泥質(zhì)砂巖三軸壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)研究

劉海壯 劉春 張慶 黃富禹 周義舒

摘? 要：為研究某泥質(zhì)砂巖隧道圍巖力學(xué)特性，制定了詳細(xì)的試驗(yàn)方案并嚴(yán)格按照方案進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)巖石試樣分別進(jìn)行圍壓為0MPa、3MPa、6MPa和9MPa的三軸壓縮試驗(yàn)，得到試樣全應(yīng)力應(yīng)變曲線，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得到該巖石試樣的破壞形式，以此得到重要力學(xué)參數(shù)，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(jù)。

關(guān)鍵詞：泥質(zhì)砂巖;三軸壓縮試驗(yàn);破壞形式;力學(xué)參數(shù)

中圖分類號(hào)：U25? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：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(gòu)造地殼地表巖體的主體成分，其構(gòu)造十分復(fù)雜，是各種礦物質(zhì)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(xué)特性有很大差異，呈現(xiàn)出明顯的非線性、不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性等特點(diǎn)。在地下空間工程領(lǐng)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(gòu)成和分類極為重要，其決定巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，是進(jìn)行力學(xué)分析的關(guān)鍵因素之一。獲取巖石力學(xué)參數(shù)的主要手段之一是巖石的單軸、三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)獲得的粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)能為工程設(shè)計(jì)、硐室開挖及圍巖支護(hù)提供有力依據(jù)。

目前許多學(xué)者對(duì)巖石力學(xué)特性已有深入研究。姜永東等[1]研究了砂巖在飽和、自然、風(fēng)干三種狀態(tài)下的單軸和三軸抗壓強(qiáng)度特征，得到應(yīng)力與軸向、徑向和體積應(yīng)變間的關(guān)系曲線，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制莫爾圓并通過回歸分析得到強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角的值。李曉娟等[2]對(duì)粉砂巖試樣進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到試樣力學(xué)參數(shù)，并通過掃描電鏡試驗(yàn)得到細(xì)觀損傷圖片，從微觀角度分析了粉砂巖的力學(xué)特性。李文帥等[3]通過砂巖真三軸加載試驗(yàn)，結(jié)合CT掃描技術(shù)，研究了不同中間主應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度、變形及破壞特征，得到了砂巖真三軸條件下的力學(xué)特征。

本文通過常規(guī)三軸試驗(yàn)，介紹了巖石試樣的制備過程，試驗(yàn)設(shè)備以及試驗(yàn)方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到巖石基本力學(xué)參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角等，通過前人方法處理數(shù)據(jù)，得到巖石重要力學(xué)參數(shù)，方便工程實(shí)驗(yàn)人員運(yùn)用，為類似試驗(yàn)處理提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)以泥質(zhì)砂巖為研究對(duì)象，為保證試驗(yàn)獲得參數(shù)準(zhǔn)確可靠，在采樣過程中，采樣點(diǎn)位于隧道施工現(xiàn)場(chǎng)同一位置，巖石試樣盡量均質(zhì)，嚴(yán)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(yùn)至巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

試驗(yàn)用到的相關(guān)儀器設(shè)備主要依托于TFD-2000微機(jī)伺服控制巖石三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)軸向最大試驗(yàn)力可達(dá)2000kN、最大圍壓100MPa，可以完成標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣的單軸及三軸壓縮試驗(yàn)、三軸流變?cè)囼?yàn)等，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由微機(jī)進(jìn)行自動(dòng)采集并實(shí)時(shí)記錄及分析。

1.2 試驗(yàn)方案

在上述試樣準(zhǔn)備和試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上制定試驗(yàn)方案，該方案設(shè)計(jì)充分考慮了巖石在三軸壓縮條件下的應(yīng)力應(yīng)變情況力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。通過完成相應(yīng)的試驗(yàn)，進(jìn)而獲得不同試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到巖石重要力學(xué)參數(shù)。詳細(xì)試驗(yàn)方案如下：

（1）對(duì)將要試驗(yàn)的試樣進(jìn)行編號(hào)，然后用游標(biāo)卡尺對(duì)試樣的直徑和高度進(jìn)行測(cè)量并記錄，試樣直徑測(cè)量的位置為試樣上部、中部及下部的三組數(shù)據(jù)，取平均值為最終直徑;試樣高度測(cè)量的位置為試樣高度互成120°夾角的三組數(shù)據(jù)，去平均值為最終高度。

（2）在完成直徑和高度的測(cè)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(yàn)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(zhǎng)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(fēng)對(duì)熱縮管套加熱，使其緊貼試樣。

