粉砂質泥巖不同加載控制方式下三軸壓縮試驗研究

李蕊，胡新麗，叢璐，徐騰飛

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北武漢430074；2.深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳518000）

粉砂質泥巖不同加載控制方式下三軸壓縮試驗研究

李蕊1，胡新麗1，叢璐1，徐騰飛2

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北武漢430074；2.深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳518000）

對秭歸縣馬家溝滑坡中粉砂質泥巖開展三軸壓縮試驗，分析在應力和應變兩種加載控制方式下巖石的變形破壞特征，以獲取相對安全合適的試驗加載方式。結果表明:在加載初期，各圍壓下兩種加載控制方式的軸向應變和環(huán)向應變曲線具有較好的線性特征，峰值強度后變形特征差異顯著；軸向應力加載控制方式下得到的巖石內摩擦角相對更大，摩擦力抵抗巖石變形破裂的能力相對較高，而環(huán)向位移加載控制方式下黏聚力抵抗巖石變形破裂的能力相對較高；試件破壞模式主要為低圍壓下的剪切-張拉破壞和較高圍壓下的剪切破壞，在軸向應力加載控制方式下試件的破壞程度相對劇烈，而環(huán)向位移加載控制方式下試件完整性相對較好，表明試件在環(huán)向變形量等速增加的制約下，巖石內部材料緩慢地達到承載極限，降低了災變的可能性。

粉砂質泥巖；三軸壓縮試驗；加載控制方式；變形破壞特征；強度參數(shù)

巖石屬非均質、不連續(xù)、各向異性的介質，開展巖石三軸壓縮試驗是研究其基本力學特性的重要手段之一。近年來，對巖石常規(guī)三軸壓縮試驗的研究取得了大量的成果［1-5］。張治亮等［6］分析了向家壩砂巖常規(guī)三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)，指出向家壩砂巖具有非線性變形和延性破壞特征，建立了體積應變和損傷變量方程，得出韌性巖石的損傷演化特征。楊更社等［7］分別探討了圍壓和凍結溫度對凍結巖石三軸強度特性的影響，分析了煤巖和砂巖在凍結效應上表現(xiàn)出的差異性及其原因。李新平等［8］對錦屏二級水電站引水隧洞內大理巖開展常規(guī)三軸壓縮試驗及峰前、峰后卸圍壓試驗，研究了大理巖在加卸載應力路徑下的強度變形特征和破裂機制。

長江三峽庫區(qū)廣泛分布著侏羅系地層，其間出露的遂寧組紫紅色粉砂質泥巖，強～中風化，發(fā)育了大量的節(jié)理和裂隙，整體較破碎，研究其基本物理力學性質對分析地質災害的發(fā)育機理和防治對策具有十分重要的意義。在對侏羅系粉砂質泥巖進行常規(guī)三軸壓縮試驗的過程中發(fā)現(xiàn)，巖石的變形破壞特征和強度參數(shù)會受到試驗加載控制方式的制約，影響滑坡防治工程設計中參數(shù)的選取。本文利用MTS巖石力學試驗系統(tǒng)，分別采用了軸向應力和環(huán)向位移加載的控制方式，通過對試驗數(shù)據(jù)對比和分析，研究了粉砂質泥巖的變形特性、強度特征和破壞形態(tài)，揭示了粉砂質泥巖在兩種不同加載控制方式下的力學特性差異。對巖石物理力學性質的研究和室內巖石常規(guī)三軸試驗方法的確定具有一定的參考價值。

1　試驗概況

1.1巖性特征

巖樣取自三峽庫區(qū)湖北省秭歸縣馬家溝地區(qū)出露的侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3S）粉砂質泥巖，采用水鉆工藝順著層理面鉆取巖芯，嚴格按照《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》（DL/T5368—2007）［9］加工成φ50mm× 100mm的圓柱形試樣。加工完成后，首先剔除表面存在明顯缺陷的樣品，對巖樣進行標注，測量尺寸，挑選出端面不平整度偏差在±0.05mm以內、端面對試件軸線的垂直度偏差在±0.25°以內的部分巖樣。再采用脈沖聲波法對巖樣的縱波波速進行測試，篩選出波速在2700m/s以上的樣品，作為巖石常規(guī)三軸壓縮試驗的巖樣。經(jīng)室內物理試驗測試，巖石天然含水率為8%，密度為2.35g/cm3。

