岩石厚壁圆筒三向压缩下的卸荷试验与岩石强度破坏

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2011.07.003 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 岩石厚壁圆简三向压缩下的卸荷试验与岩石强度破坏 张后全12四刘红岗2》 贺永年) 韩立军) 1)中国矿业大学深部岩士力学与地下工程国家重点实验室，徐州2210082)中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州221008 ☒通信作者，E-mail:52zhq@163.com 摘要为研究地下工程开挖影响，采用厚壁圆筒多轴应力试验，对试样施加较高的轴对称内、外壁压力及轴向荷载后，进行 内、外壁卸荷破坏试验.试验的破坏结果是在厚壁圆简壁间形成环向主要破裂面.这一破裂现象在以往相关文献中未见报 道，与通常弹塑性理论分析的较高应力发生在圆筒内缘、破坏从内缘开始的结论不同.这一结果与深部矿山巷道围岩出现的 分区破裂(zonal disintegration).现象类似. 关键词岩石力学；厚壁圆筒：卸荷：缺陷结构：失效分析 分类号TU458 Unloading experiment and rock strength failure of rock thick-walled cylinders under triaxial compression ZHANG Hou-quan,LIU Hong-gang?,HE Yong-nian,HAN Li-jun) 1)State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining Technology,Xuzhou 221008,China 2)School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining Technology,Xuzhou 221008,China Corresponding author,E-mail:52zhq@163.com ABSTRACT In order to study the excavation effect in underground engineering,multiaxial tests were adopted on rock thick-walled cylinders.First,high axial pressure,confining pressure and inner pressure were applied on the cylinder samples.Then,inner and confining pressures were unloaded in time order.The experimental results show that a main ringlike failure surface forms in the thick wall of the cylinders.This kind of ringlike failure phenomenon,which is different from the result of failure initiated at the inner surface for the cylinders under high pressure based on general elastic-plastic analysis,has not been reported in published literatures so far. This experimental result is similar to intermittent zonal fracturing characteristics of deep underground roadways after excavation. KEY WORDS rock mechanics:thick-walled cylinders;unloading:defect structures;failure analysis 采矿是人类在地下深处最大规模的活动.目 行了较多研究)，包括卸荷改变岩性以及卸荷导 前，世界最深的矿井已经达到4000余米，深的山岭 致破坏等，但至今这方面仍有些问题尚不清楚. 隧道、地下水工隧洞已经有2000余米，岩层条件比 80年代，南非、俄罗斯在深部矿井巷道中发 较差（岩性软弱且含瓦斯等）的煤矿，也有1500m 现围岩破裂存在间隔性分区化现象（zonal disinte-- 以上.这些深处岩石处于三向高压力状态，按自重 gration),这引起了国内外学者关注.这种围岩破裂 应力考虑，竖向原岩应力己经达到40~100MPa. 的特点是主断裂面不在巷道周边，而是距巷道壁一 通常，地下工程施工的第1个步骤就是开挖. 定距离处，且其基本与巷道轮廓平行，并和次破裂区 开挖后围岩形成临空面，开挖的卸荷效应不可避免. 域呈间隔分布.这种破坏形式与一般弹塑性理论分 在地下深部，这种近百兆帕的卸荷影响显然不可忽 析结论不同，围岩的破裂在主应力面上，属于张 视.陈宗基先生在20世纪80年代就提出了开挖引 拉应力作用为主的破坏形式.近期国内通过对深部 起弹性能释放变形问题而，以后国内对卸荷问题进 矿井巷道实测，也发现有类似情况).其实，巷道围 收稿日期：2010-07-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50804046;No.50490273:No.50774082)

