循环加载作用对不同裂隙角度青砂岩的力学性质影响研究*

2022-06-04冯师盛华张海军包小华沈俊

采矿技术 2022年3期

冯师，盛华，张海军，包小华，沈俊

(1.上海隧道工程有限公司，上海 200032；2.武汉誉城建设集团有限公司，湖北武汉 430060；3.深圳大学土木与交通工程学院滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东深圳市 518060)

0 引言

地下连续墙作为基坑支护等重要工程的必要结构，如何安全高效地开挖已成为工程师们关心的重点。当基坑开挖遇到硬岩层时，软岩、高风化岩层等软土软岩性质的地层上开挖的方式出现明显的不适用现象。目前针对硬岩层的最快速开挖方式是双轮铣槽机开挖[1-2]，但该方法在遇到更为坚硬的微风化岩层时，岩层内的高强度高硬度花岗岩加快了机械磨损，减缓了铣削速度，有的甚至无法正常开挖，必须采取如高能激光破岩[3]、粒子射流辅助破岩[4]、液氮磨料射流破岩[5]、爆破等辅助措施，使岩层产生裂纹，再使用双轮铣槽机铣削来进行施工开挖。

在岩石破坏条件以及破坏性质研究方面，有学者在超低温（-100℃）条件下采用冻融循环试验、核磁共振试验、单轴抗压强度试验和电镜扫描试验得出岩样在超低温环境下的力学性质衰减规律[6]。有学者使用液氮对岩石进行冻融循环，监测冻融循环前后岩石力学性质的变化，发现冻融低温条件对岩石裂化明显[7]。其中，在煤岩等软岩上存在预制裂隙时，探究内部裂隙生成规律，通过Nano Voxel-3502E X 射线三维显微镜和原位加载系统进行煤样试件的扫描，施加相应压力值会改变内部裂隙状态[8]。目前，裂隙岩体的研究在数值模拟方面，邱流潮等[9]采用有限元与离散元耦合数值方法开展岩石破碎过程可视化数值模拟，结果验证了该数值方法分析脆性岩石变形与破坏过程的可行性。赵桐德等[10]采用离散元数值分析，对不同裂隙角度的岩石在单轴压缩下的扩展规律及力学特性进行数值模拟研究，发现不同裂隙角度对裂隙在岩石中的扩展及破坏有较大影响。当裂隙角度较大时，裂隙扩展受应力分布影响较大，次生裂隙较多，主要沿裂隙角度方向扩展；根据裂隙倾角对峰值强度和劣化系数的影响曲线，通过拟合分别得到峰值强度和劣化系数与裂隙倾角间呈指数函数关系。

在试验方面，周纪军等[11]根据单轴卸载试验,研究试样相应的应力-应变曲线和轴向应变-径向应变曲线，并将不同程度的损伤岩样与完整的峰前曲线相比较，推断不同损伤程度岩样的卸载点所处的应力-应变曲线阶段。张国凯等[12]采用MTS 岩石力学试验装置对单裂隙岩石进行单轴压缩试验，发现随裂隙倾角的增大，波速下降点的应力逐渐增大；裂纹长度扩展到临界值时扩展速率会快速增大，裂纹临界长度逐渐降低。裂隙倾角较小时，峰前裂纹发育程度高，峰前裂纹发育程度减弱，裂纹加速扩展、聚合向峰后转移。董振兴等[13]研究了裂隙水压条件下的含贯穿裂隙试件，发现水压的存在可以降低起裂应力和峰值强度，且在相同水压情况下，双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大。汤双臣等[14]利用MTS-815 岩石试验装置对完整岩石试样、不同构型单裂隙和交叉裂隙岩石试样进行单轴压缩试验，分析各构型试样的力学参数及能量演化规律，并与完整岩石试样力学参数进行对比，得出含单裂隙岩石试样的强度和弹性模量相对较小，含交叉裂隙岩石试样各项参数值最小，含交叉裂隙岩石试样用于裂纹产生及发展的耗散能远大于完整岩石试样和含单裂隙岩石试样。

