大理巖單軸壓縮力學(xué)特性試驗研究

大理巖單軸壓縮力學(xué)特性試驗研究

1大理巖巖樣能量特征及其影響規(guī)律由于天然材料的原因和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，巖石的組織結(jié)構(gòu)非常不均勻，而且內(nèi)部存在許多天然缺陷。此外，這些缺陷的分布是隨機的，因此可以被認為是一種非均質(zhì)多相復(fù)合結(jié)構(gòu)。在受到外界力作用下，彌散在巖石內(nèi)部原有的微缺陷不斷變化，新生微裂不斷萌生、擴展，最后彼此貫通；隨著應(yīng)力或應(yīng)變增加，巖石不斷產(chǎn)生損傷，最終形成宏觀裂縫，這將導(dǎo)致巖石最終失穩(wěn)破壞。巖石變形破壞過程是能量的復(fù)雜轉(zhuǎn)化過程，在巖石應(yīng)力到達峰值強度前不斷吸收外界的能量，而峰值后破壞則是能量不斷釋放的過程。也就是說，巖石的變形破壞過程實質(zhì)上是能量耗散和釋放的全過程。許多學(xué)者[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]對巖樣破壞過程的能量變化規(guī)律進行試驗研究，并取得有價值的研究成果。如謝和平等研究巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放、巖石強度、整體破壞的內(nèi)在聯(lián)系，認為巖石的變形破壞過程實際上就是一個從局部耗散到局部破壞最終到整體災(zāi)變過程。尤明慶和華安增研究試樣三軸加載后保持軸向變形恒定降低圍壓破壞過程中，巖樣實際吸收能量與圍壓的關(guān)系。楊圣奇等研究不同尺度大理巖樣單軸壓縮變形破壞與能量特征的影響規(guī)律，分析圍壓對巖樣三軸壓縮變形破壞與能量的影響規(guī)律。喻勇等研究了花崗巖在三點彎曲斷裂、劈裂拉伸、三軸壓縮及單軸抗壓不同加載方式下的能耗特征。彭瑞東等討論試驗系統(tǒng)彈性儲能對巖石變形測量的影響。但是對巖樣三軸壓縮屈服變形完全卸載后再進行單軸壓縮試驗，對損傷巖樣的變形、強度和破壞能與三軸壓縮的圍壓、塑性變形量及能耗等之間關(guān)系尚不完全清楚。在不同圍壓條件下，首先對大理巖巖樣進行壓縮到不同塑性變形后完全卸載，然后對得到的損傷巖樣再進行單軸壓縮等一系列的試驗。通過分析巖樣不同圍壓條件下三軸壓縮的塑性變形量、能耗與損傷巖樣單軸壓縮時的強度、平均模量以及能耗特征的變化規(guī)律，研究損傷巖樣的變形、強度以及能耗特性，為研究工程巖體的力學(xué)特性提供一種新的思路，研究結(jié)果對實際工程巖體開挖卸載后的穩(wěn)定性分析也有一定的參考價值。2大理巖樣品在不同襯底壓力下的三軸壓縮試驗2.1被壓壓下的變形試驗試驗所用大理巖來自河南省南陽市南召縣采石場，主要礦物成分為方解石、白云石和菱鎂礦，白色，粒徑為0.5～1.0mm，未風(fēng)化，均沒有肉眼可見的明顯缺陷，整體質(zhì)地均勻，平均聲波速度為3424m/s。巖樣取自同一巖塊，經(jīng)鉆、鋸和磨工序加工成直徑φ50mm、長度100mm的圓柱體，巖樣兩端的不平行度小于0.05mm。試驗在RMT–150B巖石力學(xué)試驗機上進行。首先把巖樣放置在上、下墊塊之間，墊塊與巖樣直徑基本相同，然后將巖樣連同上、下墊塊采用雙層乳膠套包裹，膠套端部用膠帶纏緊，從而避免在壓縮時巖樣產(chǎn)生的塑性變形破壞過程中，高圍壓擠破乳膠套，使得高壓油進入巖樣內(nèi)部而影響試驗結(jié)果。