力和圍壓均加載到一定值，其次，通過控制位移加載，以等應(yīng)變速率增加軸向位移至峰后某一應(yīng)力狀態(tài)。達到峰后階段后，使試件的變形保持基本不變，直至荷載基本穩(wěn)定。本次試驗設(shè)置的軸向預(yù)應(yīng)力和圍壓分別為0.2MPa和15MPa，加載速率為10-3mm/s，試驗過程中試驗系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)采集和整理。

二、試驗結(jié)果分析

在加載過程中，對試件施加軸壓至峰后預(yù)設(shè)值(本次試驗設(shè)置為峰值荷載的75%)，巖樣進入峰后狀態(tài)后，荷載開始下降，當(dāng)伺服機監(jiān)測軸向荷載下降至峰值荷載的75%，伺服系統(tǒng)即運行松弛并恒定軸向位移，直至試件變形保持穩(wěn)定，剩余應(yīng)力百分比為穩(wěn)定應(yīng)力與初始應(yīng)力的比值，記錄和整理兩種巖樣的峰后松弛試驗參數(shù)，如表1所示。

表1 松弛試驗特征參數(shù)

兩種砂巖的峰后松弛曲線如圖1所示。

(a)15MPa圍壓下紅砂巖峰后松弛曲線 (b)15MPa圍壓下白砂巖峰后松弛曲線

由圖1可知，兩種砂巖的峰后松弛效應(yīng)均比較顯著，在峰后階段，兩種砂巖的應(yīng)力均出現(xiàn)一定幅度的下跌，然后隨著時間的變化逐漸趨于穩(wěn)定。

兩種砂巖在同一圍壓下的初始應(yīng)力-應(yīng)力衰減量曲線如圖2所示。

圖2 不同砂巖在同一圍壓下初始應(yīng)力-衰減量曲線

由圖2可知，在同一圍壓下，兩種砂巖的更為松散脆弱，也更易失穩(wěn)，這是因為兩種砂巖的內(nèi)部組成成分和構(gòu)造方式的不同所導(dǎo)致，工程設(shè)計中要格外考慮地下工程選址的問題。

三、結(jié)論

1.兩種砂巖的峰后松弛效應(yīng)顯著，在峰后階段，兩種砂巖的應(yīng)力均出現(xiàn)一定幅度的下跌，然后隨著時間的變化逐漸趨于穩(wěn)定。應(yīng)力松弛量與初始應(yīng)力有關(guān)，在相同的圍壓條件，隨著初始應(yīng)力的增大，應(yīng)力松弛量也越大。

2.同一圍壓下，白砂巖的應(yīng)力衰減量比紅砂巖大，可見白砂巖的峰后松弛特性更為顯著，這說明白砂巖峰后內(nèi)部結(jié)構(gòu)比紅砂巖更為松散脆弱，更易失穩(wěn)。