第7期 张后全等：岩石厚壁圆筒三向压缩下的卸荷试验与岩石强度破坏 ·801 岩中有张拉性断裂的情况在更早的时期就有发现， 服三轴压力试验机系统上进行的.该系统由轴向 李世平图在1979年通过上万根锚杆的测力结果表 加载系统、围压系统、水压系统、EDC控制系统以 明其中有相当部分锚杆受到压力作用：通过围岩超 及计算机软件系统等子系统组成，EDC控制系统 声波速测定及钻孔围岩应变测定获得的拉一压交替 由计算机软件系统控制.试验系统的结构形式基 分布现象0都在一定程度上反映了这一结论，尽 本与普通三轴试验机一致，轴力和围压通过油压 管这些现象当时都曾令人困惑. 系统实现，圆筒孔内压力由水压系统施加，该系统 地下围岩处于三轴复杂应力条件下，研究岩石 附有自行设计改造的附加装置的.最大轴力为 在三轴不等压条件下的变形破坏具有重要意义.目 2MN,内、外压均为40MPa.试件由专门研制的同 前，较普遍的是岩石普通三轴试验，但是它要求 心钻加工成外直径为100mm,内孔直径为32mm 02=σ3或者σ2=σ1·用改造后的普通三轴试验机 的圆筒，圆筒高度为200mm左右.壁厚与其内孔半 对岩石圆筒施加荷载，可以进行不同的真三轴试验， 径之比大于0.2. 其中采用岩石厚壁圆筒试件，施加内、外围压及轴向 试件采用徐州铜山灰岩，结构均匀，无明显构造 压力，试件可以出现多种三轴应力状态：通过调节外 缺陷.普通标准加载试验结果表明，该岩石岩性比 荷载的大小，还可以获得更多的应力条件.这种试 较脆，强度峰值后变形曲线急剧跌落，形成较平整光 验方法与通常的真三轴试验不同，试件内的三轴应 滑的斜面破裂.测定该岩石试件的弹性模量为 力分布不是均匀的，故也有称其为多轴试验 17.42GPa,单轴抗压强度为119.69MPa,黏聚力为 (multiaxial test).岩石厚壁圆筒试验，在一定程度上 25.76MPa,内摩擦角为43°，泊凇比为0.3 模拟了围岩的受力状态，有利于揭示地下岩石工程 试验过程的测量内容包括轴力、围压、内压，圆 围岩变形破坏的实质，因此进行这种厚壁圆筒试验 筒内、外壁应变量，以及压力作用时间 是研究岩石地下工程稳定基本理论的一种有价值的 卸压试验可以采用增加轴压一卸围压、保持轴 方法 压一卸围压、保持轴向变形一卸围压等形式，第1种 已有的岩石厚壁圆筒试验采用通常的加载方 方法模拟巷道开挖应力变化状态，第2种方法可 法，研究不同中间主应力对岩石强度和变形的影响， 以反映卸压时的强度，后者反映岩石储存弹性能 也用以说明不同条件下巷道（隧道）的稳定问 释放时的破坏.本次试验主要采用后两种方法. 题-☒.试验荷载包括轴压(p.)、围压(p,)和内压 本次试验由同步施加轴压、围压和内压开始， (p2),一般利用三轴试验机的水压施加内压. 到一定程度后，施加轴压到设计的破坏前压力，然 Alsayed)根据试验结果认为，保持相同的最小主应 后在控制轴向压力或位移恒定时卸内压，最后卸 力（σ：）一致，调控内壁径向应力（σ）或者切向应力 围压，直至内、外压力完全为零或圆筒承载能力完 (σ，)作为第2主应力，破坏时的σ：大小基本一致， 全丧失 即其作用效果相同.Santarelli等详细描述了三 1.2试件破坏形式 种岩石厚壁圆筒的不同破坏形式，砂岩在内壁出现 本次试验的灰岩圆筒试件共九个，最终的破坏 破裂面粗糙的锥形破裂：岩性均匀的白云岩则形成 形式大致可以分成两种，一种是在岩石壁中出现大 几乎平行于岩壁的厚约0.25mm的薄片，并与圆筒 致的环形破裂，同时还有若干径向破裂与之交叉：试 轴线呈大于60°的斜面.三种岩石实验结果均显示， 件的破裂程度不同，严重破裂时环形裂缝不止一圈， 破裂的范围随破坏应力的增加而变大，总体上反映 与径向裂缝交叉构成大小不等的碎块：其次是环向 了岩石厚壁圆筒加载破坏状况与弹塑性理论分析的 破裂显得更严重而径向破裂相对较轻，形成相对较 致性 厚的圆弧形块体；破坏最轻的试件只有裂缝痕迹，或 现有的文献尚无岩石厚壁圆筒卸压方面的试验 者裂缝的开度较小，最大的开缝不足1mm,如图1 研究，其与巷道围岩分区破裂行为的联系更是一个 所示.另一种破坏是破裂环相对不规整、不清晰，或 新的课题 呈不规则多边形，试件H10环形不完整，且裂缝距 1 试验基本情况 圆筒的外缘较近，如图2所示.这种厚壁圆筒高压 卸载壁内环状断裂现象先前从未见文献报道过，与 1.1试验方法 常规的厚壁圆筒高压加载试验结果1-具有明显 本次试验是在TATW-2000微机控制岩石伺 不同第 7 期 张后全等: 岩石厚壁圆筒三向压缩下的卸荷试验与岩石强度破坏 岩中有张拉性断裂的情况在更早的时期就有发现， 李世平［8］在 1979 年通过上万根锚杆的测力结果表 明其中有相当部分锚杆受到压力作用; 通过围岩超 声波速测定及钻孔围岩应变测定获得的拉--压交替 分布现象［9--10］都在一定程度上反映了这一结论，尽 管这些现象当时都曾令人困惑． 