大理巖常規三軸壓縮試驗的相關性分析

黃英華，唐海燕

(長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

大理巖常規三軸壓縮試驗的相關性分析

黃英華，唐海燕

(長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

大理巖常規三軸壓縮試驗結果表明，隨著圍壓的增加，大理巖的峰值強度和殘余強度逐漸增大，且峰值強度和殘余強度與圍壓之間存在較好的相關性，但殘余強度對圍壓的敏感性顯著高于峰值強度。當圍壓≤20 MPa時，各大理巖試樣的應力－應變曲線中直線部分基本重合，彈性模量沒有明顯變化;當圍壓＞20 MPa時，巖樣剛度加大，全應力–應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;峰值強度;殘余強度;彈性模量

0 前言

近年來，隨著水庫大壩、鐵路隧道、跨江橋梁等重大工程項目的興建，以及地下采礦和人防工程的巨大發展，對巖石強度和變形基本特性的研究也越來越受到重視，并取得了諸多成果。隨著試驗設備和技術手段的提高，人類已逐漸掌握部分巖體三向應力狀態下的變形和強度變化規律，對探明巖石的破壞機理具有重要的工程實踐意義。作者采用MTS－815電液伺服巖石試驗系統對中顆粒大理巖進行了常規三軸壓縮試驗，研究大理巖的強度和變形特性，以期為巖土工程設計時巖石力學參數的選擇提供參考依據。

1 試驗設備與試樣加工

大理巖為碳酸鹽巖經區域變質或接觸變質形成的巖體，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、斜長石、石英、方鎂石等。具粒狀變晶結構，塊狀、條帶構造，一般以白色和灰色為主。本次試驗所用大理巖石為碳酸鹽巖石重結晶而成，中顆粒，白色，呈致密塊狀構造，宏觀均勻一致，礦物成分主要為方解石、白云石、硅灰石和斜長石，硬度為 3.0～5.0。

1.1 試樣加工

根據國際巖石力學學會制定的標準，采用長沙礦山研究院巖石力學實驗室試驗設備，對大理巖巖塊進行鉆樣、切割、磨平，加工成Ф50 mm×110 mm圓柱形標準試樣，高徑比約為2.2∶1，端面不平整度誤差不超過0.02 mm，側面不平整度不超過0.3 mm。

1.2 壓力加載實驗設備

試驗采用長沙礦山研究院巖體力學實驗室的250 t全數字型液壓伺服剛性巖石力學試驗系統(MTS－815型)，該試驗系統是從美國引進的性能先進的巖石－混凝土材料力學性能測試設備。MTS－815全數字型液壓伺服剛性試驗機采用閉環伺服控制方式來實現對壓力機工作行為的控制。在這種壓力機中，巖樣的受力和變形是根據計算機給定的加載或變形進行的，它可以隨時將巖樣的實際荷載或變形速度與控制程序給定的速率進行比較，一旦巖樣承載能力下降，變形加速，則給出控制信號命令，壓機自動卸載，從而完成一個閉環動作。壓機完成一個試驗過程，就要完成多個這樣的閉環控制動作，直至試驗結束。實驗系統配置了基于windows平臺的可視化控制操作軟件，可跟蹤記錄當前時間、荷載、應力、位移、應變值的大小、荷載－位移、應力－應變曲線等。全部試驗過程由計算機控制，并由計算機保存全部試驗的圖形和數據結果。本次試驗采用等位移加載控制方式，加載位移速率為2×10－3mm/s，共進行了6組不同圍壓的三軸壓縮試驗。