第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 岩石厚壁圆筒三向压缩下的卸荷试验与岩石强度破坏 张后全1，2)  刘红岗2) 贺永年1) 韩立军1) 1) 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221008 2) 中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州 221008  通信作者，E-mail: 52zhq@ 163． com 摘 要 为研究地下工程开挖影响，采用厚壁圆筒多轴应力试验，对试样施加较高的轴对称内、外壁压力及轴向荷载后，进行 内、外壁卸荷破坏试验． 试验的破坏结果是在厚壁圆筒壁间形成环向主要破裂面． 这一破裂现象在以往相关文献中未见报 道，与通常弹塑性理论分析的较高应力发生在圆筒内缘、破坏从内缘开始的结论不同． 这一结果与深部矿山巷道围岩出现的 分区破裂( zonal disintegration) 现象类似． 关键词 岩石力学; 厚壁圆筒; 卸荷; 缺陷结构; 失效分析 分类号 TU458 Unloading experiment and rock strength failure of rock thick-walled cylinders under triaxial compression ZHANG Hou-quan1，2)  ，LIU Hong-gang2) ，HE Yong-nian1) ，HAN Li-jun1) 1) State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221008，China 2) School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221008，China  Corresponding author，E-mail: 52zhq@ 163． com ABSTRACT In order to study the excavation effect in underground engineering，multiaxial tests were adopted on rock thick-walled cylinders． First，high axial pressure，confining pressure and inner pressure were applied on the cylinder samples． Then，inner and confining pressures were unloaded in time order． The experimental results show that a main ringlike failure surface forms in the thick wall of the cylinders． This kind of ringlike failure phenomenon，which is different from the result of failure initiated at the inner surface for the cylinders under high pressure based on general elastic-plastic analysis，has not been reported in published literatures so far． This experimental result is similar to intermittent zonal fracturing characteristics of deep underground roadways after excavation． KEY WORDS rock mechanics; thick-walled cylinders; unloading; defect structures; failure analysis 收稿日期: 2010--07--26 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No． 