大理巖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的相關(guān)性分析

黃英華，唐海燕

(長(zhǎng)沙礦山研究院， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

大理巖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的相關(guān)性分析

黃英華，唐海燕

(長(zhǎng)沙礦山研究院， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

大理巖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著圍壓的增加，大理巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度逐漸增大，且峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度與圍壓之間存在較好的相關(guān)性，但殘余強(qiáng)度對(duì)圍壓的敏感性顯著高于峰值強(qiáng)度。當(dāng)圍壓≤20 MPa時(shí)，各大理巖試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線中直線部分基本重合，彈性模量沒(méi)有明顯變化;當(dāng)圍壓＞20 MPa時(shí)，巖樣剛度加大，全應(yīng)力–應(yīng)變曲線斜率隨著圍壓的增加而明顯變陡，彈性模量增大。

大理巖;峰值強(qiáng)度;殘余強(qiáng)度;彈性模量

0 前言

近年來(lái)，隨著水庫(kù)大壩、鐵路隧道、跨江橋梁等重大工程項(xiàng)目的興建，以及地下采礦和人防工程的巨大發(fā)展，對(duì)巖石強(qiáng)度和變形基本特性的研究也越來(lái)越受到重視，并取得了諸多成果。隨著試驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)手段的提高，人類已逐漸掌握部分巖體三向應(yīng)力狀態(tài)下的變形和強(qiáng)度變化規(guī)律，對(duì)探明巖石的破壞機(jī)理具有重要的工程實(shí)踐意義。作者采用MTS－815電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)中顆粒大理巖進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，研究大理巖的強(qiáng)度和變形特性，以期為巖土工程設(shè)計(jì)時(shí)巖石力學(xué)參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試樣加工

大理巖為碳酸鹽巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)或接觸變質(zhì)形成的巖體，主要由方解石和白云石組成，此外含有硅灰石、滑石、透閃石、透輝石、斜長(zhǎng)石、石英、方鎂石等。具粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀、條帶構(gòu)造，一般以白色和灰色為主。本次試驗(yàn)所用大理巖石為碳酸鹽巖石重結(jié)晶而成，中顆粒，白色，呈致密塊狀構(gòu)造，宏觀均勻一致，礦物成分主要為方解石、白云石、硅灰石和斜長(zhǎng)石，硬度為 3.0～5.0。

1.1 試樣加工

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，采用長(zhǎng)沙礦山研究院巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)大理巖巖塊進(jìn)行鉆樣、切割、磨平，加工成Ф50 mm×110 mm圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣，高徑比約為2.2∶1，端面不平整度誤差不超過(guò)0.02 mm，側(cè)面不平整度不超過(guò)0.3 mm。

1.2 壓力加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用長(zhǎng)沙礦山研究院巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的250 t全數(shù)字型液壓伺服剛性巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(MTS－815型)，該試驗(yàn)系統(tǒng)是從美國(guó)引進(jìn)的性能先進(jìn)的巖石－混凝土材料力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備。MTS－815全數(shù)字型液壓伺服剛性試驗(yàn)機(jī)采用閉環(huán)伺服控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力機(jī)工作行為的控制。在這種壓力機(jī)中，巖樣的受力和變形是根據(jù)計(jì)算機(jī)給定的加載或變形進(jìn)行的，它可以隨時(shí)將巖樣的實(shí)際荷載或變形速度與控制程序給定的速率進(jìn)行比較，一旦巖樣承載能力下降，變形加速，則給出控制信號(hào)命令，壓機(jī)自動(dòng)卸載，從而完成一個(gè)閉環(huán)動(dòng)作。壓機(jī)完成一個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，就要完成多個(gè)這樣的閉環(huán)控制動(dòng)作，直至試驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置了基于windows平臺(tái)的可視化控制操作軟件，可跟蹤記錄當(dāng)前時(shí)間、荷載、應(yīng)力、位移、應(yīng)變值的大小、荷載－位移、應(yīng)力－應(yīng)變曲線等。全部試驗(yàn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制，并由計(jì)算機(jī)保存全部試驗(yàn)的圖形和數(shù)據(jù)結(jié)果。本次試驗(yàn)采用等位移加載控制方式，加載位移速率為2×10－3mm/s，共進(jìn)行了6組不同圍壓的三軸壓縮試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

大理巖常規(guī)三軸壓縮的全應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，隨著圍壓的增加，巖石的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均逐漸增大。屈服之前，各圍壓條件下的巖樣變形規(guī)律完全相同，都經(jīng)歷孔隙壓縮、彈性變形、塑性變形和峰值破壞等階段。達(dá)到屈服破壞后，巖樣中眾多微裂面相互貫通，出現(xiàn)某一承載面的整體弱化過(guò)程，最后由于破裂巖塊之間的摩擦力，巖石仍能維持一定的承載能力。由此可確定大理巖三軸壓縮試驗(yàn)全應(yīng)力－應(yīng)變曲線屬于Ⅰ型曲線。零圍壓時(shí)，大理巖呈脆性破壞，當(dāng)圍壓增大時(shí)，呈塑性破壞，當(dāng)圍壓達(dá)到一定值時(shí)，變形出現(xiàn)屈服平臺(tái)，呈現(xiàn)塑性流動(dòng)，即峰后表現(xiàn)為理想塑性，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的圍壓稱為臨界轉(zhuǎn)化圍壓。當(dāng)圍壓低于轉(zhuǎn)化圍壓時(shí)，大理巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線上有一峰值強(qiáng)度;當(dāng)圍壓繼續(xù)增大，高于轉(zhuǎn)化圍壓時(shí)，大理巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線上不再出現(xiàn)峰值點(diǎn)，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系呈單調(diào)增加趨勢(shì)，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特性。本試驗(yàn)的中顆粒大理巖的轉(zhuǎn)化圍壓約為40 MPa。