圍壓分別選用5,10,20和40MPa，其中圍壓40MPa重復(fù)4個巖樣；圍壓20MPa則重復(fù)6個巖樣；5,10MPa各1個巖樣。試驗采用位移控制，軸向加載速率為0.005mm/s，圍壓加載速率為0.5MPa/s，采用5mm位移傳感器測量軸向位移，1000kN力傳感器測量軸向荷載。巖樣安裝在三軸筒內(nèi)進行充油排氣后，首先按靜水壓力條件逐步施加σ1=σ3至預(yù)定圍壓值，然后連續(xù)施加軸壓直至巖樣產(chǎn)生不同塑性變形，最后以相同的速率先卸軸向載荷，再將圍壓降低到0。圖1所示為不同圍壓下大理巖巖樣三軸壓縮軸向應(yīng)力–應(yīng)變曲線(巖樣X26,X27,X25和X13的圍壓為40MPa；巖樣X32,X31,X30,X34,X28和X29的圍壓為20MPa；巖樣X36的圍壓為10MPa；巖樣X35的圍壓為5MPa；巖樣X33的圍壓為0MPa)。在圖1(a)中，除圍壓40MPa壓縮的巖樣X27,X26,X25和X13進入屈服階段再繼續(xù)壓縮到不同塑性變形的試驗結(jié)果外，作為對比，也給出了圍壓分別在20,10和5MPa圍壓下的巖樣X38,X36,X35以及單軸壓縮的完整巖樣X33的試驗結(jié)果。從圖1(a)中可以看出，在圍壓40MPa下，4個巖樣均明顯進入屈服階段，除巖樣X27沒有達到極限承載能力外，其余巖樣X26,X25和X13均達到極限承載能力，出現(xiàn)明顯屈服平臺，其強度分別為290.0,287.2和294.6MPa，且?guī)r樣X13壓縮變形至2.9mm已過峰值，卸載前承載能力已經(jīng)有所下降。在圍壓10MPa下，巖樣X36壓縮變形至0.88mm也已過峰值，卸載前應(yīng)力開始明顯跌落。圖1(b)為巖樣X32,X31,X30,X34,X28和X29在圍壓20MPa下分別壓縮不同塑性變形后到完全卸載的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。除巖樣X32尚未達到其承載極限，其余巖樣均達到極限承載能力，同樣也出現(xiàn)明顯屈服平臺，強度為215.0～230.0MPa。由于巖樣本身的非均質(zhì)性，試驗結(jié)果離散程度在3.1%以內(nèi)是可以接受的。在圍壓20MPa下，巖樣X29軸向變形已達到1.43mm，超過峰值。卸載前承載能力同樣已有所下降。可以看出，巖樣的承載能力和屈服塑性變形隨圍壓的增加而逐漸增大，表明大理巖具有明顯的脆性–延性轉(zhuǎn)化特征，即低圍壓表現(xiàn)其脆性特征，高圍壓時表現(xiàn)出延性特征，當(dāng)圍壓增加到一定范圍后時，應(yīng)力–應(yīng)變曲線出現(xiàn)屈服平臺，也就是說巖樣塑性變形持續(xù)增加而承載力基本保持不變，變形過程中裂隙是通過摩擦力承載的。2.2沒有達到峰值強度的巖樣圖2為上述三軸壓縮試驗巖樣峰值強度與圍壓的關(guān)系(上述巖樣中不包括沒有達到峰值強度的巖樣X27和X32)。由圖2可以看出，就巖樣的承載能力與圍壓的關(guān)系的變化趨勢而言，承載能力隨圍壓的增加而提高，兩者近似線性關(guān)系，強度與圍壓的變化趨勢隨圍壓的增大有所變緩。2.3局部構(gòu)造模型巖石是不同礦物的集合體，其內(nèi)部含有裂隙和孔隙等缺陷，屬于非均質(zhì)、非彈性材料。巖樣在三軸壓縮的過程中，宏觀軸向變形是由承載結(jié)構(gòu)骨架的彈性變形、裂隙的滑移和孔隙的閉合三部分組成的。