巖石室內單軸壓縮試驗位移加載速率的研究

蒲 誠，陳蘊生，周 沖，李光明

(西安理工大學 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

室內巖石力學試驗具有能夠嚴格控制試驗環(huán)境的條件、排除次要的影響因素、花費耗材相對較少等優(yōu)點，因此是了解巖石力學特性的重要途徑。隨著科技的發(fā)展，巖石室內試驗測試技術與儀器設備也在不斷的更新?lián)Q代。

我國巖石力學的室內試驗起步較晚，20世紀50年代以后，巖石力學首先在水利水電系統(tǒng)引起了重視。1964年，由長江科學院與長春材料試驗機廠共同研制成長江—500型巖石三軸試驗機。到80年代，長沙礦冶研究院在普通液壓材料試驗機通過加上剛性組件制成剛性試驗機系統(tǒng)，進行了巖石單軸壓縮試驗全過程。但是，由于剛性試驗機不能夠控制變量，人們很難得到準確的巖石曲線。20世紀80年代中期至90年代，地質力學研究所以及中科院武漢巖土所分別研制出電液剛性伺服性試驗機[1]。隨著剛性伺服試驗機的普及，人們意識到，最合適的試驗方法應該是控制巖石變形速率，對于不同強度的巖石，只有在同一個應變速率下進行試驗，才具有真正的可比性[2]，于是，巖石室內試驗的加載方式也由負荷加載逐漸轉變?yōu)槲灰萍虞d與位移-負荷加載。眾多學者[3-11]的研究成果表明，巖石的單軸抗壓強度與加載速率有關，加載速率越大，巖石的單軸抗壓強度越大，但是，相關規(guī)范[12-15]中僅指出巖石的室內單軸壓縮試驗應以0.5 MPa/s～1.0 MPa/s的負荷速度加載直至試件破壞，并未給出明確的位移加載速率，且對于巖石室內單軸壓縮試驗位移加載速率的研究也較為少見，僅有李蕊等[16]通過對秭歸縣馬家溝滑坡中粉砂質泥巖開展三軸壓縮試驗,分析了在位移加載和負荷加載兩種加載方式下巖石的變形破壞特征。

本文通過控制負荷加載速率不變，改變位移加載速率的方式，通過比較不同位移加載速率與規(guī)范中規(guī)定的負荷加載速率對類巖石試件峰值強度、破壞方式的影響，提出了巖石力學室內單軸壓縮試驗位移加載速率的合理范圍，對于工程以及科學研究具有一定的指導意義。

1 試驗概況

1.1 試件制備

圖1 類巖石試件圖

1.2 試驗設備及加載條件

如圖2所示，采用WDT—1500大型多功能試驗機進行試驗；采用軸向引伸計量測試件軸向變形，環(huán)向引伸計量測試件環(huán)向變形。位移加載速率分別為0.005 mm/s、0.01 mm/s、0.02 mm/s、0.05 mm/s、0.1 mm/s、0.2 mm/s，負荷加載速率為0.5 MPa/s。試件兩端涂抹少量潤滑油減少端部摩擦力的影響。

圖2 WDT—1500大型多功能材料試驗機

同時，為了保持試樣的均一性，利用圖3所示的RSM-SY5智能聲波檢測儀選取波速相近的類巖石試件，每種加載速率進行5個平行試驗，去除最大值和最小值，取剩余3個類巖石試件峰值強度的平均值為最終的峰值強度。

圖3 RSM-SY5智能聲波檢測儀

2 試驗結果

2.1 應力-應變關系

圖4、圖5顯示了負荷加載以及不同位移加載速率下的類巖石試件的應力-應變曲線。由圖4、圖5可知，試件的應力-應變曲線均經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服以及峰后破壞這四個階段。在壓密變形階階段，試件中原有的孔隙被壓密，應力隨著應變增長的速率較為緩慢；隨著應力的增加，試件進入彈性變形階段，在彈性變形階段，試件的應力-應變關系曲線呈現(xiàn)符合廣義胡克定律的直線型增長；隨著應力的進一步增加，試件進入屈服階段，在屈這一階段，試件的變形由彈性變形逐漸轉換為彈塑性混合變形，由于壓應力導致的裂隙尖端的應力集中超過了試件的起裂應力，試件內部本身存在的微裂隙之間逐漸貫通，最終導致試件的破壞。

