泥質砂巖三軸壓縮力學特性試驗研究

劉海壯 劉春 張慶 黃富禹 周義舒

摘? 要：為研究某泥質砂巖隧道圍巖力學特性，制定了詳細的試驗方案并嚴格按照方案進行試驗，對巖石試樣分別進行圍壓為0MPa、3MPa、6MPa和9MPa的三軸壓縮試驗，得到試樣全應力應變曲線，并對結果進行分析，得到該巖石試樣的破壞形式，以此得到重要力學參數，方便工程人員使用，為后續(xù)工程施工方案的優(yōu)化選擇提供重要參考依據。

關鍵詞：泥質砂巖;三軸壓縮試驗;破壞形式;力學參數

中圖分類號：U25? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0029-03

Abstract： In order to study the mechanical properties of the surrounding rock of an argillaceous sandstone tunnel， a detailed test plan was developed and the test was carried out in strict accordance with the plan. The rock samples were subjected to triaxial compression tests with confining pressures of 0MPa， 3MPa， 6MPa and 9MPa， respectively， and obtained the full stress-strain curve of the sample is analyzed and the results are analyzed to obtain the failure form of the rock sample， which can obtain important mechanical parameters， which is convenient for engineering personnel to use， and provides an important reference for the optimization of subsequent engineering construction plans.

Keywords： argillaceous sandstone; triaxial compression test; failure mode; mechanical parameters

巖石是構造地殼地表巖體的主體成分，其構造十分復雜，是各種礦物質的集合體，不同巖石在其形成過程中的成因各不相同，造成巖石的物理特性和力學特性有很大差異，呈現出明顯的非線性、不連續(xù)性、不均質性和各向異性等特點。在地下空間工程領域，為了深入研究地下硐室開挖后的特征，了解巖石的基本構成和分類極為重要，其決定巖石力學性質和物理性質，是進行力學分析的關鍵因素之一。獲取巖石力學參數的主要手段之一是巖石的單軸、三軸試驗，試驗獲得的粘聚力和內摩擦角等參數能為工程設計、硐室開挖及圍巖支護提供有力依據。

目前許多學者對巖石力學特性已有深入研究。姜永東等[1]研究了砂巖在飽和、自然、風干三種狀態(tài)下的單軸和三軸抗壓強度特征，得到應力與軸向、徑向和體積應變間的關系曲線，根據試驗數據繪制莫爾圓并通過回歸分析得到強度參數粘聚力和內摩擦角的值。李曉娟等[2]對粉砂巖試樣進行三軸壓縮實驗，得到試樣力學參數，并通過掃描電鏡試驗得到細觀損傷圖片，從微觀角度分析了粉砂巖的力學特性。李文帥等[3]通過砂巖真三軸加載試驗，結合CT掃描技術，研究了不同中間主應力條件下巖石的強度、變形及破壞特征，得到了砂巖真三軸條件下的力學特征。

本文通過常規(guī)三軸試驗，介紹了巖石試樣的制備過程，試驗設備以及試驗方案，并對實驗結果進行了分析，得到巖石基本力學參數粘聚力和內摩擦角等，通過前人方法處理數據，得到巖石重要力學參數，方便工程實驗人員運用，為類似試驗處理提供技術指導。

1 試驗方法

1.1 試樣制備及試驗設備

本次試驗以泥質砂巖為研究對象，為保證試驗獲得參數準確可靠，在采樣過程中，采樣點位于隧道施工現場同一位置，巖石試樣盡量均質，嚴格按照規(guī)定切割、打磨制成高為100mm、直徑為50mm的圓柱樣，試樣直徑和高度誤差均不超過2mm，巖石試樣用保鮮膜包裹并裹上膠帶，將試樣打包放于泡沫紙箱運至巖石力學實驗室。

試驗用到的相關儀器設備主要依托于TFD-2000微機伺服控制巖石三軸流變試驗機。該試驗機軸向最大試驗力可達2000kN、最大圍壓100MPa，可以完成標準巖石試樣的單軸及三軸壓縮試驗、三軸流變試驗等，試驗數據由微機進行自動采集并實時記錄及分析。

1.2 試驗方案

在上述試樣準備和試驗設備的基礎上制定試驗方案，該方案設計充分考慮了巖石在三軸壓縮條件下的應力應變情況力學性質進行了研究。通過完成相應的試驗，進而獲得不同試樣的試驗數據，通過對試驗數據進行分析和處理，得到巖石重要力學參數。詳細試驗方案如下：

（1）對將要試驗的試樣進行編號，然后用游標卡尺對試樣的直徑和高度進行測量并記錄，試樣直徑測量的位置為試樣上部、中部及下部的三組數據，取平均值為最終直徑;試樣高度測量的位置為試樣高度互成120°夾角的三組數據，去平均值為最終高度。

（2）在完成直徑和高度的測量后，將試樣底部用具有良好伸縮性能的黑色膠帶固定在試驗基座上，頂部用同樣的膠帶與一塊剛性圓柱體墊塊連接，固定好之后，用剪刀剪一段與基座到圓柱體墊塊頂部一樣長的熱縮管套并將其套在試樣上，將基座、巖石試樣與圓柱體墊塊包裹在一起，用熱吹風對熱縮管套加熱，使其緊貼試樣。

（3）為了對試樣軸向和環(huán)向進行很好地測量，在試樣上安裝軸向引伸計和環(huán)向引伸計，安裝環(huán)向引伸計需將上下圓盤分別固定在基座和上部圓柱體墊塊頂部，環(huán)向引伸計則安裝在試樣中部。