彈性變形卸載后是可以立即恢復(fù)，在屈服之前的塑性變形包含裂隙的閉合以及微小滑移，體現(xiàn)為巖石初始壓縮時的非線性變形，只影響巖石的變形模量，對平均變形模量沒有作用。在圍壓作用下，壓縮時的裂隙通常在靜水壓力加載時就已經(jīng)閉合，軸向壓密過程顯現(xiàn)不明顯。在低圍壓作用時，巖樣進入屈服階段，巖樣的塑性變形具有局部化特征，并非均勻分布，因而巖樣屈服弱化過程宏觀裂隙滑移是在應(yīng)力恒定或不斷跌落過程中產(chǎn)生的，在卸載時該變形量一般不能迅速恢復(fù)。由圖1(a)可以看出，巖樣達到屈服應(yīng)力前，其軸向塑性變形很小，此時巖石主要發(fā)生彈性變形；進入屈服階段時，隨著圍壓的增大，屈服變形逐漸增大。這可以理解：低圍壓時強度低的材料首先屈服破壞，而由圍壓提供的摩擦力還不能抑制裂隙的滑移，產(chǎn)生塑性變形。隨著圍壓的增高，軸向應(yīng)力在屈服過程中持續(xù)增加，由圍壓和軸向應(yīng)力共同提供正應(yīng)力，使得裂隙摩擦力承載能力超過材料的黏聚力，抑制裂隙的滑移。其巖樣內(nèi)部材料強度高的也會逐步屈服，繼而產(chǎn)生新的裂隙，從而產(chǎn)生多個斷面相繼產(chǎn)生屈服，塑性變形持續(xù)增加，使巖樣在軸向壓縮過程中出現(xiàn)屈服平臺。也就是承載能力大致保持恒定而塑性變形持續(xù)增加，屈服變形過程中裂隙是通過摩擦力承載的。從進入屈服平臺的巖樣破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)具有交叉網(wǎng)格狀滑移跡線，且圍壓越高，滑移跡線越密。由此可知，多個破裂面的塑性滑移是出現(xiàn)屈服平臺的必要條件。單軸壓縮巖樣X3的峰值變形為0.45mm，而在圍壓40MPa下巖樣X13的峰值變形達到2.16mm，峰值變形提高4倍，可見巖樣峰值變形隨圍壓的提高而增大。2.4軸壓縮試驗結(jié)果能量耗散是巖石變形破壞的本質(zhì)屬性，它反映了巖石內(nèi)部微缺陷的不斷閉合、新生裂隙發(fā)展演化、材料強度不斷弱化并最終喪失的過程。因此能量耗散與巖樣內(nèi)部損傷和材料強度喪失直接相關(guān)，能量耗散能夠反映材料原始強度衰減的程度。巖樣受載變形破壞的過程實質(zhì)就是能量耗散和能量釋放的全過程。加載過程實際上是試驗機對巖樣不斷做功的過程中，巖樣的環(huán)向變形同時也是對液壓油做功。將靜水壓力加載過程對巖樣的做功記為0W，軸向壓縮過程中載荷對巖樣所做總功記為1W，巖樣的環(huán)向變形對液壓油做功記為2W，巖樣變形破壞過程實際消耗的功為W，則有式中：F1,F3分別為軸向和側(cè)向載荷；u1,u3分別為軸向和側(cè)向位移；D,L分別為巖樣的直徑和長度；σ1，σ3分別為軸向應(yīng)力和圍壓；ε1為軸向應(yīng)變；1μ，μ2分別為屈服前、后的泊松比；E為平均模量；εa，εc分別為巖樣屈服前和最終縱向應(yīng)變。需要說明的是，RMT–150B試驗系統(tǒng)三軸壓縮試驗不具有環(huán)向變形測試功能，因此無法得到環(huán)向變形。即使能安裝環(huán)向應(yīng)變測量裝置，但由于巖樣上、下端與墊塊的摩擦效應(yīng)，巖樣長度方向各處環(huán)向變形并非均勻變形，同樣也無法得到整個試樣的環(huán)向變形，仍需要進行某種估算。