2 試驗結果及分析

大理巖常規三軸壓縮的全應力－應變曲線如圖1所示。由圖1可見，隨著圍壓的增加，巖石的峰值強度和殘余強度均逐漸增大。屈服之前，各圍壓條件下的巖樣變形規律完全相同，都經歷孔隙壓縮、彈性變形、塑性變形和峰值破壞等階段。達到屈服破壞后，巖樣中眾多微裂面相互貫通，出現某一承載面的整體弱化過程，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全應力－應變曲線屬于Ⅰ型曲線。零圍壓時，大理巖呈脆性破壞，當圍壓增大時，呈塑性破壞，當圍壓達到一定值時，變形出現屈服平臺，呈現塑性流動，即峰后表現為理想塑性，此時，對應的圍壓稱為臨界轉化圍壓。當圍壓低于轉化圍壓時，大理巖應力－應變曲線上有一峰值強度;當圍壓繼續增大，高于轉化圍壓時，大理巖應力－應變曲線上不再出現峰值點，應力－應變關系呈單調增加趨勢，表現為應變硬化特性。本試驗的中顆粒大理巖的轉化圍壓約為40 MPa。

圖1 不同圍壓條件下大理巖的應力－應變曲線

2.1 強度特性

目前巖體工程領域內，Coulomb強度準則得到了普遍應用，認為巖石承載的最大剪切應力τs由粘聚力c和內摩擦力確定，即τs=c+μσ。同時，Coulomb強度準則也可以用主應力表示為 σs=σ0+Kσ3，式中σ0和K均為強度準則材料參數。通過對試驗結果的回歸分析，得出大理巖最大軸向承載應力σs與圍壓σ3成線性關系(見圖2)，相關系數R=0.95，回歸關系式為:

圖2 峰值強度、殘余強度與圍壓的關系

大理巖剪切破壞后，仍保留有一定的殘余強度，其殘余強度隨著圍壓的升高急劇增大，對圍壓的敏感度遠比峰值強度要強，當圍壓增加到55.3 MPa時，大理巖峰值強度與殘余強度接近，材料特性由應變軟化轉變為理想彈塑性材料，當圍壓繼續升高，大理巖無峰值強度，殘余強度隨圍壓升高單調增大。根據試驗數據的統計分析，得出圍壓σ3與大理巖殘余強度σf具有很好的線性關系(見圖2)，相關系數R=0.996，回歸關系式為:

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律完全相同。由于大理巖巖樣存在內部缺陷，當圍壓≤20 MPa時，不足以改變巖樣本身的材料特性，其應力－應變曲線中直線部分(彈性階段)基本重合，彈性模量沒有明顯變化;當圍壓＞20 MPa時，巖樣內微裂隙受壓閉合，致材料進一步均質、致密化，巖樣剛度加大，在相同應力范圍內，應變要比低圍壓的應變小得多，巖樣的全應力－應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，峰值應變先增大后隨之減小，峰值應變與圍壓的回歸關系如圖3所示，其變形特點反映出試驗所用大理巖均質、致密的程度較高，其內部缺陷主要是極小的微裂隙，高圍壓下，試樣已無壓縮變形的空間。

圖3 峰值應變與圍壓的回歸關系

3 結論

(1)隨著圍壓的增加，大理巖的峰值強度和殘余強度均逐漸增大，屈服之前的各圍壓條件下的巖樣變形規律完全相同，都經歷孔隙壓縮、彈性變形、塑性變形和峰值破壞等階段，達到屈服破壞后，巖樣中眾多微裂面相互貫通，出現某一承載面的整體弱化過程，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，峰值強度和殘余強度與圍壓之間都存在較好的相關性。

(2)零圍壓時，大理巖呈脆性破壞，當圍壓增大時，呈塑性破壞，當圍壓達到一定值時，變形出現屈服平臺，呈現塑性流動，本次中顆粒大理巖的轉化圍壓約為40 MPa。

(3)當圍壓≤20 MPa時，各大理巖試樣的應力－應變曲線中直線部分(彈性階段)基本重合，彈性模量沒有明顯變化;當圍壓＞20 MPa時，巖樣剛度加大，巖樣的全應力－應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，峰值應變先增大后隨之減小，反映出試驗所用大理巖均質、致密的程度較高，其內部缺陷主要是極小的微裂隙，高圍壓下，試樣已無壓縮變形的空間。

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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的研究，Email:hyh0891@126.com。