基于MTS系統(tǒng)的單塊試件三軸試驗(yàn)方法研究

汪 斌，周 若，朱杰兵，鄔愛清

(長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 概述

一般地，室內(nèi)巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)采用單一圍壓軸對(duì)稱的應(yīng)力系統(tǒng)，即先對(duì)巖石試件施加圍壓達(dá)到某一恒定值(σ2=σ3)，然后增加軸向壓力 σ1，直到巖樣破壞。一個(gè)巖石試件只能得出一對(duì)σ1和σ3的數(shù)據(jù)，無法確定巖石的強(qiáng)度包絡(luò)線，也不能得到巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(SL264－2001)中規(guī)定巖石三軸試驗(yàn)同一種含水率下巖石試件不得少于5件［1］，然而由于在一些工程中很難取到足夠的巖石試件以及試件自身有一定的離散性，試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足以及較為離散現(xiàn)象，因此給試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理帶來了不便。

為了解決該類問題，早在上個(gè)世紀(jì)80年代，就有國外學(xué)者提出了3種不同的三軸壓縮試驗(yàn)［2－7］。這些試驗(yàn)都是量測有圍壓作用下的圓柱形巖石試件的強(qiáng)度，只是試驗(yàn)的軸壓和圍壓加載的應(yīng)力路徑不同，各圍壓水平下強(qiáng)度峰值點(diǎn)獲取的方式不同。J.A.Franklin［3，4］(1970)根據(jù)強(qiáng)度包絡(luò)線產(chǎn)生的不同，提出了3種不同的三軸壓縮試驗(yàn)，即:方法I(多塊單級(jí)加載三軸法)，強(qiáng)度包絡(luò)線是從幾個(gè)試驗(yàn)的強(qiáng)度屈服曲線上獲得的;方法Ⅱ(單塊多級(jí)加載三軸法)和方法Ⅲ(單塊持續(xù)破壞試驗(yàn))，曲線是通過一個(gè)試件的多級(jí)加載或連續(xù)屈服產(chǎn)生的(如圖1所示)。強(qiáng)調(diào)了從方法I到方法Ⅲ，單個(gè)試件的加載曲線上得到的信息越來越多;而且方法Ⅱ和方法Ⅲ，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備控制性能及試驗(yàn)人員素質(zhì)的要求也越來越高。但當(dāng)時(shí)由于受到伺服液壓機(jī)控制性能的限制等方面的原因，該方法僅只是被國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)測試委員會(huì)(IRSM)作為建議方法之一，沒有對(duì)該試驗(yàn)方法的控制方式、分級(jí)加載的屈服點(diǎn)的判別及試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)三軸法的差異性等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究。

圖1 單塊多級(jí)加載三軸法應(yīng)力路徑示意圖Fig.1 Stress path of multiple level triaxial test on single specimen

早期受限于試驗(yàn)機(jī)性能，這種單塊多級(jí)加載的三軸試驗(yàn)技術(shù)較為復(fù)雜，難以得到推廣和應(yīng)用。近年來，隨著電液伺服機(jī)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展，出現(xiàn)了各種性能優(yōu)良、功能強(qiáng)大的伺服機(jī)。國內(nèi)外一些學(xué)者開始致力于該試驗(yàn)方法的一些研究。Kovari K，Tisa A等對(duì)Frankin J建議的后2種試驗(yàn)方式進(jìn)行了分析和探討［6，7］。國內(nèi)的一些試驗(yàn)科技人員也對(duì)單塊多級(jí)加載破壞三軸試驗(yàn)法進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究［8－12］。國內(nèi)吳玉山［8］在剛性伺服三軸試驗(yàn)機(jī)上通過簡單的控制方式，采用單塊或少量試件，實(shí)現(xiàn)多級(jí)圍壓作用下加載的三軸試驗(yàn)，并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。蘇承東［9］等針對(duì)有時(shí)試樣數(shù)量偏少，或離散性較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)圍壓增大、三軸強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，難以確定內(nèi)摩擦角等參數(shù)的問題，基于伺服試驗(yàn)機(jī)加載過程的實(shí)時(shí)控制，對(duì)大理巖和砂巖分別提出通過單一巖樣確定強(qiáng)度參數(shù)的方法。大理巖在圍壓較高時(shí)具有明顯的屈服平臺(tái)，通過對(duì)同一試樣逐級(jí)提高圍壓的加載方法，就可以得到不同圍壓下試樣的強(qiáng)度，據(jù)此可以回歸Mohr-Coulomb強(qiáng)度曲線。張磊［10］在剛性伺服三軸試驗(yàn)機(jī)上通過對(duì)砂巖、泥巖等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，認(rèn)為這種試驗(yàn)方法較適用于中硬以下的巖石;對(duì)于硬巖來說，應(yīng)通過大量的試驗(yàn)找出變換圍壓時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變曲線切線(割線)模量與彈性段切線(割線)模量的比值來作為試驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)。而且認(rèn)為多級(jí)圍壓下三軸加載試驗(yàn)得到的抗壓強(qiáng)度為長期強(qiáng)度，其值是峰值強(qiáng)度的80%左右，那么由長期強(qiáng)度計(jì)算得出的黏聚力降低了20%左右，而內(nèi)摩擦角沒有太大變化;因此可以將多級(jí)圍壓下三軸加載試驗(yàn)得到的黏聚力修正為常規(guī)三軸加載試驗(yàn)的黏聚力，其修正參考值為 1.0 ～1.25。

