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地下工程岩石力学本构试验的失真过程 汤 雷 （南京水利科学研究院，江苏，南京，210024） 【摘 要 图1 “挤出”试验装置示意图 4.1 “散开”试验 试验采用的是石膏、水泥、沙子和水的相似材料试块，试块的形状为长方体，在压力机上获得了全过程曲线。在进行的约30个试块的单轴压缩试验中，归纳出其典型的破坏形式如图2中的4幅照片所示。曾有学者报导了40多个岩样的伺服试验机上的全过程压缩试验结果，归纳出典型破坏形式如图2中的4幅线条图所示。对比分析发现两者特点基本是一致的，有一点区别是线条图中表示的张拉裂纹较明显，照片实际上也有张拉裂纹，但不明显。无论是照片还是线条图，存在共同的根本特点是有一个明显的剪切破坏面贯穿试块，它是试块丧失承载能力的根本原因。 a b c d a/ b/ c/ d/ 图2 “散开”试验试块破坏特征 通过对约30个“散开”试验试块裂缝发展过程的观察，将其划分为起裂阶段、扩展阶段、发散阶段和连通阶段。裂缝的发展并不是一定按照图3的次序进展，其中的扩展阶段和发散阶段往往是交替进行的。随着发展阶段和扩散阶段的不同，最终的破坏形式可以归结为图2中所示的任一种。但是裂缝的发展一般有一个核心，就是主剪切裂缝的扩展和贯穿。一旦主剪切裂缝贯穿，试块的承载力就会大幅度降低或者试块散开。 a 起裂阶段 b 扩展阶段 c 发散阶段 d 连通阶段 图3 “散开”试验试块裂缝的发展过程 4.2 “挤出”试验 图4 d 表示了“挤出”试验试块典型的破坏特征，即由浅部向深部逐个地产生基本平行于自由面的裂面，而不产生倾斜的、贯穿试块的剪切破坏面，试块也不存在主裂面。通过对约30个“挤出”试验试块裂缝发展过程的观察，将其划分为起裂阶段、扩展和发散阶段、连通阶段和向深部发展阶段，如图4所示。与“散开”试验不同的是： 1 裂缝的发散不仅有原裂缝上长出分叉裂缝，更主要的是表现为新的裂缝产生和扩展； 2 裂缝的连通并不意味着试块承载力会大幅度下降或丧失； 3 向深部发展阶段是“挤出”试验区别于“散开”试验最显著的过程特点，“散开”试验没有这一阶段。 a 起裂阶段 b 扩展和发散阶段 c 连通阶段 d 向深部发展阶段 图4 “挤出”试验试块裂缝的发展过程 4.3 失真过程分析 岩性参数和本构关系是材料的物质属性，是指岩体中某一点的应变对应力变化的响应，只要材料不发生变化，该性质也应不发生变化。岩石力学本构试验的试块是从岩体中取出的，显然与岩体是同一种材料，为何本构试验会失真呢？其原因在于峰值和峰后阶段裂缝的产生和发展。本构关系是定义在岩体中的质点，在均质各向同性假设下，本构关系便可适应于整个岩体，当然也适应于被取出做试验的试块。又因为质点的应力应变无法测定，试验中便以荷载和变形的测值代替。当出现裂缝以后，荷载和位移关系中不仅包含材料的应力应变关系，而且也包含了裂缝的张开与错动。应力应变关系是材料的物质属性，试块与围岩是一致的，但是由于试块与围岩的裂缝状况不同，随着裂缝的发育与发展，两者荷载和位移关系就会相差得越来越远。岩性参数和本构关系是依据荷载位移关系确定的，因此本构试验失真的根本原因在于裂缝的不同。对比“散开”试验和“挤出”试验： 图5 “散开”和“挤出”试验的荷载位移曲线 1 失真是从起裂阶段开始的，但这一阶段失真并不明显，除了两者的起裂具有相似性以外，裂缝造成的荷载和位移的变化在总荷载和位移中所占的比例较小； 2 在经历扩展、发散和连通等阶段的过程中，裂缝造成的荷载和位移的变化在总荷载和位移中所占的比例越来越大，并逐渐成为其主要部分，则失真也越来越明显； 3 最终“散开”试块的裂缝少而疏，有一个主裂缝，“挤出”试块的裂缝多而密，没有主裂面，两者相差悬殊，失真也达到最大。 图5为典型的单轴压缩和平面应变压缩的荷载位移曲线，试块6和7为单轴压缩，试块17和19为平面应变压缩。在图5中可将各阶段划分为：AB为起裂阶段，BC为扩展和发散阶段，CD为连通阶段；A/B/为起裂阶段，B/C /为扩展、发散和连通阶段，C/D /为向深部发展阶段。 假设微小增量范围内荷载位移关系是线性的，分别依据“散开”试验和“挤出”试验测得的σ1、ε1和ε3（计9个试块的数据，包括图5中4个试块），计算峰前的压缩模量E和峰后弱化模量Y 单位塑性应变增量εp所引起的岩样承载力的降低 。在σ1/σ1max 0~0.5区域，两者峰前压缩模量E值约在0.5~2.0GPa范围内，平均值约为1.0GPa；在σ1/σ1max 0.5~0.8区域，单轴压缩试块的E值仍在0.5~2.0GPa范围内，平均值约为1.1GPa，但平面应变试块的E值有所的降低，其平均值只有0.3GPa；在峰后的σ1/σ1max 0.8~0.2区域，单轴压缩试块