50804046; No． 50490273; No． 50774082) 采矿是人类在地下深处最大规模的活动． 目 前，世界最深的矿井已经达到 4 000 余米，深的山岭 隧道、地下水工隧洞已经有 2 000 余米，岩层条件比 较差( 岩性软弱且含瓦斯等) 的煤矿，也有 1 500 m 以上． 这些深处岩石处于三向高压力状态，按自重 应力考虑，竖向原岩应力已经达到 40 ～ 100 MPa． 通常，地下工程施工的第 1 个步骤就是开挖． 开挖后围岩形成临空面，开挖的卸荷效应不可避免． 在地下深部，这种近百兆帕的卸荷影响显然不可忽 视． 陈宗基先生在 20 世纪 80 年代就提出了开挖引 起弹性能释放变形问题［1］，以后国内对卸荷问题进 行了较多研究［2--3］，包括卸荷改变岩性以及卸荷导 致破坏等，但至今这方面仍有些问题尚不清楚． 80 年代，南非、俄罗斯［4--5］在深部矿井巷道中发 现围岩破裂存在间隔性分区化现象( zonal disinte￾gration) ，这引起了国内外学者关注． 这种围岩破裂 的特点是主断裂面不在巷道周边，而是距巷道壁一 定距离处，且其基本与巷道轮廓平行，并和次破裂区 域呈间隔分布． 这种破坏形式与一般弹塑性理论分 析结论［6］不同，围岩的破裂在主应力面上，属于张 拉应力作用为主的破坏形式． 近期国内通过对深部 矿井巷道实测，也发现有类似情况［7］． 其实，巷道围 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.003

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·

·802· 北京科技大学学报 第33卷 H7 H9 H92 图1厚壁圆筒岩样破坏形式(I) Fig.1 Failure patterns (I)of rock thick-walled cylinders H8 H10 图2厚壁圆筒岩样破坏形式（Ⅱ） Fig.2 Failure patterns (II)of rock thick-walled cylinders 2试验结果分析 圆筒壁内的径向和切向弹性应力是半径，的函 数（以压为正）， PiRi-P2R2 (p:-p2)RiRi 0,= R-R r2(R-R) (1) PiRi-P2R2 (p1 -pa)RRi 0g= (2) R-R2(R-R) 图3灰岩H8破坏后的碎块形式 轴向应力分布均匀.根据荷载结构形式，轴向应 Fig.3 Failure pattern of limestone H8 力为： P: Po P2R2 因为无法用肉眼或仪器监测圆筒试件破坏 .(RRi-R (3) (裂)过程，因此现有圆筒试验的普遍做法是以爆裂 式中，Po为试验机的轴向压力，kN. 声响、同时出现轴压跌落判别其强度破坏性质. 因为试验采用围压和内压同步加载，内压先卸 本次试验表明，圆筒试件最先的破坏（裂）可能发生 载或与围压同步卸载，因此根据上面应力表达 在内壁或其他地方.当内壁有分布压力作用时，即 式(1)、式(2)可知，圆筒内无论径向或切向应力，均 使内壁己经出现这种轴向破坏（裂）面，圆筒的轴向 一直处于压缩状态.岩石圆筒试验的破坏面纵向基 承载能力并不一定会丧失.图4和图5为灰岩7的 本平行于试件的轴向，试件横截面上破坏面呈大致 内壁水平（径向）应变与外壁轴向应变随时间的变 的环向及径向，三个破坏面均与主平面一致，也即破 化过程.由图4可知，内壁在2700s左右应变片出 坏属于张拉性质，也可以从试验后打开试件的破碎 现突跳失效，而外壁轴向出现压力降要晚得多. 形式看出（图3）. 本次试验的试件破坏一般是在内压减小到较小

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 1 厚壁圆筒岩样破坏形式( Ⅰ) Fig． 1 Failure patterns ( Ⅰ) of rock thick-walled cylinders 图 2 厚壁圆筒岩样破坏形式( Ⅱ) Fig． 2 Failure patterns ( Ⅱ) of rock thick-walled cylinders 2 试验结果分析 圆筒壁内的径向和切向弹性应力是半径 r 的函 数( 以压为正) ， σr = p1R2 1 － p2R2 2 R2 1 － R2 2 － ( p1 － p2 ) R2 2R2 1 r 2 ( R2 1 － R2 2 ) ( 1) σθ = p1R2 1 － p2R2 2 R2 1 － R2 2 + ( p1 － p2 ) R2 2R2 1 r 2 ( R2 1 － R2 2 ) ( 2) 轴向应力分布均匀． 根据荷载结构形式，轴向应 力为: σz = pz π( R2 1 － R2 2 ) = p0 π( R2 1 － R2 2 ) － p2R2 2 R2 1 － R2 2 ( 3) 式中，p0为试验机的轴向压力，kN． 