縱觀國內(nèi)外研究工作者的研究成果，盡管該三軸方法可以消除巖石離散性及試件數(shù)量不足等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，但是其具體的試驗(yàn)過程及具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果有待于進(jìn)一步研究。在具體工程科學(xué)試驗(yàn)中其適用范圍、試驗(yàn)結(jié)果可靠性及試驗(yàn)技術(shù)問題還未得到滿意解決。長江科學(xué)院巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室最新引進(jìn)的MTS815.04巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖2所示)，伺服控制性能優(yōu)良，變形測試技術(shù)先進(jìn)，為傳統(tǒng)的巖石三軸強(qiáng)度試驗(yàn)中的相關(guān)問題研究提供了平臺(tái)。

2 基于MTS815系統(tǒng)的單塊試件三軸方法的實(shí)現(xiàn)

圖2 MTS815.04巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)及AE系統(tǒng)Fig.2 MTS815.04 triaxial rock mechanical testing system＆AE system

基于MTS815.04巖石力學(xué)剛性伺服試驗(yàn)系統(tǒng)的軸向應(yīng)變及側(cè)向應(yīng)變控制三軸試驗(yàn)表明:側(cè)向應(yīng)變控制相對(duì)于軸向力或應(yīng)變控制，巖樣的損傷破壞過程是一種可控的、較為穩(wěn)妥的控制方式，其包絡(luò)線構(gòu)成了巖石壓縮全過程曲線，而且該曲線可以表達(dá)出巖樣破壞過程中力學(xué)特性的損傷演化信息，對(duì)于研究單塊三軸法加載控制方式的選取具有深刻的意義［13］。運(yùn)用該加載控制技術(shù)可以較為可靠地實(shí)現(xiàn)脆性巖石材料在單塊三軸試驗(yàn)方法中的應(yīng)用?；贛TS815.04巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的操作平臺(tái)(如圖3所示)，對(duì)所有試驗(yàn)步驟采用程序化編程實(shí)現(xiàn)，初步建立了一套基于MTS系統(tǒng)的單塊樣三軸試驗(yàn)程序，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)人機(jī)干預(yù)、控制和強(qiáng)度屈服點(diǎn)的預(yù)判等功能。試驗(yàn)加載和判斷流程如圖4所示?；谠摬僮鞒绦颍脩糁恍枵{(diào)用該程序就可以完成自動(dòng)圍壓加載、軸向力控制模式選擇、干預(yù)程序進(jìn)程等，避免了其他伺服機(jī)難以多通道伺服控制的弊端。

圖3 MTS815單塊樣三軸試驗(yàn)程序界面Fig.3 Interface of single specimen triaxial testing by MTS815 system

3 單樣三軸試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

圖4 基于MTS可視化編程平臺(tái)的單樣法流程圖Fig.4 Flow chart of single specimen triaxial testing method based on MTS system

為了與常規(guī)三軸試驗(yàn)方法得到的巖石三軸強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，選取了同一取樣位置同一鉆孔的巖樣。本次試驗(yàn)采用的是錦屏二級(jí)電站交通輔助洞E2-1試驗(yàn)洞(AK08+850)處的T2b地層粗晶大理巖，為了盡量做到所有巖樣具有相同的完整性，試驗(yàn)前對(duì)所有巖樣進(jìn)行了聲波測試并進(jìn)行了遴選。