地下围岩处于三轴复杂应力条件下，研究岩石 在三轴不等压条件下的变形破坏具有重要意义． 目 前，较普遍的是岩石普通三轴试验，但 是 它 要 求 σ2 = σ3 或者 σ2 = σ1 ． 用改造后的普通三轴试验机 对岩石圆筒施加荷载，可以进行不同的真三轴试验， 其中采用岩石厚壁圆筒试件，施加内、外围压及轴向 压力，试件可以出现多种三轴应力状态; 通过调节外 荷载的大小，还可以获得更多的应力条件． 这种试 验方法与通常的真三轴试验不同，试件内的三轴应 力分布不是均匀的，故 也 有 称 其 为 多 轴 试 验 ( multiaxial test) ． 岩石厚壁圆筒试验，在一定程度上 模拟了围岩的受力状态，有利于揭示地下岩石工程 围岩变形破坏的实质，因此进行这种厚壁圆筒试验 是研究岩石地下工程稳定基本理论的一种有价值的 方法． 已有的岩石厚壁圆筒试验采用通常的加载方 法，研究不同中间主应力对岩石强度和变形的影响， 也用 以 说 明 不 同 条 件 下 巷 道 ( 隧 道) 的 稳 定 问 题［11--12］． 试验荷载包括轴压( pz ) 、围压( p1 ) 和内压 ( p2 ) ，一般利用三轴试验机的水压施加内压． Alsayed ［13］根据试验结果认为，保持相同的最小主应 力( σ3 ) 一致，调控内壁径向应力( σθ ) 或者切向应力 ( σr) 作为第 2 主应力，破坏时的 σz大小基本一致， 即其作用效果相同． Santarelli 等［14］详细描述了三 种岩石厚壁圆筒的不同破坏形式，砂岩在内壁出现 破裂面粗糙的锥形破裂; 岩性均匀的白云岩则形成 几乎平行于岩壁的厚约 0. 25 mm 的薄片，并与圆筒 轴线呈大于 60°的斜面． 三种岩石实验结果均显示， 破裂的范围随破坏应力的增加而变大，总体上反映 了岩石厚壁圆筒加载破坏状况与弹塑性理论分析的 一致性． 现有的文献尚无岩石厚壁圆筒卸压方面的试验 研究，其与巷道围岩分区破裂行为的联系更是一个 新的课题． 1 试验基本情况 1. 1 试验方法 本次试验是在 TATW--2000 微机控制岩石伺 服三轴压力试验机系统上进行的． 该系统由轴向 加载系统、围压系统、水压系统、EDC 控制系统以 及计算机软件系统等子系统组成，EDC 控制系统 由计算机软件系统控制． 试验系统的结构形式基 本与普通三轴试验机一致，轴力和围压通过油压 系统实现，圆筒孔内压力由水压系统施加，该系统 附有自行设计改造的附加装置［15］． 最大轴力为 2 MN，内、外压均为 40 MPa． 试件由专门研制的同 心钻加工成外直径为 100 mm，内孔直径为 32 mm 的圆筒，圆筒高度为200 mm左右． 壁厚与其内孔半 径之比大于 0. 2． 试件采用徐州铜山灰岩，结构均匀，无明显构造 缺陷． 普通标准加载试验结果表明，该岩石岩性比 较脆，强度峰值后变形曲线急剧跌落，形成较平整光 滑的 斜 面 破 裂． 测定该岩石试件的弹性模量为 17. 42 GPa，单轴抗压强度为 119. 69 MPa，黏聚力为 25. 76 MPa，内摩擦角为 43°，泊松比为 0. 3． 试验过程的测量内容包括轴力、围压、内压，圆 筒内、外壁应变量，以及压力作用时间． 卸压试验可以采用增加轴压--卸围压、保持轴 压--卸围压、保持轴向变形--卸围压等形式，第 1 种 方法模拟巷道开挖应力变化状态，第 2 种方法可 以反映卸压时的强度，后者反映岩石储存弹性能 释放时的破坏． 本次试验主要采用后两种方法． 本次试验由同步施加轴压、围压和内压开始， 到一定程度后，施加轴压到设计的破坏前压力，然 后在控制轴向压力或位移恒定时卸内压，最后卸 围压，直至内、外压力完全为零或圆筒承载能力完 全丧失． 1. 2 试件破坏形式 本次试验的灰岩圆筒试件共九个，最终的破坏 形式大致可以分成两种，一种是在岩石壁中出现大 致的环形破裂，同时还有若干径向破裂与之交叉; 试 件的破裂程度不同，严重破裂时环形裂缝不止一圈， 与径向裂缝交叉构成大小不等的碎块; 其次是环向 破裂显得更严重而径向破裂相对较轻，形成相对较 厚的圆弧形块体; 破坏最轻的试件只有裂缝痕迹，或 者裂缝的开度较小，最大的开缝不足 1 mm，如图 1 所示． 另一种破坏是破裂环相对不规整、不清晰，或 呈不规则多边形，试件 H10 环形不完整，且裂缝距 圆筒的外缘较近，如图 2 所示． 这种厚壁圆筒高压 卸载壁内环状断裂现象先前从未见文献报道过，与 常规的厚壁圆筒高压加载试验结果［11--14］具有明显 不同． ·801·