因为试验采用围压和内压同步加载，内压先卸 载或与围压同步卸载，因此根据上面应力表达 式( 1) 、式( 2) 可知，圆筒内无论径向或切向应力，均 一直处于压缩状态． 岩石圆筒试验的破坏面纵向基 本平行于试件的轴向，试件横截面上破坏面呈大致 的环向及径向，三个破坏面均与主平面一致，也即破 坏属于张拉性质，也可以从试验后打开试件的破碎 形式看出( 图 3) ． 图 3 灰岩 H8 破坏后的碎块形式 Fig． 3 Failure pattern of limestone H8 因为无法用肉 眼 或 仪 器 监 测 圆 筒 试 件 破 坏 ( 裂) 过程，因此现有圆筒试验的普遍做法是以爆裂 声响、同时出现轴压跌落判别其强度破坏性质［14］． 本次试验表明，圆筒试件最先的破坏( 裂) 可能发生 在内壁或其他地方． 当内壁有分布压力作用时，即 使内壁已经出现这种轴向破坏( 裂) 面，圆筒的轴向 承载能力并不一定会丧失． 图 4 和图 5 为灰岩 7 的 内壁水平( 径向) 应变与外壁轴向应变随时间的变 化过程． 由图 4 可知，内壁在 2 700 s 左右应变片出 现突跳失效，而外壁轴向出现压力降要晚得多． 本次试验的试件破坏一般是在内压减小到较小 ·802·

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 ·803 600 (间隔性的环状断裂)而且极其“神似”（张拉破坏性 质)，与深部岩体开挖时出现的分区破裂属于同类 400 现象.这种厚壁圆筒试件高压卸载试验为深入研究 200 深部围岩分区断裂现象提供了一种新的研究方法和 途径. -200 然而，令人遗憾的是，由于试件较小，再加上加 4006 载系统压力较小，环状破裂圈数有限，只有试件灰岩 50010001500200025003G00 时间s H7与灰岩H8出现了依稀可见的两圈. 图4内壁环向应变一时间曲线 4岩石强度破坏讨论 Fig.4 Circumferential strain-time curve of the inner surface 4.1岩石强度破坏及其承载能力 1200 试验表明，岩石试件出现破裂与其承载能力丧 1000 失并不一致.岩石是具有缺陷（裂隙）的地质材料， 800 就如格列菲斯强度理论所表明的，即使在三向受压 时，破裂也往往是首先从微裂隙开裂开始：直到形成 400 试件断裂，获得岩石强度值.断裂后的岩石承载能 力并未完全丧失，其承载能力的大小由断裂形成的 200 破裂体结构形式和破裂块体的强度，以及约束条件 1000 15002000250030003500 时间/s 所决定.例如，在筒壁环向有约束情况下，圆筒试件 的纵向开裂对其承载能力的影响就较小.对于一般 图5轴力一加载时间曲线 的岩石压缩试验，在强度极限后，试件岩石块体结构 Fig.5 Axial stress-oading time curve 也存在一定承载力.实验证明，岩石单轴压缩变形 时开始听到破裂声响，以后会有连续的破裂声响，但 性质在峰值时出现突变a,峰值后的变形曲线就是 是轴向压力仍能保持；一直到内压完全卸除、围压卸 破裂块体间的滑移与破裂结构承载能力之间的相互 到很小或完全卸除后，试件的轴向荷载突然跌落：但 关系 无法观测到破裂声响过程中的破裂形式、试件破坏 区分岩石的强度破坏和承载力丧失有时是比较 程度 困难的.格列菲斯强度理论和莫尔~库伦理论间最 3厚壁圆筒卸载环形断裂与分区破裂联系 终的强度差别，在于前者考虑的是裂隙开裂，后者以 试件的破坏为判据 对照图6可见，分区破裂现象本质特征有两点： 认识岩石强度破坏与承载能力丧失的不同，对 (1)破裂区和未破裂区间隔交替出现；(2)裂隙面平 地下工程实际具有重要意义.以往评价地下工程稳 行于巷道轮廓，与巷道形状相似一张拉破坏. 定与否的根据是围岩应力不超过岩石强度的条件， 或者根据围岩的“塑性”区域大小.实际上许多地下 o/MPa 工程（尤其是矿山等深部工程）都是在破碎围岩中 施工，最需要维护的也是破碎围岩的稳定.因此，考 虑围岩强度破坏后的结构作用是地下工程稳定的一 项重要原则 4.2卸荷试验的试件劈裂破坏 关于岩石劈裂破坏，Paterson曾有专门论述切， 但其并未说明同样的岩石可以引起劈裂或斜剪的不 同破坏形式的原因；也没有相应的强度理论解释或 图6间隔性区域断裂现象 评价劈裂破坏.岩石在单轴压缩或低围压条件下出 Fig.6 Intermittent zonal disintegration phenomenon 现劈裂破坏是常有的现象，如当岩性较脆、荷载速率 显然，厚壁圆筒壁内环状断裂（图1和图2）满 略快或者是冲击式荷载时.本次试验与许多卸荷试 足上述两个特点，不仅与深部围岩分区破裂“形似” 验资料8-9同样表明，因卸荷引起的试件破坏，经