采用上節(jié)所述的巖樣側(cè)面加載控制方式，對(duì)每級(jí)圍壓下屈服點(diǎn)進(jìn)行判別，并實(shí)現(xiàn)MTS單樣三軸程序化操作。采用了從低、中、高不同圍壓下單樣的強(qiáng)度，圍壓分別為4，8，12，16，20，30，40，50，60 MPa，得到了整個(gè)試驗(yàn)過程曲線及每級(jí)圍壓下強(qiáng)度值，然后經(jīng)過線性回歸后得到了單個(gè)巖樣的強(qiáng)度參數(shù)。本次單樣三軸試驗(yàn)試樣個(gè)數(shù)為5個(gè)，根據(jù)每個(gè)試件在不同圍壓下的強(qiáng)度可以回歸得到5組強(qiáng)度參數(shù)。巖樣編號(hào)912-02的單樣三軸試驗(yàn)曲線如圖5至圖11所示。

圖5 912-02號(hào)巖樣偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Curves of deviatoric stress vs.strain of specimen 912-02

圖6 912-02號(hào)巖樣偏應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.6 Curve of deviatoric stress vs.time of specimen 912-02

圖7 912-02號(hào)巖樣應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.7 Curves of strains vs.time of specimen 912-02

圖8 912-02號(hào)巖樣試驗(yàn)圍壓-時(shí)間曲線Fig.8 Curve of confining pressure vs.time of specimen 912-02

圖9 912-02號(hào)巖樣試驗(yàn)偏應(yīng)力-圍壓曲線Fig.9 Curve of deviatoric stress vs.confining pressure of specimen 912-02

圖10 912-02號(hào)巖樣試驗(yàn)偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線(不同圍壓段)Fig.10 Curve of deviatoric stress vs.strain of specimen 912-02(with different confining pressures)

圖11 912-02號(hào)巖樣強(qiáng)度-圍壓關(guān)系曲線Fig.11 Curve of strength vs.confining pressure of specimen 912-02

圖5為采用程序化實(shí)驗(yàn)過程中采集的軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變及體應(yīng)變隨加載過程中偏應(yīng)力變化曲線。從圖10中也可以看到每級(jí)圍壓下體應(yīng)變拐點(diǎn)變化過程和該級(jí)下的強(qiáng)度值。圖6為試驗(yàn)過程中偏應(yīng)力隨時(shí)間的變化過程，可以看到圍壓在逐級(jí)加載過程中對(duì)軸向應(yīng)力還是有一定的波動(dòng)影響。圖7為軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變及體應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線，在最后一級(jí)加載過程中巖石的軸向應(yīng)變是呈突變式增加，說明巖樣強(qiáng)度隨變形變化幾乎不大，巖樣在高圍壓下呈塑性流動(dòng)效應(yīng)。圖10至圖11為偏應(yīng)力、軸向總應(yīng)力隨圍壓變化曲線，因此可以繪出并回歸出Mohr-Coulomb強(qiáng)度參數(shù)。同時(shí)，可以看出采用單樣法得到的強(qiáng)度曲線具有很好的相關(guān)性，隨著圍壓的增加大理巖強(qiáng)度的非線性也能很好地表現(xiàn)出來。從成果表中還可以看出采用單塊樣三軸試驗(yàn)成果的離散性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)三軸試驗(yàn)方法得到的強(qiáng)度參數(shù)。

由成果圖還可以看到一種現(xiàn)象:常規(guī)方法所得強(qiáng)度曲線都比單點(diǎn)屈服三軸試驗(yàn)所得強(qiáng)度曲線高，這種趨勢隨著應(yīng)力的增加而增大。這主要是由于在單點(diǎn)屈服三軸試驗(yàn)中隨著屈服次數(shù)的遞增，試件內(nèi)部微裂紋逐漸增多擴(kuò)展，雖然圍壓作用使其部分閉合，但對(duì)后一次屈服還是有所影響的。還可以看出:隨著屈服次數(shù)的增多，試件強(qiáng)度隨圍壓的增加其強(qiáng)度值沒有下降，反而還都有增加。這說明經(jīng)過屈服再對(duì)試件增加圍壓進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)的試件仍能較好地代表初始性質(zhì)。這就解除了對(duì)該試驗(yàn)方法的“是否每個(gè)屈服點(diǎn)都能代表一個(gè)試件”的疑慮。但是隨著屈服次數(shù)的增多這種遞增趨勢有所減弱而便顯出流塑性。如前所述，是由于被壓合的微裂紋漸多所致。從此點(diǎn)可以推斷:單樣三軸試驗(yàn)方法所取的屈服點(diǎn)應(yīng)該是有限的，當(dāng)屈服次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在強(qiáng)度曲線上將呈現(xiàn)水平發(fā)展。