1.2試驗方案

試驗設備選用美國MTS公司的MTS815.04巖石力學試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)伺服性能優(yōu)良，變形測試技術先進，可以進行巖石及混凝土材料的單軸壓縮、三軸壓縮、孔隙水試驗，是目前先進的室內巖石力學試驗設備之一［10-11］。試驗系統(tǒng)加載控制方式包含軸向沖程力控制、軸向沖程位移控制、內置力傳感器力控制、軸向引伸計及環(huán)向引伸計位移控制等。在對巖樣進行室內常規(guī)三軸壓縮試驗的加載過程中，一般選用軸向應力和環(huán)向位移控制方式。其中，軸向應力加載控制的優(yōu)點在于操作方便，試驗前輸入程序參數(shù)的方式較直觀；環(huán)向位移加載控制則可以控制試件的整體變形。以下分別對3，5，7MPa不同圍壓下的粉砂質泥巖開展常規(guī)三軸壓縮試驗。

1）軸向應力加載控制方式

試驗加載過程中，首先以0.05MPa/s的加載速率同步施加圍壓和軸壓，當圍壓達到預定值后，再以0.8MPa/s的加載速率施加軸向荷載，直至破壞。

2）環(huán)向位移加載控制方式

初始施加圍壓和軸壓的過程和前者相同，圍壓達到預定值后，將控制方式調整至環(huán)向位移控制，設置加載速率為0.0005mm/s。該加載速率取值是由軸向應力加載控制方式下的加載速率通過該類巖石相同加載條件下獲得的強度、泊松比和彈性模量換算求出，盡量保證兩種加載控制方式的加載速率在同一數(shù)量級，以降低試驗結果的離散性。

2　試驗結果分析

2.1變形特征

圖1為不同加載控制方式下粉砂質泥巖應力-應變關系曲線。由圖可知，在加載的初級階段，各圍壓下軸向應變ε1和環(huán)向應變ε3曲線具有較好的線性特征，此時巖石內部的原生微裂隙逐漸閉合，試件處于彈性變形階段；隨著軸向荷載的增加，曲線由陡變緩，斜率逐漸減小。這是由于在較高的應力下，試件內部的微裂隙逐漸增長且局部發(fā)生破壞，巖石抵抗變形破裂的能力降低。在較低圍壓下，兩種加載控制方式下的環(huán)向應變不明顯，大約是軸向應變值的20%，巖石處于軸向壓縮階段；隨著圍壓的增加，環(huán)向應變值逐漸增大，達到0.5%，但是均小于軸向應變，說明試件表現(xiàn)出輕微的側向膨脹趨勢，側向擴容還不明顯。

相同圍壓下，兩種加載控制方式的ε1，ε3曲線形態(tài)相似，峰值強度之前，均表現(xiàn)出相近的變形特征，應力隨應變的增長呈現(xiàn)線性變化；達到峰值強度后，二者表現(xiàn)出一定程度的應變軟化特征，環(huán)向位移加載控制方式下出現(xiàn)相對明顯的應力跌落現(xiàn)象，而在軸向應力加載控制方式下，ε1和ε3曲線變化相對平緩，軸向應變和環(huán)向應變相對增長較快。同時，試件最終破壞時，環(huán)向位移控制下的軸向和環(huán)向應變值均相對較小。

2.2強度特征

統(tǒng)計本次試驗中兩種加載控制方式下峰值強度與圍壓的關系，結果見表1。

圖1　不同加載控制方式下粉砂質泥巖應力-應變關系曲線

表1　粉砂質泥巖峰值強度與圍壓的關系

兩種加載控制方式下，隨著圍壓的增加，巖石強度隨之增加；在相同圍壓下，環(huán)向位移控制下試件的峰值強度相對較小，軸向應力的變化速率也相對較低，可以看出在等速環(huán)向變形加載的制約下，巖石內部材料在抵抗變形破壞的過程中會相對緩慢地達到承載極限。