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 图 4 内壁环向应变--时间曲线 Fig． 4 Circumferential strain-time curve of the inner surface 图 5 轴力--加载时间曲线 Fig． 5 Axial stress-loading time curve 时开始听到破裂声响，以后会有连续的破裂声响，但 是轴向压力仍能保持; 一直到内压完全卸除、围压卸 到很小或完全卸除后，试件的轴向荷载突然跌落; 但 无法观测到破裂声响过程中的破裂形式、试件破坏 程度． 3 厚壁圆筒卸载环形断裂与分区破裂联系 对照图 6 可见，分区破裂现象本质特征有两点: ( 1) 破裂区和未破裂区间隔交替出现; ( 2) 裂隙面平 行于巷道轮廓，与巷道形状相似———张拉破坏． 图 6 间隔性区域断裂现象 Fig． 6 Intermittent zonal disintegration phenomenon 显然，厚壁圆筒壁内环状断裂( 图 1 和图 2) 满 足上述两个特点，不仅与深部围岩分区破裂“形似” ( 间隔性的环状断裂) 而且极其“神似”( 张拉破坏性 质) ，与深部岩体开挖时出现的分区破裂属于同类 现象． 这种厚壁圆筒试件高压卸载试验为深入研究 深部围岩分区断裂现象提供了一种新的研究方法和 途径． 然而，令人遗憾的是，由于试件较小，再加上加 载系统压力较小，环状破裂圈数有限，只有试件灰岩 H7 与灰岩 H8 出现了依稀可见的两圈． 4 岩石强度破坏讨论 4. 1 岩石强度破坏及其承载能力 试验表明，岩石试件出现破裂与其承载能力丧 失并不一致． 岩石是具有缺陷( 裂隙) 的地质材料， 就如格列菲斯强度理论所表明的，即使在三向受压 时，破裂也往往是首先从微裂隙开裂开始; 直到形成 试件断裂，获得岩石强度值． 断裂后的岩石承载能 力并未完全丧失，其承载能力的大小由断裂形成的 破裂体结构形式和破裂块体的强度，以及约束条件 所决定． 例如，在筒壁环向有约束情况下，圆筒试件 的纵向开裂对其承载能力的影响就较小． 对于一般 的岩石压缩试验，在强度极限后，试件岩石块体结构 也存在一定承载力． 实验证明，岩石单轴压缩变形 性质在峰值时出现突变［16］，峰值后的变形曲线就是 破裂块体间的滑移与破裂结构承载能力之间的相互 关系． 区分岩石的强度破坏和承载力丧失有时是比较 困难的． 格列菲斯强度理论和莫尔 － 库伦理论间最 终的强度差别，在于前者考虑的是裂隙开裂，后者以 试件的破坏为判据． 认识岩石强度破坏与承载能力丧失的不同，对 地下工程实际具有重要意义． 以往评价地下工程稳 定与否的根据是围岩应力不超过岩石强度的条件， 或者根据围岩的“塑性”区域大小． 实际上许多地下 工程( 尤其是矿山等深部工程) 都是在破碎围岩中 施工，最需要维护的也是破碎围岩的稳定． 因此，考 虑围岩强度破坏后的结构作用是地下工程稳定的一 项重要原则． 4. 2 卸荷试验的试件劈裂破坏 关于岩石劈裂破坏，Paterson 曾有专门论述［17］， 但其并未说明同样的岩石可以引起劈裂或斜剪的不 同破坏形式的原因; 也没有相应的强度理论解释或 评价劈裂破坏． 岩石在单轴压缩或低围压条件下出 现劈裂破坏是常有的现象，如当岩性较脆、荷载速率 略快或者是冲击式荷载时． 本次试验与许多卸荷试 验资料［18--19］同样表明，因卸荷引起的试件破坏，经 ·803·

·804· 北京科技大学学报 第33卷 常出现明显的劈裂破坏形式 ahead of stope faces in deepevel gold mines.I S Afr Inst Min 岩石的破坏总是从微裂隙的张裂开始，这就孕 Metall,1980,80:204 [5] Shemyakin E I,Fisenko G L,Kurlenya M V,et al.Zonal disinte- 育着岩石张裂破坏的可能.岩石内格列菲斯裂纹起 gration of rocks around underground workings:Part I.Data of in 裂的最不利朝向与应力条件有关，如设裂纹长轴与 situ observation.Rock Mech Rock Pressure,1986,22(4):157 最大主应力间的夹角为B,则有0： [6] Kastner H.Static Des Tunnel-Und Stollenbaues.Translated by 01-03 Tongji University.Shanghai:Shanghai Science and Technology c02B=2(G,+03) (4) Pres5,1980 由式(4)可知，B角是σ1的减函数，即σ1越大， (Kastner H.隧道与坑道静力学.同济大学译.上海：上海科 首先沿着最大主应力朝向开裂，即形成轴向劈裂；格 学技术出版社，1980) 7] Li S C,Wang H P,Qian Q H,et al.Insitu monitoring research 列菲斯理论还表明，破裂面的进一步扩展将趋向最 on zonal disintegration of surrounding rock masses in deep mine 大主应力方向.