大理巖試件的單樣三軸試驗(yàn)成果見表1，將該組所有強(qiáng)度屈服點(diǎn)放在一起進(jìn)行回歸三軸強(qiáng)度參數(shù)。從表1中可以看出:無論是在一般應(yīng)力水平還是在高應(yīng)力條件下，單樣三軸試驗(yàn)得到的強(qiáng)度參數(shù)與常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果相比，內(nèi)摩擦角和黏聚力都有一定比例的減小。在中低圍壓條件下，前者得到的內(nèi)摩擦角和黏聚力相對(duì)后者分別小 9.57%和 5.56%;而在高圍壓條件下，前者比后者分別小7.5%。5個(gè)試件在圍壓0～30 MPa范圍內(nèi)的單塊樣三軸試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)見表2。

表1 常規(guī)三軸試驗(yàn)方法與單樣三軸試驗(yàn)成果對(duì)比表Table 1 Comparison of parameters by conventional triaxial test and single specimen triaxial test

表2 錦屏粗晶大理巖單塊巖樣三軸試驗(yàn)強(qiáng)度表Table 2 Results of single specimen triaxial test on Jinping marble

同樣為了驗(yàn)證大理巖中等脆性硬巖的單樣三軸試驗(yàn)成果的可靠性，平行開展了該組相同巖石的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)11組，試件個(gè)數(shù)共55個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。將其中一組常規(guī)三軸試驗(yàn)強(qiáng)度曲線與5個(gè)單塊試件三軸綜合回歸強(qiáng)度曲線進(jìn)行比較。

表3 錦屏粗晶大理巖常規(guī)三軸強(qiáng)度參數(shù)表Table 3 Results of conventional triaxial test on Jinping marble

圖12 單樣三軸與常規(guī)三軸強(qiáng)度曲線比較(0～30 MPa圍壓段 )Fig.12 Comparison of strength curves by single specimen triaxial test and conventional triaxial test(0～30 MPa)

圖12和圖13分別為圍壓在0～30 MPa內(nèi)及0～60MPa內(nèi)的參數(shù)回歸與常規(guī)多樣三軸強(qiáng)度曲線對(duì)比?？梢钥闯鰡螛尤S強(qiáng)度總體上較常規(guī)三軸試驗(yàn)強(qiáng)度稍小，但是單樣法得到更多的強(qiáng)度屈服點(diǎn)，而且沒有離散性;結(jié)果顯示單樣法的每個(gè)試件強(qiáng)度關(guān)系線性擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98，綜合擬合相關(guān)系數(shù)0.91，而常規(guī)三軸相關(guān)系數(shù)在 0.67 ～ 0.96間波動(dòng)，說明在數(shù)據(jù)處理和擬合方面，單樣三軸法避免了常規(guī)三軸法的參數(shù)回歸相關(guān)性差和病態(tài)結(jié)果等弊端，顯示了一定的優(yōu)越性。從表2和表3中可以看出:11組大理巖常規(guī)三軸強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩角平均值為37.3°，黏聚力平均值為 29.2 MPa;采用5 個(gè)相同巖樣的單樣三軸試驗(yàn)綜合回歸強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩角平均值為35.9°，黏聚力平均值為 28.1 MPa，分別較前者減小了3.80%和3.80%;采用組平均統(tǒng)計(jì)方式，其強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩角平均值為34.7°，黏聚力平均值為27.8 MPa，分別較前者減小了 7.00%和 4.80%。

綜上所述，單樣三軸試驗(yàn)方法中的大理巖試樣逐級(jí)增加圍壓的軸向壓縮過程中，各級(jí)圍壓下軸向承載能力與不同巖樣恒定圍壓的三軸壓縮強(qiáng)度大致相同，其差異在通常的離散范圍之內(nèi)，而且還可以消除不同巖樣間差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響;尤其是當(dāng)現(xiàn)場取樣困難或者試件完整均一性難以達(dá)到時(shí)，單塊試件三軸試驗(yàn)方法的優(yōu)越性更能體現(xiàn)出來，因此具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

基于MTS815系統(tǒng)程序化試驗(yàn)平臺(tái)，采用優(yōu)化加載控制方式、輔以單樣法中逐級(jí)屈服點(diǎn)預(yù)判技術(shù)是完全可以對(duì)低、中等硬脆性巖石進(jìn)行單塊試件三軸試驗(yàn)的。而且，通過對(duì)錦屏大理巖單塊巖樣三軸試驗(yàn)和常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，表明，大理巖常規(guī)三軸強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩角和黏聚力與采單樣三軸試驗(yàn)得到強(qiáng)度參數(shù)非常接近，可見基于以上技術(shù)的單樣三軸試驗(yàn)結(jié)果是可行的、可靠的?？傊?，研究成果解決了單塊試件三軸試驗(yàn)中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題，尤其對(duì)解決特殊條件下的工程巖石力學(xué)參數(shù)客觀取值方法難題和該三軸試驗(yàn)方法的推廣都具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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