巖石單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和力學(xué)特性分析

■李 濤，李曉靜 ■山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101

1 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)巖石綜合利用研究的進(jìn)一步深入和提高，巖石力學(xué)的理論、試驗(yàn)水平不斷發(fā)展，特別是常規(guī)巖石力學(xué)試驗(yàn)發(fā)展尤為迅速，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對(duì)于研究巖石發(fā)生破壞的機(jī)理有重要的指導(dǎo)作用。本文以二灘水電站現(xiàn)場(chǎng)取得的正長(zhǎng)巖巖石試樣為試驗(yàn)基礎(chǔ)開展常規(guī)單、三軸試驗(yàn)。分析試件的強(qiáng)度、變形特性，為我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和研究巖石相關(guān)力學(xué)特性提供理論支持和數(shù)據(jù)幫助。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試件的制備

將試件加工成圓柱形，R=50cm，H=100mm，符合國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定的高徑比2.0—2.5的要求。試件加工精度按我國(guó)《巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)執(zhí)行，即:試樣兩端面不平行度誤差不大于0.005mm，端面不平整度誤差不大于0.02mm，沿事件高度上直徑誤差不大于0.3mm，端面垂直于試件軸線，最大偏差不大于25°。巖石試件制備完成后，必須剔除外觀缺陷明顯的試件，含水量為自然含水狀態(tài)，即:密度平均2.66g/cm3。

2.2 試驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)在剛性壓力試驗(yàn)機(jī)上完成。剛性壓力試驗(yàn)機(jī)時(shí)由軸向位移和橫向位移速率共同控制，設(shè)定軸向位移加載速率0.002mm/s，橫向位移加載速率0.0005mm/s(圍壓)。

加載路徑如圖1:

試驗(yàn)步驟1∶OA為巖石試件在單軸壓縮加載狀態(tài)下的路徑。對(duì)于試件，我們采用軸向位移加載方式。試驗(yàn)的過程中，采用 5mm的D1117位移傳感器測(cè)量軸向相對(duì)位移參數(shù)，并且?guī)r樣的軸向荷載參數(shù)由100KN的荷載傳感器測(cè)量，由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)換算成對(duì)應(yīng)的應(yīng)變與應(yīng)力傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端，采用5mm的鏈?zhǔn)絺鞲衅骷o(jì)錄巖石試件的徑向應(yīng)變，保證數(shù)據(jù)完整。

實(shí)驗(yàn)步驟2:在OB到BD實(shí)施常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)圍壓依次選用5、10、20、30、40Mpa。過程與步驟1相同。試驗(yàn)初期采用軸向位移控制加載模式;在曲線剛剛出現(xiàn)偏離直線段時(shí)，立即將加載模式轉(zhuǎn)換為橫向位移控制。開始時(shí)依次施加σ1=σ2=σ3的靜水壓力至預(yù)定的圍壓值(手動(dòng)控制圍壓加載模式，在2－3分鐘內(nèi)完成加載過程)，其次保持壓力σ2=σ3不變且不斷施加軸向壓力直到試驗(yàn)結(jié)束。

巖石試件的常規(guī)單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)所得的力學(xué)參數(shù)均在表1中給出。(試樣破壞瞬間圍壓值σ3，軸向極限承載力σ1，試樣軸向壓縮(σ1－σ3)—ε曲線直線段斜率為彈性模量E)

圖1 試驗(yàn)加載路徑

表1巖石試件單軸—三軸壓縮試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)單軸壓縮試驗(yàn)階段

圖2 單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線

通過本次試驗(yàn)巖樣加載結(jié)果，繪制并分析其單軸應(yīng)力－應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線可知，巖石破裂過程大至可以分為五個(gè)階段:(I)巖石裂隙壓實(shí)階段;(Ⅱ)彈性階段;(Ⅲ)裂紋初期階段;(Ⅳ)擴(kuò)展不穩(wěn)定發(fā)展階段;(V)后期階段。

(2)三軸壓縮試驗(yàn)階段

圖3 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線

正長(zhǎng)巖三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線在圍壓(σ2=σ3)作用下，其力學(xué)特征見表1.從表1可以看出:在圍壓作用下巖樣的彈性模量與泊松比離具有相對(duì)較小的離散性，但隨著圍壓的不斷增加，巖石試件的平均模量和變形模量的差異逐漸減小，主要原因是高壓作用促使裂隙逐漸并且最終趨于閉合。圍壓開始從0增加到40MPa時(shí)，先對(duì)的巖石軸向應(yīng)變峰值也從0.0037增加到0.0081，因此對(duì)正長(zhǎng)巖這種典型脆性巖石材料，延性特性也隨圍壓有明顯增大，巖石試件加壓后自身表現(xiàn)出的應(yīng)變變化比沒有圍壓時(shí)增加接近三倍。

3 結(jié)束語

(1)通過巖石壓縮試驗(yàn)得到了真實(shí)巖石材料的基本力學(xué)參數(shù)，為進(jìn)一步開展分析實(shí)驗(yàn)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)支持。試驗(yàn)得出的基本力學(xué)參數(shù)分別為:巖石試件的彈模E、泊松比μ、材料的內(nèi)聚力c與內(nèi)摩擦角φ。

(2)通過壓縮試驗(yàn)，繪制試件巖石力學(xué)應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖，研究分析脆性巖石的破壞過程，得出其破壞過程近似以下階段，即:巖石壓密階段、巖石彈性階段、微裂紋階段、不穩(wěn)定發(fā)展階段及后期階段等五個(gè)階段。

(3)結(jié)合三軸試驗(yàn)結(jié)果，分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知巖石在不同圍壓作用下表現(xiàn)出不同的破壞特征。低圍壓表現(xiàn)脆性破壞，高圍壓時(shí)，則相對(duì)會(huì)表現(xiàn)出延性破壞。