圖1 不同圍壓條件下大理巖的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

2.1 強(qiáng)度特性

目前巖體工程領(lǐng)域內(nèi)，Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則得到了普遍應(yīng)用，認(rèn)為巖石承載的最大剪切應(yīng)力τs由粘聚力c和內(nèi)摩擦力確定，即τs=c+μσ。同時(shí)，Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則也可以用主應(yīng)力表示為 σs=σ0+Kσ3，式中σ0和K均為強(qiáng)度準(zhǔn)則材料參數(shù)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析，得出大理巖最大軸向承載應(yīng)力σs與圍壓σ3成線性關(guān)系(見(jiàn)圖2)，相關(guān)系數(shù)R=0.95，回歸關(guān)系式為:

圖2 峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系

大理巖剪切破壞后，仍保留有一定的殘余強(qiáng)度，其殘余強(qiáng)度隨著圍壓的升高急劇增大，對(duì)圍壓的敏感度遠(yuǎn)比峰值強(qiáng)度要強(qiáng)，當(dāng)圍壓增加到55.3 MPa時(shí)，大理巖峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度接近，材料特性由應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐霃椝苄圆牧?，?dāng)圍壓繼續(xù)升高，大理巖無(wú)峰值強(qiáng)度，殘余強(qiáng)度隨圍壓升高單調(diào)增大。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出圍壓σ3與大理巖殘余強(qiáng)度σf具有很好的線性關(guān)系(見(jiàn)圖2)，相關(guān)系數(shù)R=0.996，回歸關(guān)系式為:

2.2 變形特性

由圖1可知，屈服之前，各圍壓條件下的巖樣變形規(guī)律完全相同。由于大理巖巖樣存在內(nèi)部缺陷，當(dāng)圍壓≤20 MPa時(shí)，不足以改變巖樣本身的材料特性，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線中直線部分(彈性階段)基本重合，彈性模量沒(méi)有明顯變化;當(dāng)圍壓＞20 MPa時(shí)，巖樣內(nèi)微裂隙受壓閉合，致材料進(jìn)一步均質(zhì)、致密化，巖樣剛度加大，在相同應(yīng)力范圍內(nèi)，應(yīng)變要比低圍壓的應(yīng)變小得多，巖樣的全應(yīng)力－應(yīng)變曲線斜率隨著圍壓的增加而明顯變陡，彈性模量增大。隨著圍壓的增大，峰值應(yīng)變先增大后隨之減小，峰值應(yīng)變與圍壓的回歸關(guān)系如圖3所示，其變形特點(diǎn)反映出試驗(yàn)所用大理巖均質(zhì)、致密的程度較高，其內(nèi)部缺陷主要是極小的微裂隙，高圍壓下，試樣已無(wú)壓縮變形的空間。

圖3 峰值應(yīng)變與圍壓的回歸關(guān)系

3 結(jié)論

(1)隨著圍壓的增加，大理巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均逐漸增大，屈服之前的各圍壓條件下的巖樣變形規(guī)律完全相同，都經(jīng)歷孔隙壓縮、彈性變形、塑性變形和峰值破壞等階段，達(dá)到屈服破壞后，巖樣中眾多微裂面相互貫通，出現(xiàn)某一承載面的整體弱化過(guò)程，最后由于破裂巖塊之間的摩擦力，巖石仍能維持一定的承載能力，峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度與圍壓之間都存在較好的相關(guān)性。

(2)零圍壓時(shí)，大理巖呈脆性破壞，當(dāng)圍壓增大時(shí)，呈塑性破壞，當(dāng)圍壓達(dá)到一定值時(shí)，變形出現(xiàn)屈服平臺(tái)，呈現(xiàn)塑性流動(dòng)，本次中顆粒大理巖的轉(zhuǎn)化圍壓約為40 MPa。

(3)當(dāng)圍壓≤20 MPa時(shí)，各大理巖試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線中直線部分(彈性階段)基本重合，彈性模量沒(méi)有明顯變化;當(dāng)圍壓＞20 MPa時(shí)，巖樣剛度加大，巖樣的全應(yīng)力－應(yīng)變曲線斜率隨著圍壓的增加而明顯變陡，彈性模量增大;隨著圍壓的增大，峰值應(yīng)變先增大后隨之減小，反映出試驗(yàn)所用大理巖均質(zhì)、致密的程度較高，其內(nèi)部缺陷主要是極小的微裂隙，高圍壓下，試樣已無(wú)壓縮變形的空間。

［1］ 尤慶明.巖石的力學(xué)性質(zhì)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2007.

［2］ 黃英華，潘 懿，唐紹輝.硬石膏常規(guī)三軸壓縮性能試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2008，72(6):34－36.

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2011－09－23)

黃英華(1980－)，男，碩士研究生，湖南常德人，主要從事礦山安全工程、采礦工程及巖石力學(xué)的研究，Email:hyh0891@126.com。