可见，，越大，劈裂破坏的可能性 roadways.Chin J Rock Mech Eng,2008,27(8):1545 越大.卸荷试验过程的一个特点，正是在足够的围 (李术才，王汉鹏，钱七虎，等.深部巷道围岩分区破裂化现 压条件下，轴向压力可以处在较高水平. 象现场监测研究.岩石力学与工程学报，2008,27(8)：1545) 如果微裂隙开裂及后续扩展未造成试件断裂， [8]Li S P.Observation report of anchor test in roadways of Quantai Coal Mine-and discussion on new viewpoint of anchor characteris- 则微裂纹的闭合将破坏向剪切性质发展，这就是修 tics and parameter selection.J China Unig Min Technol,1979 正格列菲斯强度理论的依据.但是，卸荷试验不存 (4):19 在开裂的裂纹后续闭合的条件，这些因素就促成了 (李世平.权台煤矿煤巷锚杆试验观测报告一兼论煤巷锚 卸荷试验多有劈裂破坏的形式， 杆特点与参数选择新观点.中国矿业学院学报，1979(4)：19) [9]He Y N.Analysis of loose zone around the roadway in soft rock. 5结论 China Coal Soc,1991,16(2):63 (贺永年.软岩巷道围岩松动带及其状态分析.煤炭学报， 采用岩石厚壁圆筒卸荷试验，揭示了岩石破坏 1991,16(2):63) 的一些新现象，它与一般的弹塑性理论结论不完全 [10]Fang ZL.Maintenance mechanism and control measures in soft 相同，劈裂张拉形破坏也是现有强度理论所未涉及 roadways /He M C.Eds.Support Theory and Practice of Sof 的内容：岩石的强度条件与其承载能力的区别，也因 Mine Roadways in China.Xuzhou:China University of Mining 为地下岩石工程通常处于受压条件下而成为必须要 and Technology Press,1996:64 (方祖烈.软岩巷道维护原理与控制措施//何满潮.中国煤 注意的问题.本文也说明了岩石这种含裂隙缺陷材 矿软岩巷道支护理论与实践。徐州：中国矿业大学出版社， 料强度和破坏具有自身的特点，与传统的观念不完 1996:64) 全一致，值得深入研究 [11]Hosking E R.The failure of thick walled hollow cylinders of iso- 由于实验条件的限制，还不能清楚岩石厚壁圆 tropic rocks.Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1969,6 筒环形断裂的详细破裂过程.因此，进一步开发适 (1):99 合于岩石的实验研究条件，对认识岩石基本特性也 [12]Gay N C.Fracture growth around openings in thick-walled cylin- ders of rock subjected to hydrostatic compression.Int I Rock 具有重要意义. Mech Min Sci Geomech Abstr,1973,10(3):209 [13]Alsayed M I.Utilising the Hoek triaxial cell for multiaxial testing 参考文献 of hollow rock eylinders.Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr, [Chen ZJ.The mechanical problems for the long-term stability of 2002,39(3):355 underground galleries.Chin J Rock Mech Eng,1982,1(1):1 [14]Santarelli F J,Brown E T.Failure of three sedimentary rocks in (陈宗基.地下巷道长期稳定性的力学问题.岩石力学与工程 triaxial and hollow cylinder compression tests.Int J Rock Mech 学报，1982,1(1)：1) Min Sci Geomech Abstr,1989,26(5):401 2]Wu YS,Li J D.Unloading properties of marble.Rock Soil Mech, [15]Liu H G.Triaxial Test Research of Rock Unloading Failure Be- 1984,5(1):29 hatior [Dissertation].Xuzhou:China University of Mining and (吴玉山，李纪鼎.