基于花岗岩卸荷试验的损伤变形特征及其强度准则

　　1 引 言

　　随着我国三峡工程、西部大开发、西电东输及南水北调等大型工程的建设，必定会遇到大量的岩体高边坡、地下厂房、大型地下洞室等工程的开挖，其开 挖过程主要是卸荷。卸荷条件下岩体力学材料参数会产生损伤，其力学特性与加载时有着本质区别[1]。对于加载条件下岩石的变形及其破裂机制的研究成果较 多，它们是当今岩(石)体力学的主要成果之一[2～4]。

　　近年来，随着岩石力学的深入发展及其工程建设的需要，关于岩石卸荷特性的研究已取得一定进展，这些成果概括起来，主要存在如下 4 个问题：

　　(1) 对岩体卸荷破坏机制缺乏深入的研究，没有分析对卸荷岩石破坏起主要作用的侧向变形及其体积变形规律[5～7]。(2) 缺乏卸荷岩石破坏特征及其演化机制研究[8，9]。(3) 没有考虑岩石在卸荷点处材料参数损伤劣化效应及其损伤因子变化规律[5～9]。(4) 在分析抗剪强度参数时，大多采用 Mohr-Coulomb破裂准则，然而大量的理论和试验成果[10]表明，在高应力条件下，Mohr-Coulomb 强度准则已不能很好的包络应力 Mohr 圆，需要提出适合深部岩石破坏的强度准则。

　　正处设计中的大渡河大岗山水电站地下厂房区位于高地应力区，其开挖区的最大主应力达 26.9MPa，开挖区的岩石多为质地坚硬的花岗岩。本文拟开展室内岩石卸荷试验，研究卸荷过程中岩石的破坏特征、力学材料参数损伤劣化规律及其破裂强度 准则，为该工程的开挖稳定分析及开挖完成后的围岩支护设计提供理论依据，也给其他同类工程提供有效参考。

　　2 试验方案

　　2.1 试验条件

　　试验是在中国科学院武汉岩土力学研究所的MTS815.03 型压力试验机上进行的。该试验机是美国 MTS 公司生产的专门用于岩石、混凝土试验的多功能电液伺服控制的刚性压力装置，配有伺服控制的全自动三轴加压和测量系统。试验中所用的花岗岩岩样取自大渡河流 域大岗山电站，此种花岗岩呈灰白色，主要成分为石英、长石、角闪石、黑云母及少量胶结物，岩样在天然含水状态下纵波波速为 3 201～3 801 m/s、密度为2.61 g/cm3，岩样尺寸为φ 50 mm×100 mm，其单轴抗压强度为 164.6 MPa。

　　2.2 卸荷应力路径

　　依据大岗山水电站地下厂房围岩的实际应力环境并结合已有研究成果，本文采用了 2 种卸围压卸荷方案。

　　2.2.3 方案 III：常规三轴压缩试验

　　为了研究研究岩样在卸荷时的损伤劣化效应及其对比分析，还设计了不同围压水平下的常规三轴试验，其岩样围压设计水平分别为 20，30，40，50，60 MPa。