但处在地下硬岩层上的岩石产生裂隙时，往往不会处于特殊状态，而只有在使用其他方式使岩层破碎时，才会出现超低温（液氮等）、超高温（激光等）情况。目前，针对岩石不同裂隙角度影响岩石体力学性质的研究较少，能给实际工程应用提供参考的研究结论更是少见[15]。在实际地下连续墙开挖时，无论用到何种辅助破岩方式，其目的是加快开挖速度，也就是提升机械铣削岩层的速度。那么，辅助破岩方向上一个重要的因素是岩层内岩石裂隙对岩石强度的影响。岩层内的岩石裂隙方向是否会影响岩石的单轴抗压强度、弹性模量等力学性质是本文研究的重点。

1 试验设计

1.1 试验理论依据

1.1.1 单轴抗压试验理论

带预制裂隙岩石的单轴压缩试验遵循标准试验原理，试验试件为标准试件，按式（1）计算单轴抗压强度：

式中，f为岩石单轴抗压强度，MPa；P为试件破坏荷载，N；A为标准试件承压面积，mm2。

若取试件平均值、标准值、变异系数时，按式（2）、式（3）计算：

式中，fk为岩石单轴抗压强度标准值，MPa；fm为岩石单轴抗压强度平均值，MPa；γ为统计修正系数；n为试件数量；δ为变异系数。

1.1.2 裂隙岩石能量耗散与强度联系

施加外力时，预制裂隙岩石遵循能量耗散原则，外力做功产生的能量只能在无预制裂隙的岩体内留存，预制裂隙部分由于无能量载体，不具备存储能量的条件。由热力学第二定律可知，能量耗散不可逆，外界流入的能量在裂隙部分也会完全耗散。因此，与完整岩石相比，带预制裂隙岩石存储能量的能力变弱，承压能力变弱，强度降低。

1.2 试验过程

本文依托深圳市妈湾月亮湾项目，妈湾项目的硬岩层中存在大量青砂岩，为项目开挖带来巨大挑战。青砂岩的抗压强度在50～100 MPa 之间，抗压强度与弹性模量、纵波速度之间有良好的数学关系并且不易破损，在保护样品与试验数据准确性上更可靠，因此青砂岩的取样具有较好的完整性。

试验前先对岩样进行超声波筛选，选出的纵波速度在3700 m/s 左右，保证所取的岩样抗压强度在70 MPa 左右，进一步对岩样做预制裂隙处理，分别制作未经处理无预制裂隙，0°、30°、45°、60°、90°预制裂隙，其中，预制裂隙的角度是以水平线和预制裂隙之间取顺时针方向的夹角。试验采用的设备为30 t 微机控制试验机，试验岩样分组见图1。

图1 岩石试样

1.3 试验结果

试验设每3 个岩样为一组，测得所有岩样的单轴抗压强度Rc和弹性模量E，取平均值，并选择45°预制裂隙角度下的岩样以80%荷载强度下循环加载10～50 次，得出单轴抗压强度和弹性模量的变化情况。以岩石抗压强度试验标准，取岩样破坏时的单轴抗压强度，并取岩样弹性阶段的终点、起点应力的差与终点、起点应变的差的比值为岩石弹性模量。试验结果见表1。

表1 试验结果

2 试验分析

2.1 应力应变分析

对无预制裂隙的岩样和预制裂隙为0°、30°、45°、60°、90°的岩样做单轴抗压强度测试，得出应力曲线和应变曲线，如图2 和图3 所示。

图2 不同预制裂隙角度下的应力

图3 不同预制裂隙角度下的应变

从图2 和图3 可以看出，最左侧的无预制裂隙的岩样的弹性阶段的应力应变会明显高于有预制裂隙的岩样，其中，应力相差更是明显，但在预制裂隙0°时处于最低阶段，也就是相比无预制裂隙时的应力下降最多，而后随着预制裂隙角度增加，应力变化趋势变得平缓，从总体变化趋势上来说，预制裂隙的存在很大程度上降低了青砂岩的应力。如图4 所示，在应变变化上也是0°时降低最多，说明预制裂隙对青砂岩的弹性阶段产生很大影响。有裂隙的存在时，弹性阶段的应力应变都在下降，应力应变有相似变化情况，两者的下降，表明岩样的弹性阶段有前移的变化，在应力-应变曲线峰前段的分为裂隙压密，岩石单轴压缩时受挤压，岩样内的孔隙被挤密，单位应变存储的应变能增多[16]，岩石提前出现弹性阶段。