大理岩卸载力学特性的研究.岩土力学， Technology,2007) 1984,5(1):29) (刘红岗.岩石卸荷破环特性的三轴试验研究[学位论文] B3]You M Q,Hua A Z.Triaxial confining depressure test of rock 徐州：中国矿业大学，2007) sample.Chin J Rock Mech Eng,1998,17(1):24 [16]Zhou J J.Research on Rock Failure Evolution and Strength Deg- (尤明庆，华安增.岩石试样的三轴卸围压试验。岩石力学与 radation [Dissertation].Xuzhou:China University of Mining 工程学报，1998,17(1)：24) and Technology,2006 [4]Admas G R,Jager A J.Petroscopic observations of rock fracturing (周纪军.岩石破坏的演变过程及强度衰减研究[学位论

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 常出现明显的劈裂破坏形式． 岩石的破坏总是从微裂隙的张裂开始，这就孕 育着岩石张裂破坏的可能． 岩石内格列菲斯裂纹起 裂的最不利朝向与应力条件有关，如设裂纹长轴与 最大主应力间的夹角为 β，则有［20］: cos2β = σ1 － σ3 2( σ1 + σ3 ) ( 4) 由式( 4) 可知，β 角是 σ1 的减函数，即 σ1 越大， 首先沿着最大主应力朝向开裂，即形成轴向劈裂; 格 列菲斯理论还表明，破裂面的进一步扩展将趋向最 大主应力方向． 可见，σ1 越大，劈裂破坏的可能性 越大． 卸荷试验过程的一个特点，正是在足够的围 压条件下，轴向压力可以处在较高水平． 如果微裂隙开裂及后续扩展未造成试件断裂， 则微裂纹的闭合将破坏向剪切性质发展，这就是修 正格列菲斯强度理论的依据． 但是，卸荷试验不存 在开裂的裂纹后续闭合的条件，这些因素就促成了 卸荷试验多有劈裂破坏的形式． 5 结论 采用岩石厚壁圆筒卸荷试验，揭示了岩石破坏 的一些新现象，它与一般的弹塑性理论结论不完全 相同，劈裂张拉形破坏也是现有强度理论所未涉及 的内容; 岩石的强度条件与其承载能力的区别，也因 为地下岩石工程通常处于受压条件下而成为必须要 注意的问题． 本文也说明了岩石这种含裂隙缺陷材 料强度和破坏具有自身的特点，与传统的观念不完 全一致，值得深入研究． 由于实验条件的限制，还不能清楚岩石厚壁圆 筒环形断裂的详细破裂过程． 因此，进一步开发适 合于岩石的实验研究条件，对认识岩石基本特性也 具有重要意义． 参 考 文 献 ［1］ Chen Z J． The mechanical problems for the long-term stability of underground galleries． Chin J Rock Mech Eng，1982，1( 1) : 1 ( 陈宗基． 地下巷道长期稳定性的力学问题． 岩石力学与工程 学报，1982，1( 1) : 1) ［2］ Wu Y S，Li J D． Unloading properties of marble． Rock Soil Mech， 1984，5( 1) : 29 ( 吴玉山，李纪鼎． 大理岩卸载力学特性的研究． 岩土力学， 1984，5( 1) : 29) ［3］ You M Q，Hua A Z． Triaxial confining depressure test of rock sample． Chin J Rock Mech Eng，1998，17( 1) : 24 ( 尤明庆，华安增． 岩石试样的三轴卸围压试验． 岩石力学与 工程学报，1998，17( 1) : 24) ［4］ Admas G R，Jager A J． Petroscopic observations of rock fracturing ahead of stope faces in deep-level gold mines． J S Afr Inst Min Metall，1980，80: 204 ［5］ Shemyakin E I，Fisenko G L，Kurlenya M V，et al． Zonal disinte￾gration of rocks around underground workings: Part Ⅰ． Data of in situ observation． Rock Mech Rock Pressure，1986，22( 4) : 157 ［6］ Kastner H． Static Des Tunnel-Und Stollenbaues． Translated by Tongji University． Shanghai: Shanghai Science and Technology Press，1980 ( Kastner H． 