因此，在進行能量計算過程中采用近似估算方式，由于巖樣在整個壓縮過程的環(huán)向變形與應(yīng)力的關(guān)系成非線性變化，環(huán)向變形與軸向變形的比值并非常數(shù)。在進行能量數(shù)據(jù)時采用分段線性簡化處理，屈服前泊松比值取0.25，屈服后泊松比值則取0.50來估算環(huán)向變形，盡管這樣處理可能帶來誤差。由于圍壓為極限應(yīng)力的1/10～1/6，其泊松比值可分別取0.25和0.50，按式(3)計算的環(huán)向變形對油做功2W只是試驗機對巖樣做功1W的10%左右，簡化處理帶來的誤差不會太大。圖3為巖樣X13在圍壓40MPa下三軸壓縮過程中應(yīng)力、能量與應(yīng)變的關(guān)系。作為對比，同時也給出單軸壓縮巖樣X33的試驗結(jié)果。由圖3可知，三軸壓縮加載過程中，在圍壓40MPa作用下應(yīng)力–應(yīng)變曲線的壓密階段變得不明顯，屈服點A之前表現(xiàn)出良好線彈性特征，此階段巖樣消耗的能量與變形成非線性關(guān)系，且耗能量較少。進入屈服階段(AB)巖樣逐漸破壞。由于圍壓較高，由破壞面上的正應(yīng)力增加使得摩擦力承載能力超過材料的黏聚力，并抑制裂隙的滑移，從而形成多個裂隙同時滑移產(chǎn)生較大的塑性變形，巖樣將需要耗散較多能量。耗散能量也主要是用于內(nèi)部材料之間塑性滑移做功，該過程能量的消耗與變形成良好線性關(guān)系。卸載階段BC，由于軸向載荷的不斷減小，其內(nèi)部強度高的材料將產(chǎn)生彈性恢復(fù)，表現(xiàn)出巖樣對試驗機做功的過程，能量隨彈性恢復(fù)不斷減小。作為對比，單軸壓縮巖樣X33破壞時消耗能量47.7J，而在圍壓40MPa下巖樣X13屈服前消耗的能量為155.5J，屈服破壞卸載后消耗能量達到1133.2J，克服裂隙摩擦滑移變形所耗能是屈服破壞耗能的7倍，是單軸壓縮巖樣X33的破壞耗能的23.8倍，充分表明巖樣吸收的能量主要耗散于內(nèi)部裂隙摩擦滑移，而產(chǎn)生破裂面所耗能量較小。圖4是圖1巖樣三軸壓縮過程中耗能與塑性變形的關(guān)系。由圖4可以看出，巖樣破壞所需能量與塑性變形具有良好的線性關(guān)系：圍壓越高，巖樣的塑性越大，塑性變形越大耗能就越大，也就是說三軸壓縮時要使巖樣破壞需要消耗更多的能量。3損傷巖樣能耗特征巖石是典型的非均質(zhì)材料，在構(gòu)造應(yīng)力和工程開挖卸荷等作用下將產(chǎn)生大量的弱面及裂隙等結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性質(zhì)與室內(nèi)完好巖樣存在較大差異。有必要在實驗室內(nèi)對裂隙巖樣(損傷巖樣)的強度、變形和能量特征進行研究，為實際工程巖體的力學(xué)特性提供一種新的研究思路，分析結(jié)果對實際工程開挖卸載后的巖體穩(wěn)定性分析提供參考依據(jù)。將上述完整巖樣在不同圍壓下，由三軸壓縮到不同塑性變形后直至完全卸載，得到損傷巖樣再進行單軸壓縮試驗。由于三軸壓縮時造成巖樣存在不同程度損傷，內(nèi)部分布不同新生裂隙，使其強度和變形與完整巖樣存在差異。圖5所示為損傷巖樣再進行單軸壓縮的試驗結(jié)果。作為對比，同時也給出單軸壓縮完整巖樣X33的試驗結(jié)果，在圖5(a)中，巖樣X36和X13在三軸壓縮過程中塑性變形量過大，且卸載時應(yīng)力已過峰值應(yīng)力開始跌落，使得單軸壓縮的強度明顯偏低。其他巖樣與完整巖樣X33相比，強度和平均模量均明顯偏低。