2.2 单轴抗压强度和弹性模量

含不同角度预制裂隙的青砂岩单轴抗压强度和弹性模量如图4 和图5 所示。

图4 不同预制裂隙角度下的单轴抗压强度

图5 不同预制裂隙角度下的弹性模量

由图4 和图5 可知，带有预制裂隙的岩样相比无预制裂隙岩样其单轴抗压强度Rc和弹性模量E都下降，其中，预制裂隙90°时的Rc下降最少，为12.38%，预制裂隙为0°和30°时，Rc下降最多，分别为59.32%和62.01%。E的变化也有相似之处，在0°和30°预制裂隙条件下，E下降最多，分别为50.35%和49.12%。45°、60°和90°预制裂隙下的下降幅度相近，都在25%左右。此时，90°预制裂隙下的E与Rc的下降趋势有所变化，因为90°预制裂隙在岩样竖直方向上存在裂隙，竖向应力在传递时会有一部分缺失，减小竖向压缩的压应力，但该情况对应变的影响不大，所以60°～90°预制裂隙对岩样的E有较大影响，而对岩样Rc影响不大。

2.3 综合分析

综合分析各岩样的应力-应变曲线，如图6 所示，从各组数据取出的均值曲线与期望曲线一致，分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。从整体上能看出0°、30°、45°的预制裂隙的应力-应变曲线相近且相似，如图7 所示，在达到破坏应力前，有一段突然下降过程，即应力突然降低，而应变持续升高阶段，应力-应变曲线变化的拐角处，在试验过程中能听到一声清脆的轻微响声，这是因为预制裂隙的角度倾斜，裂隙上下两个相距非常近的截面上，上下都受力，达到一定压力的瞬间，裂隙被挤压瞬时靠近，声音也是此时上下面碰撞发出。并且，这3 个角度的破坏强度相比无预制裂隙的条件下降较大。即在承受相同加载力的情况下，这3 种角度的预制裂隙在破坏之前已经承受不住压力，提前表现出破坏的征兆。如图8 所示，无预制裂隙、60°、90°的应力-应变曲线也是相近相似，60°和90°的预制裂隙条件下，破坏强度没有随着角度的增加而降低，相比无预制裂隙条件的应力，下降很少。

图6 不同角度预制裂隙的应力-应变曲线

图7 预制0°、30°、45°裂隙的应力-应变曲线

图8 预制无角度、60°、90°裂隙应力-应变曲线

如图9 所示，试验连续进行，中途不改变试验装置的设置以及试验样品的位置等，1～10 次循环的应力-应变曲线在应变为0.2 以前出现一段靠近0应力的平滑曲线，因为在无循环加载时，第一次单轴加压会使岩石内部挤密，也就是岩样已经经过了挤密阶段，且挤密阶段不可逆，后面再进行循环加载时，和初始岩样相比少一个阶段，所以实际对比分析取的1～10 次试验数据。在预制裂隙45°循环10 次条件下，1～10 次循环的应力-应变曲线几乎重合，变化不大，但相比无循环时的应力应变曲线，上升趋势相同。

图9 预制裂隙45°下10 次循环应力-应变曲线

在多次调整循环、各种预制裂隙角度和循环加载条件后，发现无循环加载条件下的80%左右加载应力时，岩样不会在循环次数以内破坏，而且循环后的各项力学性质变化明显。同理，试验得出45°预制裂隙条件下循环加载的岩样各项力学性质变化明显，利于分析对比。以无循环加载条件下的80%均值单轴抗压强度为循环加载点，分别对45°预制裂隙岩样循环加载10 次、20 次、30 次、40 次、50 次，如图10 和图11 所示，循环加载后的应力应变相比0 次（未循环加载）时要低，但在循环加载后，10～20 次循环加载下的应力应变都有小幅上升，应力在30 次循环加载后变化很小，应变变化也相对平缓。如图12 所示，单轴抗压强度Rc在开始循环加载后，持续上升，循环次数达到30 次时，上升趋于平缓。如图13 所示，弹性模量E随着循环次数增加而增加，但都比未循环加载下的要小，因为开始循环加载后，压缩应力会使岩样挤密，导致E的各个阶段前移，但应力未引起较大变化。而达到30 次循环加载时，Rc趋于稳定状态，这也是挤密的结果。不断的循环加载使得岩样内孔隙变小，变得密实，循环达到一定次数就不再增加。这也说明岩样不仅在完好无裂隙下受压缩应力时会挤密使其强度小幅上升，在有预制裂隙存在的情况下受压也会使其强度小幅上升。