（4）將安好引伸計的帶試樣基座安裝到試驗機的動力平臺上，用螺絲將基座與平臺固定在一起，將引伸計的數據接線頭和試驗機的數據接線頭連接在一起，然后打開微機系統，清零軸向和環(huán)向引伸計數值，開始試驗。

（5）按上述試驗方案進行剩下的巖石試驗操作。

根據上述試驗方案，得到所有試樣的基本物理參數，如表1所示。

2 試驗結果

2.1 三軸壓縮試驗結果

為研究三軸條件下泥質砂巖的力學行為特征，本次試驗分為4組，即4種不同圍壓，分別為0MPa、3MPa、6MPa、9MPa。考慮到試驗的偶然性和離散型，每組做3個試樣，以保證數據的準確性和可靠性。

巖石試樣在不同圍壓下應力應變關系曲線如圖1-圖4所示。

由巖石三軸壓縮全應力應變曲線圖所示，可以清楚的看到，該泥質砂巖的全應力應變曲線，總共可以分為4個階段，其分別為：壓密階段（OA）、線彈性階段（AB）、塑性破壞階段（BC）、脆性破壞階段（CD）。

OA段：試樣為低強度泥質砂巖，其顆粒較細，質地較為均勻，因而在試驗前期的加載過程中，試樣的應變量變化較為迅速，但由于該階段的壓密是對巖樣本身就存在的大孔隙和微裂紋進行壓密，因而對其軸向的應力影響不大。

AB段：在該階段，通過前面的壓密階段，巖樣內部已經是趨于穩(wěn)定的整體，各部分的孔隙及微裂紋基本上都閉合完畢，因此該段內巖樣的軸向應力速率增加迅速，同時，在該段內應變量的增加速率卻相對較慢，該階段的變形屬于彈性變形。

BC段：隨著軸向應力的持續(xù)增加，巖樣內部的孔隙以及微裂紋重新出現在巖樣的薄弱部位，并且各個孔隙與微裂紋之間在較大應力的作用下，快速的延伸，貫穿，進而形成塑性破壞，此時，巖樣的軸向應力速率明顯減緩，軸向應力逐漸達到峰值，整個巖樣發(fā)生破壞。

CD段：在達到峰值應力之后，巖樣發(fā)生脆性破壞，形成的破壞面之間由于摩擦力的作用，仍具有一些應力存在，但呈現出明顯的下降趨勢，下降的過程迅速，但由于巖石內部結構，變形特點有所差異。

圖1-圖4清晰明了說明隨著圍壓的增大，試樣軸向應力也隨之增大，但增大量在逐漸減少;圍壓為3MPa、6MPa、9MPa時，軸向應變隨圍壓增大而增大，且變形增大顯著。當圍壓為0MPa時，軸向最大應力為26.95MPa，軸向應變?yōu)?.56%;當圍壓為3MPa時，軸向最大應力為33.95MPa，軸向應變?yōu)?.67%;當圍壓為6MPa時，軸向最大應力為39.33MPa，軸向應變?yōu)?.74%;當圍壓為9MPa時，軸向最大應力為45.21MPa，軸向應變?yōu)?.95%。

通過以上得到的最大軸向應力和幾個不同的圍壓值，結合文獻[4]，即可得到該巖石的粘聚力，內摩擦角，進而得到巖石彈性模量為5.7，泊松比為0.3。

2.2 巖石破壞形式

巖石的破壞形式主要包括脆性破壞、塑性破壞和剪切破壞三類。本文中巖石試樣的破壞圖形如圖5所示。由圖可知，當圍壓為0時，此時巖石試樣無環(huán)向壓力約束，巖石只在軸向應力作用下發(fā)生變形，其破壞面由巖樣頂部呈波浪形到達巖樣底部，將巖樣對稱分為兩部分;當圍壓為3MPa時，破壞形式不變，但是破壞面的終止點位于試樣低中部;當圍壓達到6MPa時，破壞形式依舊不變，但破壞面的終止點位于試樣低偏右側;隨著圍壓進一步加大，巖石試樣發(fā)生脆性破壞和剪切破壞，其破壞面的起始線更長。

3 結論

本次試驗一共分為4組，根據圍壓不同劃分，每個圍壓等級做三個試驗，通過對這些試樣的三軸壓縮試驗，得到該泥質砂巖的全應力應變曲線，總共可以分為壓密階段、線彈性階段、塑性破壞階段和脆性破壞階段4個階段;隨著圍壓的增大，試樣軸向應力也隨之增大，但增大量在逐漸減少，軸向應變隨圍壓增大而增大，且變形增大顯著;根據實驗結果分析，計算出了巖石相應力學參數，并得出該巖石的破壞形式主要包括脆性破壞和剪切破壞，符合巖石破壞形式的基本規(guī)律。

參考文獻：

[1]姜永東，鮮學福，許江，等.砂巖單軸三軸壓縮試驗研究[J].中國礦業(yè)，2004（04）：68-71.

[2]李曉娟，倪驍慧，孫斌祥，等.粉砂巖三軸壓縮條件下細觀損傷特征的定量研究[J].煤炭學報，2012，37（04）：590-595.

[3]李文帥，王連國，陸銀龍，等.真三軸條件下砂巖強度、變形及破壞特征試驗研究[J].采礦與安全工程學報，2019，36（01）：191-197.

[4]劉小亮，岳虎，張士林.利用EXCEL自動求解巖土三軸試驗C、φ值[J].教育現代化，2020，7（04）：116-117.