摘要：开展 3 种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验，得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线， 分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明：(1) 卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在 初始阶段呈线性关系，而后呈明显的非线性关系，岩石轴向变形不明显，变形主要表现为环向变形，岩石扩容显 著，脆性破坏特征明显。(2) 卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小，而泊松比随卸荷比的增大而增大， 在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显，而后呈指数型变化，且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形 参数的影响更加明显。(3) 在高应力卸荷条件下，Mogi-Coulomb 强度准则较 Mohr-Coulomb 强度准则更能反映岩 石的卸荷破坏强度特征；相对于常规三轴压缩试验，恒轴压卸围压试验试样黏聚力 c 降低 24.21%，内摩擦角 增 大 16.71%，而加轴压卸围压试验试样黏聚力 c 增大 10.25%，内摩擦角 减少 6.64%，表明在恒轴压卸围压试验 中试样抗破坏的主控因素为摩擦力，而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。 关键词：岩石力学；应力路径；三轴加卸荷试验；破坏；变形；卸荷比；强度准则 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)增 2–3449–09
1
引
言
设计以及稳定性分析提供理论参考。
随着深部资源开采和深部工程建设项目的增 多，深部高应力岩石的板裂破坏、岩爆等灾害现象 发生频率越来越高[1]。岩体工程的开挖其本质就是 岩体的卸荷过程 ，岩体在卸荷条件下的力学特性 与加载条件下有着本质的区别
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试验方案
2.1 试验条件 试验是在中南大学力学实验中心 MTS815 型电 液伺服岩石力学试验机上完成的，试验设备如图 1 所示。该试验机是美国 MTS 公司生产专门用于岩 石试验的多功能电液伺服刚性压力装置，其配有伺 服控制的全自动三轴加卸载测试系统，最大轴向加 载能力为 2 600 kN，围压可加至 140 MPa，可测量 试样的轴向和环向应变。
第 35 卷

增2
李地元等：不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征
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为获得花岗岩常规三轴压缩强度、变形参数以 及破坏特征，并为卸荷试验提供参考，本试验设计 了不同围压水平下的常规三轴压缩试验，其围压设 计水平分别为 10，20，40，60 MPa，试验加载方式 为位移加载，加载速率为 0.15 mm/min。 方案 II：恒轴压卸围压试验 模拟深部高陡边坡开挖时边坡岩体切向应力 不变、径向应力降低的应力调整过程以及相应的卸 荷方式，各岩样初始应力水平、卸荷速率见表 1。 试验步骤为：(1) 按静水压力条件施加 2 3 到预 定值，预定值分为 10，20，40，60 MPa；(2) 加轴 压 1 至预定值后，保持 1 恒定； (3) 逐渐以 0.2 MPa/s 的速率卸载围压 3 ，直至试样破坏。 方案 III：加轴压卸围压试验 模拟深部隧道或深部硐室开挖卸荷过程中硐 室周边围岩切向应力增加、径向应力降低的应力调 整过程及其相应卸荷方式，各岩样初始应力水平、 卸荷速率见表 1。 试验步骤为： (1) 按静水压力条件 施加 2 3 到预定值，预定值为 10，20，40，60 MPa ；(2) 加轴压 1 至预定初始应力水平；(3) 以 0.2 MPa/s 的速率卸围压 3 的同时，以 0.4 MPa/s 速 率增加轴压 1 ，直至试样破坏。
收稿日期：2016–07–08；修回日期：2016–11–21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474250)；国家重点研发计划 (2016YFC0600706)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET–13–0588) Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No. 51474250)，State Key Research Development Program of China(Grant No. 2016YFC0600706) and Program for New Century Excellent Talents in University(Grant No. NCET–13–0588) 作者简介：李地元(1981–)，男，博士，2003 年毕业于中南大学土木工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学和深部硬岩工程方面的教学和研究工 作。E-mail：diyuan.li@ DOI：10.13722/ki.jrme.2016.0815
轴向引伸计
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近年来，随着岩石力学的发展以及工程建设的 需要，关于岩石卸荷力学性质的研究也取得了一定 的进展，如尤明庆和华安增 对岩石三轴压缩与卸 围压进行了研究；刘立鹏等 对大理岩复杂加卸载 应力路径破坏机制进行了分析；赵国彦等 对卸荷 条件下岩石变形参数与围压的关系进行了研究；胡 建华等[9]对卸荷过程中岩体强度参数变化进行了分 析；黄 伟等[10]研究了高围压卸荷下岩石的扩容性 质；张黎明等 [11] 对岩石的初始围压效应进行了研 究；邱士利等[12-13]研究了卸荷速率对岩石力学性质 的影响；李地元等[14]对岩石卸围压时 Mohr-Coulomb 强度准则与 Mogi-Coulomb 强度准则的适用性进行 了分析；吕颖慧等[15]对不同应力路径下岩石强度参 数变化进行了对比分析。上述成果丰富了岩石卸荷 力学特性的研究，但还缺乏对岩石卸荷破坏起主要 作用的环向变形及其扩容变化规律进行系统分析， 没有考虑实时卸荷围压效应[16]；没有综合考虑卸荷 初始围压与围压卸荷程度对岩石变形参数的影响； 也缺少对不同应力路径下岩石强度参数与强度准则 的对比分析。 本文以花岗岩为研究对象，开展了 3 种不同应 力路径下的三轴压缩试验，得到了不同应力路径下 岩石的应力–应变曲线，研究了其破坏特征、变形 特征以及强度特征，揭示了高应力下岩石加卸荷破
第 35 卷 增 2 2016 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 Supp.2 Oct.，2016
不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学 响应及其破坏特征
李地元，孙 志，李夕兵，谢
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岩石力学与工程学报
2016 年
Loading axial pressure-unloading confining pressure tests have a more remarkable influence on deformation parameters than those of fixing axial pressure-unloading confining pressure tests. (3) Mogi-Coulomb criterion reflects the characteristics of the rock unloading failure strength more reasonable than Mohr-Coulomb criterion under high stress unloading tests. Compared with conventional triaxial test，the value of cohesion c decreases about 24.21% and internal friction angle increases about 16.71% in fixing axial pressure-unloading confining pressure tests， while the value of cohesion c increases about 10.25% and internal friction angle decreases about 6.44% in loading axial pressure-unloading confining pressure tests. It means that the internal friction angles is the key factor to control the failure of granite under fixing axial pressure-unloading confining pressure tests，and the cohesion is the key factor to control the failure of granite under loading axial pressure-unloading confining pressure tests. Key words：rock mechanics；stress paths；triaxial loading and unloading test；failure；deformation；unloading ratio；strength criterion 坏的力学特性，为深部高应力岩体工程开挖、支护
LI Diyuan，SUN Zhi，LI Xibing，XIE Tao
(School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China)
Abstract：By carrying out triaxial loading and unloading tests for granite under different stress paths，the stress-strain curves of granite under different loading and unloading paths are obtained ， and the failure characteristics， deformation characteristics and strength characteristics are analyzed. The results show that： (1) The relationship among lateral strain，volumetric strain and confining pressure is linear in the initial stage，and then is nonlinear obviously in the total stage of unloading confining pressure. The axial deformation of rock is not obvious，and the main deformation shows increasing of lateral strain. Volumetric dilatation and brittle failure of rock are observed apparently. (2) The deformation modulus decreases with the increasing of unloading ratio while the Poisson ratio rises up for unloading confining pressure tests. The degradation of deformation parameters cannot be observed obviously in the early unloading process，and then it changes in an exponential function.