（3）為了對(duì)試樣軸向和環(huán)向進(jìn)行很好地測(cè)量，在試樣上安裝軸向引伸計(jì)和環(huán)向引伸計(jì)，安裝環(huán)向引伸計(jì)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(jì)則安裝在試樣中部。

（4）將安好引伸計(jì)的帶試樣基座安裝到試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)力平臺(tái)上，用螺絲將基座與平臺(tái)固定在一起，將引伸計(jì)的數(shù)據(jù)接線頭和試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)接線頭連接在一起，然后打開微機(jī)系統(tǒng)，清零軸向和環(huán)向引伸計(jì)數(shù)值，開始試驗(yàn)。

（5）按上述試驗(yàn)方案進(jìn)行剩下的巖石試驗(yàn)操作。

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，得到所有試樣的基本物理參數(shù)，如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

為研究三軸條件下泥質(zhì)砂巖的力學(xué)行為特征，本次試驗(yàn)分為4組，即4種不同圍壓，分別為0MPa、3MPa、6MPa、9MPa。考慮到試驗(yàn)的偶然性和離散型，每組做3個(gè)試樣，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

巖石試樣在不同圍壓下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1-圖4所示。

由巖石三軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線圖所示，可以清楚的看到，該泥質(zhì)砂巖的全應(yīng)力應(yīng)變曲線，總共可以分為4個(gè)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(qiáng)度泥質(zhì)砂巖，其顆粒較細(xì)，質(zhì)地較為均勻，因而在試驗(yàn)前期的加載過程中，試樣的應(yīng)變量變化較為迅速，但由于該階段的壓密是對(duì)巖樣本身就存在的大孔隙和微裂紋進(jìn)行壓密，因而對(duì)其軸向的應(yīng)力影響不大。

AB段：在該階段，通過前面的壓密階段，巖樣內(nèi)部已經(jīng)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(nèi)巖樣的軸向應(yīng)力速率增加迅速，同時(shí)，在該段內(nèi)應(yīng)變量的增加速率卻相對(duì)較慢，該階段的變形屬于彈性變形。

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

CD段：在達(dá)到峰值應(yīng)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(yīng)力存在，但呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，下降的過程迅速，但由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，變形特點(diǎn)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(yīng)力也隨之增大，但增大量在逐漸減少;圍壓為3MPa、6MPa、9MPa時(shí)，軸向應(yīng)變隨圍壓增大而增大，且變形增大顯著。當(dāng)圍壓為0MPa時(shí)，軸向最大應(yīng)力為26.95MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?.56%;當(dāng)圍壓為3MPa時(shí)，軸向最大應(yīng)力為33.95MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?.67%;當(dāng)圍壓為6MPa時(shí)，軸向最大應(yīng)力為39.33MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?.74%;當(dāng)圍壓為9MPa時(shí)，軸向最大應(yīng)力為45.21MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?.95%。

通過以上得到的最大軸向應(yīng)力和幾個(gè)不同的圍壓值，結(jié)合文獻(xiàn)[4]，即可得到該巖石的粘聚力，內(nèi)摩擦角，進(jìn)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(dāng)圍壓為0時(shí)，此時(shí)巖石試樣無環(huán)向壓力約束，巖石只在軸向應(yīng)力作用下發(fā)生變形，其破壞面由巖樣頂部呈波浪形到達(dá)巖樣底部，將巖樣對(duì)稱分為兩部分;當(dāng)圍壓為3MPa時(shí)，破壞形式不變，但是破壞面的終止點(diǎn)位于試樣低中部;當(dāng)圍壓達(dá)到6MPa時(shí)，破壞形式依舊不變，但破壞面的終止點(diǎn)位于試樣低偏右側(cè);隨著圍壓進(jìn)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(zhǎng)。

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)一共分為4組，根據(jù)圍壓不同劃分，每個(gè)圍壓等級(jí)做三個(gè)試驗(yàn)，通過對(duì)這些試樣的三軸壓縮試驗(yàn)，得到該泥質(zhì)砂巖的全應(yīng)力應(yīng)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(gè)階段;隨著圍壓的增大，試樣軸向應(yīng)力也隨之增大，但增大量在逐漸減少，軸向應(yīng)變隨圍壓增大而增大，且變形增大顯著;根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，計(jì)算出了巖石相應(yīng)力學(xué)參數(shù)，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(xiàn)：

[1]姜永東，鮮學(xué)福，許江，等.砂巖單軸三軸壓縮試驗(yàn)研究[J].中國(guó)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(xì)觀損傷特征的定量研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（04）：590-595.

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

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