鑒于Mohr-Coulomb強度準則是巖體力學中經(jīng)典的強度理論之一，本文利用常規(guī)三軸壓縮試驗的數(shù)據(jù)進行擬合，得到Mohr-Coulomb強度準則的主應力形式的表達式［12］

式中：σ1為軸向應力，σ3為圍壓，T和M分別為σ1-σ3坐標下擬合直線的截距和斜率。通過T和M可以確定出試件的黏聚力和內摩擦角，即

根據(jù)式（1）～式（3），結合表1，在σ1-σ3坐標中得出各圍壓下巖樣的峰值強度，并經(jīng)計算得到兩種加載控制方式下粉砂質泥巖的抗剪強度參數(shù)，如表2所示。

表2　不同加載控制方式下巖樣的抗剪強度參數(shù)

由表2可以看出，環(huán)向位移控制下的內摩擦角比軸向應力控制下的內摩擦角小，而對于黏聚力的大小則兩者相反。該結果表明，在軸向應力加載控制方式下，試件裂紋隨著不斷增長的軸向荷載沿著起裂角不斷擴展，摩擦力對巖石抵抗變形破壞能力的影響逐漸增強，黏聚力影響則逐漸降低。在環(huán)向位移加載控制方式下，相比軸向應力加載控制方式，MTS試驗加載系統(tǒng)不斷調整軸向荷載的大小和加載速率以保證巖樣環(huán)向變形量的等速增加，巖石內部的裂隙在擴展延伸的過程中受到制約，摩擦力在抵抗巖石破裂過程中的作用相對較小，而黏聚力的影響相對較大。

2.3破壞特征

圖2給出了試驗后粉砂質泥巖的破壞形態(tài)。兩種加載控制方式的試件呈現(xiàn)出低圍壓下剪切-張拉破壞形式和較高圍壓下剪切破壞形式，均可見較為明顯的剪切斜裂縫。軸向應力加載控制方式下，試件破壞程度相對劇烈，破裂面相對粗糙并伴隨裂縫。環(huán)向位移加載控制方式下，試件完整性較好，剪切裂縫細小且平滑，破裂面周圍沒有明顯的節(jié)理和裂隙。

上述試驗結果可作如下解釋：由于圍壓較低，側向約束影響相對較弱，且?guī)r樣的抗拉強度遠遠小于抗壓強度，在不斷增長的軸力作用下，剪切裂縫發(fā)展到試件中下部與軸向的張拉裂縫貫通，試件最終以張拉破壞告終，呈現(xiàn)出剪切-張拉的破壞形態(tài)；而在較高圍壓下，試件受到的側向約束相對較大，抵消了一部分巖樣內部產(chǎn)生的張拉應力，巖石主體材料的承載能力進一步提高，因而剪切裂縫得以貫通，呈現(xiàn)出剪切破壞的形態(tài)特征。在環(huán)向位移加載控制方式下，受到等速增加的環(huán)向變形量的支配，巖石內部裂紋沿起裂角的擴展速度小于在軸力加載控制方式下裂縫的擴展速度，因此在抵抗變形破裂的過程中試件內部材料會相對均勻地達到承載極限，表現(xiàn)出了宏觀完整性較好的剪切破壞形態(tài)。

圖2　試件破壞形態(tài)

3　結論

利用MTS巖石力學試驗系統(tǒng)，對侏羅系粉砂質泥巖進行了在3，5，7MPa不同圍壓及不同加載控制方式下的常規(guī)三軸壓縮試驗研究，得到以下結論：

1）在加載初期，各圍壓下兩種加載控制方式的ε1，ε3曲線具有較好的線性特征，隨著軸向應力的增加，曲線由陡變緩，達到峰值強度后，環(huán)向位移加載控制下的應力跌落相對明顯，而軸向應力加載控制下的ε1和ε3曲線變化平緩。

