圓柱體巖石在不同圍壓下力學性能的研究

趙廣臣 張永生 胡新萍

（山西工程技術學院，山西 陽泉 045000）

0 引言

巖石經歷高溫作用的情況通常在礦產資源開發、地下工程建設、放射性核廢料處理等場合出現。高溫作用會導致巖石內部礦物質的轉化和礦物間結合變化，進而導致巖石宏觀力學性能發生變化。很多專家都對經歷高溫作用的巖石進行了大量研究，劉石等[1]對經歷不同溫度的巖石進行了軸向壓縮試驗，發現特定的溫度可以導致巖石單軸抗壓強度提高，更高的溫度才能造成單軸抗壓強度急劇降低。薛凱喜等[2]分析了側限條件對巖石的單軸壓縮性能的影響，發現加載方式對受側限巖石的單軸受壓性能影響顯著，位移加載模式可以導致巖石試樣顯著的蠕變現象。肖偉晶等[3]對滲透壓力作用下的紅砂巖進行了三軸壓縮試驗，研究表明滲透壓增加會導致軸向峰值應力減小、破壞時的軸向應變減小，徑向應變變化幅度增大；滲壓的增加還會造成變形模量的減小；應力偏量的增加卻會導致變形模量逐漸增大，并且變形模量及強度與軸向應變的相關性更強。溫韜等[4]從能量和損傷的角度研究了不同圍壓下板巖的三軸受壓，研究表明，不同變形階段板巖的彈性應變能、耗散能的變化情況不同，彈性應變能先增加后減小，耗散能加載初期幾乎為零，進入屈服段急劇增加。郝士云[5]對溫度作用后巖石的動態壓縮力學性能進行了實驗和數值模擬，發現隨著加載速度提高，巖石試樣的應力峰值和應變峰值增大，破壞程度加劇。

上述研究從靜態和動態方面，采用實驗和數值方法，研究了高溫作用后巖石的力學性能。雖然一些研究也關注到巖石的圍壓條件[3][4][6]，但仍需要進一步的研究。本文采用ABAQUS軟件建立有限元模型對常溫和高溫熱處理的圓柱體巖石試樣在不同圍壓下的軸向受壓力學行為進行了數值模擬，得到了不同圍壓下常溫巖石試樣和高溫巖石試樣的破壞模式及承載力位移曲線，并進行了對比分析，為工程設計和實施提供參考。

1 巖石力學性能實驗方案

本文中的試樣采用圓柱體試樣，尺寸為d=50mm，h=100mm。將試樣分別放入馬弗爐中進行加熱至1000℃，再緩慢降至室溫25℃。

采用WES-1000B電液伺服萬能試驗機對試樣進行軸向加載，直到破壞，加載速率為0.2mm/min。軸向應變通過電阻應變片測量。

實驗得到了試樣的破壞形態（圖1、圖2）。常溫試樣的破壞形態為加載端脆性破壞，高溫處理試樣最終的破壞形態均為沿斜截面的剪切破壞，巖石試樣破碎嚴重。

圖1 巖石試樣的破壞形態

圖2 熱處理巖石試樣軸向受壓本構關系

通過巖石試樣軸向受壓本構關系得到熱處理巖石試樣的彈性模量、抗壓強度及破壞塑性應變（見表1）。

表1 巖石試樣的本構關系參數

2 有限元模型及其有效性驗證

2.1 有限元模型

巖石試樣模型通過上壓盤和下壓盤進行軸向加載，上下壓盤采用解析剛體建立，巖石試樣采用C3D8R減縮積分實體單元，單元尺寸為2mm。下壓盤固定，在上壓盤施加位移荷載。上下壓盤與巖石之間法向采用硬接觸，切向采用罰接觸，摩擦系數取0.2。有限元巖石材料采用Drucker Prager本構關系，假設材料為各向同性，常溫巖石試樣的參數見表2[7]。有限元模型如圖3所示，高溫熱處理巖石試樣的內摩擦角、膨脹角和泊松比也按表2取值，其它參數按表1取值。

表2 巖石材料參數

圖3 有限元模型

f b，其中f b為巖石試樣的單軸抗壓強度。圍壓為0主要是為了與實驗結果對照驗證有限元模型的有效性，有限元模型圍壓條件見表3。

表3 有限元模型名稱及圍壓條件 MPa

2.2 有限元模型有效性驗證

有限元模型C1、F1最終的損傷分布和破壞形態如圖4，與圖1中實驗得到的破壞形態是相近的，說明有限元模型是有效的。常溫試樣發生脆性劈裂破壞是因為試樣的剛度脆性較強，試樣端面與試驗機壓盤接觸不充分，導致壓盤對試樣的橫向約束不強，破壞由橫向應變導致的縱向裂縫開展控制，并且破壞先發生于試樣上端或者下端。高溫處理過的試樣韌性增大，破壞由最大剪應力控制，表現為剪切破壞，破壞后的試樣在上端和下端形成了一個錐體。

圖4 有限元模型破壞形態

3 有限元模擬結果及分析

常溫試樣在不同圍壓下的破壞模式如圖5所示，隨著圍壓的增大，巖石的軸向抗壓強度得到提高[3]，雖然圍壓對整個試樣形成了良好的約束，但是由于常溫試樣具有極強的脆性，使得試樣的破壞形式表現了端部的破壞。由高溫熱處理試樣在不同圍壓條件下的破壞形態（圖6）可以看出，經過較強熱損傷的巖石的破壞形態對圍壓并不敏感，其破壞形態表明，破壞是由應力偏量引起的。常溫試樣不同圍壓下軸向加載力—位移曲線（圖7）的破壞下降段陡峭程度也表明了圍壓條件下常溫試樣的破壞表現為典型的脆性。

圖5 常溫試樣不同圍壓下的破壞形態

圖6 荷載-滑移曲線

圖6 高溫熱處理試樣不同圍壓下的破壞形態

圖7 常溫試樣不同圍壓下軸向加載力—位移曲線

高溫處理試樣不同圍壓下軸向加載力—位移曲線（見圖8）顯示，經歷過高溫的巖石在較大圍壓條件下，其軸向抗壓強度可以得到提高，破壞位移增大，曲線與橫坐標所圍的面積增大表明在破壞過程中可以損耗更多的能量。常溫試樣也有類似的特點，但程度要比高溫處理試樣弱，這說明高溫處理試樣的韌性要比常溫巖石試樣強，常溫試樣破壞段對應的曲線下降段斜率比高溫處理試樣破壞下降段斜率小得多，也從另外一個角度說明高溫熱處理巖石試樣的這個特點。

圖8 高溫處理試樣不同圍壓下軸向加載力—位移曲線

4 結束語

（1）雖然圍壓會增強常溫試樣兩端的約束條件，但是因為常溫試樣具有剛度大脆性高的特點，所以各種圍壓條件下的常溫巖石試樣的破壞形態都表現為端部脆性破壞。

（2）因為較高的處理溫度造成巖石發生了較大損傷，破壞控制因素為應力偏量，所以高溫處理試樣破壞形態對圍壓條件不敏感。

（3）無論是常溫試樣還是高溫熱處理試樣，較高的圍壓條件可以提高巖石的破壞耗能特性。