隧道与坑道静力学． 同济大学译． 上海: 上海科 学技术出版社，1980) ［7］ Li S C，Wang H P，Qian Q H，et al． In-situ monitoring research on zonal disintegration of surrounding rock masses in deep mine roadways． Chin J Rock Mech Eng，2008，27( 8) : 1545 ( 李术才，王汉鹏，钱七虎，等． 深部巷道围岩分区破裂化现 象现场监测研究． 岩石力学与工程学报，2008，27( 8) : 1545) ［8］ Li S P． Observation report of anchor test in roadways of Quantai Coal Mine—and discussion on new viewpoint of anchor characteris￾tics and parameter selection． J China Univ Min Technol，1979 ( 4) : 19 ( 李世平． 权台煤矿煤巷锚杆试验观测报告———兼论煤巷锚 杆特点与参数选择新观点． 中国矿业学院学报，1979( 4) : 19) ［9］ He Y N． Analysis of loose zone around the roadway in soft rock． J China Coal Soc，1991，16( 2) : 63 ( 贺永年． 软岩巷道围岩松动带及其状态分析． 煤炭学报， 1991，16( 2) : 63) ［10］ Fang Z L． Maintenance mechanism and control measures in soft roadways / / He M C，Eds． Support Theory and Practice of Soft Mine Roadways in China． Xuzhou: China University of Mining and Technology Press，1996: 64 ( 方祖烈． 软岩巷道维护原理与控制措施/ /何满潮． 中国煤 矿软岩巷道支护理论与实践． 徐州: 中国矿业大学出版社， 1996: 64) ［11］ Hosking E R． The failure of thick walled hollow cylinders of iso￾tropic rocks． Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr，1969，6 ( 1) : 99 ［12］ Gay N C． Fracture growth around openings in thick-walled cylin￾ders of rock subjected to hydrostatic compression． Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr，1973，10( 3) : 209 ［13］ Alsayed M I． Utilising the Hoek triaxial cell for multiaxial testing of hollow rock cylinders． Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr， 2002，39( 3) : 355 ［14］ Santarelli F J，Brown E T． Failure of three sedimentary rocks in triaxial and hollow cylinder compression tests． Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr，1989，26( 5) : 401 ［15］ Liu H G． Triaxial Test Research of Rock Unloading Failure Be￾havior ［Dissertation］． Xuzhou: China University of Mining and Technology，2007) ( 刘红岗． 岩石卸荷破坏特性的三轴试验研究［学位论文］． 徐州: 中国矿业大学，2007) ［16］ Zhou J J． Research on Rock Failure Evolution and Strength Deg￾radation ［Dissertation］． Xuzhou: China University of Mining and Technology，2006 ( 周纪军． 岩石破坏的演变过程及强度衰减研究［学 位 论 ·804·