圖4 類巖石試件1應力-應變圖

圖5類巖石試件2應力-應變圖

觀察圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，位移加載和負荷加載兩種控制方式得到的試件應力-應變曲線均具有良好的線性特征，其主要區(qū)別在于壓密段和屈服段。對試件1采用負荷加載時，應力-應變曲線呈直線型增長，巖石的壓密區(qū)以及屈服階段都不能被很好的反映。對于試件1采用位移加載時，由于控制了應變，試件的壓密階段以及屈服階段能被很好的反映，試件的破壞過程呈現(xiàn)明顯的彈塑性特征；對試件2采用負荷加載時，巖石的壓密段較為明顯，但巖石的屈服階段依舊不能被很好的反映，對試件2采用位移加載時，試件2的壓密階段以及屈服階段均被很好的反映。

2.2 峰值強度-加載速率關系

表2為類巖石試件位移加載得到的峰值強度。通過負荷加載得到的類巖石試件1、類巖石試件2的強度分別為12.18 MPa和18.43 MPa，定義通過不同位移加載得到的峰值強度與通過負荷加載得到的峰值強度的差值為強度差值。圖6為類巖石試件的強度差值與位移加載速率之間的關系曲線。

表2 類巖石試件峰值強度

圖6類巖石試件1應力-位移加載速率曲線

通過圖6可以觀察到，類巖石試件的峰值強度隨著加載速率的增大而增大，當位移加載速率小于0.01 mm/s時，類巖石試件的通過位移加載得到的峰值強度小于通過負荷加載得到的峰值強度；當位移加載速率在0.02 mm/s～0.10 mm/s時，通過位移加載得到的峰值強度與通過負荷加載得到的峰值強度極為接近，在這一區(qū)間內，位移加載速率對試件峰值強度的影響較小，即隨著位移加載速率的增大，試件的峰值強度增長較為緩慢；當位移加載速率超過0.05 mm/s之后，通過位移加載得到的類巖石試件的峰值強度大于通過負荷加載得到的類巖石試件的峰值強度，并且隨著位移加載速率的增大，這種差值越來越大。

2.3 不同加載速率的破壞模式分析

圖7是兩種類巖石試件破壞形態(tài)的對比，可以發(fā)現(xiàn)，當使用位移加載時，類巖石試樣的破壞主要以壓裂破壞為主，試件產(chǎn)生縱向的壓裂紋致使承載力喪失，試件破壞。當位移加載速率為0.005 mm/s時，類巖石試樣的破壞以膠結物之間沿著內部缺陷的微小錯動為主，試件表面并沒有形成顯著的裂紋，裂隙貫通較為緩慢，破壞后的試樣仍能保持其原有形狀。隨著加載速率的增大，當位移加載速率在0.1 mm/s～0.2 mm/s時，裂隙貫穿極為迅速，試件表面形成顯著破壞裂隙，試件的破壞以塊體的相對滑動為主，呈明顯的脆性破壞特征，破壞后的試件不能保持其原有形狀；相對于位移加載，負荷加載試件的初始破壞階段較為緩慢，但隨著負荷逐漸增大，裂隙迅速貫穿，到達峰值強度之后，試樣峰后強度迅速跌落，試件的破壞不僅有壓裂破壞，還有塊體滑移所產(chǎn)生的剪切破壞，試件的破壞較為劇烈，破壞后的試件不能保持其原有形狀。

圖7類巖石試件破壞圖

3 結 論

(1) 加載速率對巖石的峰值強度影響較大，當加載速率較小時，類巖石試件巖石的峰值強度較小，隨著加載速率的增大，類巖石試件的峰值強度逐漸增大。

(2) 類巖石試件越是軟弱，用位移加載方式越能更好的反應類巖石試件應力-應變曲線的壓密段、屈服階段以及峰后變形破壞階段。并且位移加載能更好的控制類巖石試件峰后段的加載速率，更清晰的反應類巖石試件的應力-應變關系，得到全應力-應變曲線。

(3) 通過對不同位移加載速率下與《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)、《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(DL/T 5368—2007)等規(guī)范所規(guī)定的負荷加載速率下所得到的類巖石試件峰值強度、以及破壞模式的分析，發(fā)現(xiàn)位移加載速率在0.02 mm/s～0.05 mm/s之間時，位移加載得到試件的力學性能與規(guī)范規(guī)定的負荷加載速率最為接近。對于不同強度試件的位移加載速率可以做適當?shù)恼{整，試件較軟時的位移加載速率應適當降低，約為0.02 mm/s，試件較硬時的位移加載速率應適當增高，約為0.05 mm/s。

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