盡管巖樣X27,X26,X25和X13在圍壓40MPa下的承載能力大致相同，但是由于三軸壓縮時產(chǎn)生的塑性變形量不同，造成巖樣的損傷程度也將有所不同，其強度和平均模量均有不同程度的降低。圖5(b)為圖1(b)中所得到損傷巖樣再進行單軸壓縮的試驗結(jié)果，與圖5(a)中40MPa下三軸壓縮過后損傷巖樣的強度、變性特征大致相同。損傷巖樣再進行單軸壓縮時，弱化區(qū)域附近塑性變形描述損傷破壞過程不盡合理，特別是巖樣破壞承載力降低的過程中，塑性變形增加的同時彈性變形卻不斷恢復(fù)，為了更好地描述巖樣屈服弱化過程，采用塑性變形比較合理，可表示為若以塑性變形Us重新處理圖5中損傷巖樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線，可以得到損傷巖樣軸向應(yīng)力與塑性變形之間的關(guān)系，如圖6所示。對于損傷巖樣而言，壓密階段具有較大的塑性變形，這是由于損傷巖樣內(nèi)部裂隙閉合引起的，巖樣之間塑性變形差異不明顯，但是壓密階段應(yīng)力水平基本相同，也就是說，不管損傷巖樣的裂隙分布特征如何，只要應(yīng)力達到一定值后，裂隙就基本閉合。盡管損傷巖樣有多條網(wǎng)狀滑移跡線，但再壓縮過峰后屈服弱化規(guī)律大致相同，損傷巖樣弱化過程中承載能力的降低與塑性變形的增加近似成線性關(guān)系；或者說損傷巖樣原有滑移跡線方向的擴展，而最終破裂角大于滑移跡線的傾角。圖7為上述損傷巖樣單軸壓縮耗能與三軸壓縮耗能的關(guān)系。由圖7可以看出，與完整巖樣X33相比，其損傷巖樣耗能明顯減少。除巖樣X36外，就變化趨勢而言，損傷巖樣單軸壓縮所消耗的能量隨三軸壓縮消耗能量的增加而降低，且圍壓越低這種變化趨勢越明顯。這與巖樣在三軸壓縮過程中裂隙分布特征有關(guān)，圍壓低時，巖樣屈服產(chǎn)生的裂隙局部化特征明顯，隨著圍壓的增高，屈服過程形成多個損傷面，裂隙分布趨于均勻化，各損傷面的損傷程度大致相同，承載能力基本相同，多個截面的滑移消耗能量相對越多。圖8所示為上述損傷巖樣單軸壓縮強度σ1與平均彈性模量E的關(guān)系。需要說明的是，平均模量指損傷巖樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線直線段的斜率，且由圖8可以看出，損傷巖樣強度與平均模量基本上成線性關(guān)系，可用虎克關(guān)系σs=ε0E來進行回歸。由圖5(a)和(b)可以看出，損傷巖樣單軸壓縮的強度和變形特征與其損傷程度有關(guān)，且損傷程度與圍壓大小、塑性變形量有關(guān)。由圖5(a)和(b)還可以看出，各損傷巖樣的峰值強度以及達到峰值時的變形都是不同的，但巖樣達到峰值強度時巖石材料的彈性應(yīng)變大致相同。這就是說，不管損傷巖樣內(nèi)裂隙多少、分布情況以及滑移擴展是如何發(fā)生的，只有巖石材料彈性應(yīng)變達到ε0時，巖樣才達到峰值強度，或者說，盡管損傷巖樣內(nèi)有許多裂隙，但存在一個完整的承載結(jié)構(gòu)，該承載結(jié)構(gòu)在彈性應(yīng)變達到ε0時開始弱化。加載過程中裂隙是通過摩擦力承載的，其變形達到材料的彈性變形極限時，巖樣才達到峰值應(yīng)力，其結(jié)果與有關(guān)裂隙砂巖的試驗結(jié)果基本一致。圖9是上述損傷巖樣單軸壓縮強度、平均彈性模量與三軸壓縮塑性變形量的關(guān)系。除個別巖樣在圍壓下壓縮達到承載極限，進入屈服弱化階段而