巖石變形力學特性試驗研究

梁書玲

【摘要】巖石的變形力學特性是巖石力學研究的關鍵，本文對取自淮南市礦井內的巖石進行了單軸、3T循環加載壓縮試驗，分析了巖樣在不同循環受力條件下的變形力學特性規律，對巖樣在循環受力條件下的變形力學特性的機理進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關系提供了基礎和參考。

【關鍵詞】變形力學特性 內部裂紋 單軸

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）44-0135-02

目前，用于研究巖石變形力學特性最常用的室內試驗方法是單軸和常規三軸壓縮試驗。通過此類試驗可以得到反映巖石變形破壞最基本力學特征的應力-應變全過程曲線，以及其他主要力學性質參數。此外還有真三軸壓縮、直接剪切、巴西劈裂等室內試驗，根據不同巖土工程的需要，通過這些試驗可以得到巖石在荷載作用下更全面的變形力學特性。這些試驗結果為建立巖石本構關系提供了不可或缺的數據資料，因此，本文首先進行了一些常規試驗。

一、試驗目的及步驟

試驗的主要目的是為了獲得試件的單軸抗壓強度、各種受力循環周期下單軸壓縮峰值強度、內摩擦角、粘聚力、彈性模量、泊松比、應力-應變關系曲線及破壞特征等，同時為后續研究加載過程微裂紋體積應變的變化規律提供相關數據。

單軸壓縮試驗按如下步驟進行：（1）選擇好試驗巖樣，用游標卡尺對巖樣上、下部分別測量其直徑兩次，測量其長度兩次，并做好相關記錄，計算出巖樣的平均直徑和平均長度，對巖樣進行試驗前的拍照；（2）將巖樣置于試驗機的承壓板中心；（3）安裝軸向引伸計和徑向引伸計，使引伸計各引腳與巖樣表面完全接觸，并使引申針的長度處于正常范圍；（4）以位移控制加載，設定好必要參數，啟動高壓開始加載，試驗全過程數據采集系統自動采集荷載和變形值，直至巖樣破壞；停止試驗，取出巖樣，進行拍照及記錄描述。

二、單軸壓縮試驗

為了了解巖石的基本屬性，我們先拿出三個巖樣對其進行常規的三軸壓縮試驗，如圖為三個試件的應力應變曲線圖。從這些圖中可以看出，應力-應變曲線可以分為如下幾個階段：（1）初始壓密階段：應力-應變曲線稍向上彎曲，其切線斜率逐漸增大，但接近彈性，一般不產生不可恢復的變形。在單軸應力狀態下，該階段顯著；常規三軸應力狀態下，隨著圍壓的增高，巖樣內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。從圖中應力-徑向應變關系曲線可以看出，該階段巖石徑向變形不明顯，幾乎沒有。（2）彈性變形階段：巖樣穩定承載，應力-應變曲線接近于直線，近似于線彈性工作階段，但并非嚴格意義上的線彈性，該階段以可恢復彈性變形為主，但也包含少量不可恢復的塑性變形。（3）非彈性變形階段：應力-應變曲線向下彎曲，其切線斜率逐漸變緩直至降為，該階段的起始點稱為屈服點，通常在峰值應力的處，巖石內部出現新的裂隙。該階段即使應力保持不變，由于破裂過程中造成的應力集中現象顯著，微裂紋仍會不斷擴展。發生的變形中，不可恢復塑性變形逐漸增多，且徑向應變的變化速率明顯高于軸向應變。對于脆性巖石，隨著圍壓的增高，該階段越來越明顯。（4）破壞階段：應力達到峰值強度時，巖石進入破壞階段，此后應力-應變曲線切線斜率由零變為負值，巖石強度迅速降低。巖石在該階段的發展過程稱為破壞過程，巖石完全失去承載能力時才算破壞，若巖石仍具有一定的承載能力，則稱該強度為殘余強度。隨著圍壓的增高，該階段變形逐漸由脆性向延性轉化。

三、3T循環單軸壓縮試驗

采用循環荷載測試方法對測試巖石的阻尼比、阻尼系數進行了試驗測試和計算分析的綜合探討，實驗應力應變曲線如下圖所示：從圖4，圖5，圖6中可以得到砂巖的動應變在第一個加卸載循環中的軸向塑性應變量分別約為 0.0015%，0.0025%，0.0018%，加載段曲線和卸載段曲線構成了面積較大滯回環，表明當第一個加卸載循環完成時，砂巖由于其阻尼性質，各組試樣的典型動應力–應變曲線均表明，隨加卸載循環周次增加，動應變增加，表明其塑性變形隨循環周次增加而增大，但相比而言，動應力幅值和動應力循環周次相同時，砂巖得到的滯回環相互間距較為緊湊，為“密集型”滯回環。同時，自第二個振動周期開始，砂巖得到的各加卸載周次構成的滯回環面積始終大于上一次砂巖的到的滯回環面積。 同時我們發現每次循環都會產生一個滯回環，意味著每次的受力循環都會產生損耗能。所以循環加載的次數越多，所產生的損耗能越多。而且從圖中我們看出損耗能大多發生在卸載到加載的過程，而加載到卸載的過程幾乎不產生損耗能。

四、總結

從建立模型與巖石的能量分析方面來對巖石進行研究，這與我們平日對巖石的研究思路不太一樣，這使我們對相關的巖石問題的研究展開了新的思路。同時，得出巖石本構方程后，我們通過應力應變曲線來計算分析巖石中的能量轉化，從而從微觀上來理解巖石變形破壞的整個過程，通過控制巖石能量轉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的一個新領域，其具有較廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]謝和平，彭瑞東，鞠楊. 巖石變形破壞過程中的能量耗散分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23（21）.

[2]謝和平，鞠楊，黎立云. 基于能量耗散與釋放原理的巖石強度與整體破壞準則[J]. 巖石力學與工程學報，2005，24（17）.