2）基于Mohr-Coulomb強度準則，分別對兩種加載控制方式、不同圍壓下的峰值強度進行直線擬合，得到粉砂質泥巖的抗剪強度參數(shù)。其中，軸向應力加載控制方式下內摩擦角相對較大，而環(huán)向位移加載控制方式下黏聚力相對較大。表明在環(huán)向位移加載控制方式下摩擦力抵抗巖石變形破裂的能力相對降低，黏聚力的作用則相對增強。

3）兩種加載控制方式下的試件破壞形態(tài)均呈現(xiàn)出低圍壓下的剪切-張拉破壞和較高圍壓下的剪切破壞形態(tài)。軸向應力加載控制方式下的試件破壞程度相對劇烈，環(huán)向位移控制方式下試件完整性較好，說明環(huán)向位移加載控制方式下試件受到等速增加的環(huán)向變形量的制約，巖石內部材料相對緩慢地達到承載極限，有利于控制巖石試件的變形，降低了試驗過程中巖石試件發(fā)生災變的可能性。

［1］尤明慶.圍壓對巖石試樣強度的影響及離散性［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（5）：929-937.

［2］尤明慶.巖樣三軸壓縮的破壞形式和Coulomb強度準則［J］.地質力學學報，2002，8（2）：179-185.

［3］牛雙建，靖洪文，梁軍起.不同加載路徑下砂巖破壞模式試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2011（增2）：3966-3974.

［4］趙東寧，黃志全，于懷昌，等.灰質泥巖壓密段變形分析與能量傳遞研究［J］.鐵道建筑，2013（12）：87-91.

［5］蘇承東，付義勝.紅砂巖三軸壓縮變形與強度特征的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2014（增1）：3164-3169.

［6］張治亮，徐衛(wèi)亞，王偉，等.韌性巖石常規(guī)三軸壓縮試驗及變形與損傷演化規(guī)律研究［J］.巖石力學與工程學報，2011（增2）：3857-3862.

［7］楊更社，奚家米，李慧軍，等.三向受力條件下凍結巖石力學特性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2015，29（3）：459-464.

［8］李新平，肖桃李，汪斌，等.錦屏二級水電站大理巖不同應力路徑下加卸載試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（5）：882-889.

［9］中華人民共和國國家發(fā)展改革委員會.DL/T5368—2007水電水利工程巖石試驗規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2007.

［10］汪斌，朱杰兵，鄔愛清.MTS815系統(tǒng)變形測試技術的若干改進［J］.長江科學院院報，2010，27（12）：94-98.

［11］汪斌，周若，朱杰兵，等.基于MTS系統(tǒng)的單塊試件三軸試驗方法研究［J］.長江科學院院報，2011，28（10）：162-166.

［12］周維恒.高等巖石力學［M］.北京：水利電力出版社，1990.

AbstractT he triaxial compression tests of silty mudstone from landslide were conducted in M ajiagou，Zigui County.T he deformation features under two loading control modes consisting of strain and stress were analyzed to obtain a relative safe and appropriate loading mode.T he results show：At the beginning of the loading，both of axial and circumferential stain curve present good linear characteristics under two loading control modes，the differences of deformation characteristics are significant after peak strength.Under the axial stress loading control mode，internal friction angle is relative larger，and the friction is relative higher during the rock deformation and failure resistance. Under the circumferential displacement loading mode，cohesion is relative larger during the the rock deformation and failure resistance.T he fracture modes are mainly shear-tension fracture with the low confining pressure and shear fracture with the high confining pressure；under the axial stress loading control mode，the damage degree of the specimens is oppositely severe，and the integrity of the specimens under the circumferential displacement loading control mode is better.It shows that internal material in the rock mass achieves loading capacity slowly to decrease the possibility of catastrophe with a constant increasing circumferential displacement.

Research on Triaxial Compression Tests of Silty Mudstone in Different Loading Control Modes

LI Rui1，HU Xinli1，CONG Lu1，XU Tengfei2
（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China；2.Shenzhen Municipal Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China）

Siltymudstone；T riaxialcompressiontest；Loadingcontrolmode；Deformationandfailure characteristics；Strength parameters

TU411.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.37

1003-1995（2016）04-0149-04

（責任審編周彥彥）

2015-11-15；

2015-12-23

國家自然科學基金（41272305）

李蕊（1991—），女，碩士研究生。