巖石變形力學(xué)特性試驗(yàn)研究

梁書玲

【摘要】巖石的變形力學(xué)特性是巖石力學(xué)研究的關(guān)鍵，本文對(duì)取自淮南市礦井內(nèi)的巖石進(jìn)行了單軸、3T循環(huán)加載壓縮試驗(yàn)，分析了巖樣在不同循環(huán)受力條件下的變形力學(xué)特性規(guī)律，對(duì)巖樣在循環(huán)受力條件下的變形力學(xué)特性的機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究，為下一步建立巖石的損傷演化模型及本構(gòu)關(guān)系提供了基礎(chǔ)和參考。

【關(guān)鍵詞】變形力學(xué)特性 內(nèi)部裂紋 單軸

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）44-0135-02

目前，用于研究巖石變形力學(xué)特性最常用的室內(nèi)試驗(yàn)方法是單軸和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)。通過此類試驗(yàn)可以得到反映巖石變形破壞最基本力學(xué)特征的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線，以及其他主要力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。此外還有真三軸壓縮、直接剪切、巴西劈裂等室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)不同巖土工程的需要，通過這些試驗(yàn)可以得到巖石在荷載作用下更全面的變形力學(xué)特性。這些試驗(yàn)結(jié)果為建立巖石本構(gòu)關(guān)系提供了不可或缺的數(shù)據(jù)資料，因此，本文首先進(jìn)行了一些常規(guī)試驗(yàn)。

一、試驗(yàn)?zāi)康募安襟E

試驗(yàn)的主要目的是為了獲得試件的單軸抗壓強(qiáng)度、各種受力循環(huán)周期下單軸壓縮峰值強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、粘聚力、彈性模量、泊松比、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線及破壞特征等，同時(shí)為后續(xù)研究加載過程微裂紋體積應(yīng)變的變化規(guī)律提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

單軸壓縮試驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行：（1）選擇好試驗(yàn)巖樣，用游標(biāo)卡尺對(duì)巖樣上、下部分別測(cè)量其直徑兩次，測(cè)量其長(zhǎng)度兩次，并做好相關(guān)記錄，計(jì)算出巖樣的平均直徑和平均長(zhǎng)度，對(duì)巖樣進(jìn)行試驗(yàn)前的拍照；（2）將巖樣置于試驗(yàn)機(jī)的承壓板中心；（3）安裝軸向引伸計(jì)和徑向引伸計(jì)，使引伸計(jì)各引腳與巖樣表面完全接觸，并使引申針的長(zhǎng)度處于正常范圍；（4）以位移控制加載，設(shè)定好必要參數(shù)，啟動(dòng)高壓開始加載，試驗(yàn)全過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集荷載和變形值，直至巖樣破壞；停止試驗(yàn)，取出巖樣，進(jìn)行拍照及記錄描述。

二、單軸壓縮試驗(yàn)

為了了解巖石的基本屬性，我們先拿出三個(gè)巖樣對(duì)其進(jìn)行常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)，如圖為三個(gè)試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。從這些圖中可以看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為如下幾個(gè)階段：（1）初始?jí)好茈A段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線稍向上彎曲，其切線斜率逐漸增大，但接近彈性，一般不產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形。在單軸應(yīng)力狀態(tài)下，該階段顯著；常規(guī)三軸應(yīng)力狀態(tài)下，隨著圍壓的增高，巖樣內(nèi)部的微裂隙等初始缺陷在圍壓作用下已被很大程度地壓密，該階段顯得越來越不明顯。從圖中應(yīng)力-徑向應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，該階段巖石徑向變形不明顯，幾乎沒有。（2）彈性變形階段：巖樣穩(wěn)定承載，應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于直線，近似于線彈性工作階段，但并非嚴(yán)格意義上的線彈性，該階段以可恢復(fù)彈性變形為主，但也包含少量不可恢復(fù)的塑性變形。（3）非彈性變形階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線向下彎曲，其切線斜率逐漸變緩直至降為，該階段的起始點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，通常在峰值應(yīng)力的處，巖石內(nèi)部出現(xiàn)新的裂隙。該階段即使應(yīng)力保持不變，由于破裂過程中造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，微裂紋仍會(huì)不斷擴(kuò)展。發(fā)生的變形中，不可恢復(fù)塑性變形逐漸增多，且徑向應(yīng)變的變化速率明顯高于軸向應(yīng)變。對(duì)于脆性巖石，隨著圍壓的增高，該階段越來越明顯。（4）破壞階段：應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，巖石進(jìn)入破壞階段，此后應(yīng)力-應(yīng)變曲線切線斜率由零變?yōu)樨?fù)值，巖石強(qiáng)度迅速降低。巖石在該階段的發(fā)展過程稱為破壞過程，巖石完全失去承載能力時(shí)才算破壞，若巖石仍具有一定的承載能力，則稱該強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度。隨著圍壓的增高，該階段變形逐漸由脆性向延性轉(zhuǎn)化。

三、3T循環(huán)單軸壓縮試驗(yàn)

采用循環(huán)荷載測(cè)試方法對(duì)測(cè)試巖石的阻尼比、阻尼系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算分析的綜合探討，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如下圖所示：從圖4，圖5，圖6中可以得到砂巖的動(dòng)應(yīng)變?cè)诘谝粋€(gè)加卸載循環(huán)中的軸向塑性應(yīng)變量分別約為 0.0015%，0.0025%，0.0018%，加載段曲線和卸載段曲線構(gòu)成了面積較大滯回環(huán)，表明當(dāng)?shù)谝粋€(gè)加卸載循環(huán)完成時(shí)，砂巖由于其阻尼性質(zhì)，各組試樣的典型動(dòng)應(yīng)力–應(yīng)變曲線均表明，隨加卸載循環(huán)周次增加，動(dòng)應(yīng)變?cè)黾樱砻髌渌苄宰冃坞S循環(huán)周次增加而增大，但相比而言，動(dòng)應(yīng)力幅值和動(dòng)應(yīng)力循環(huán)周次相同時(shí)，砂巖得到的滯回環(huán)相互間距較為緊湊，為“密集型”滯回環(huán)。同時(shí)，自第二個(gè)振動(dòng)周期開始，砂巖得到的各加卸載周次構(gòu)成的滯回環(huán)面積始終大于上一次砂巖的到的滯回環(huán)面積。 同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)每次循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)滯回環(huán)，意味著每次的受力循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生損耗能。所以循環(huán)加載的次數(shù)越多，所產(chǎn)生的損耗能越多。而且從圖中我們看出損耗能大多發(fā)生在卸載到加載的過程，而加載到卸載的過程幾乎不產(chǎn)生損耗能。

四、總結(jié)

從建立模型與巖石的能量分析方面來對(duì)巖石進(jìn)行研究，這與我們平日對(duì)巖石的研究思路不太一樣，這使我們對(duì)相關(guān)的巖石問題的研究展開了新的思路。同時(shí)，得出巖石本構(gòu)方程后，我們通過應(yīng)力應(yīng)變曲線來計(jì)算分析巖石中的能量轉(zhuǎn)化，從而從微觀上來理解巖石變形破壞的整個(gè)過程，通過控制巖石能量轉(zhuǎn)化的途徑來控制巖石的變形破壞。巖石能量演化理論是巖石力學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域，其具有較廣泛的應(yīng)用前景。

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