泥质细砂岩材料破坏与强度衰减研究.pdf

第3 7 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．1 2 0 0 8 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 8 泥质细砂岩材料破坏与强度衰减研究 张后全，贺永年，刘志强，周纪军，韩立军 中国矿业大学建筑工程学院深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要为了认识真实的岩石材料破坏和强度衰减规律，通过多组常规的单轴压缩试验和不同围 压下的三轴压缩试验对泥质细砂岩的材料破坏过程和抗压强度进行了实测．把前面试验破裂形 成的不规则岩块浇注在混凝土制成的“剪切壳”中，运用x J 一1 型携带式剪切仪进行了自行设计的 压剪试验，获得了岩块在压剪过程中的剪切力一压应力关系曲线，以此来测得破裂岩块的自身材 料强度．通过对比先前压缩试验得到的极限莫尔包络线，研究了破坏前完整岩样与破坏后损伤岩 块间的强度变化．讨论了不同试验方法，损伤程度，尺寸效应，材料异性对岩石强度衰减的影响． 结果表明，岩石在破坏过程中环向应变与体积应变在峰后近乎以直线形式增长，岩块抗剪强度表 现出尺寸效应，岩样伴随着破裂演变材料强度发生衰减． 关键词破裂演变；压剪试验；强度衰减；尺寸效应 中图分类号T U4 1 3 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 1 0 1 2 9 0 5 S t u d yo fM a t e r i a lF a i l u r ea n dS t r e n g t hD e g r a d a t i o n i nA r g i l l a c e o u sP a c k s a n dS a m p l e s Z H A N GH o u q u a n ，H EY o n g - n i a n ，L I UZ h i q i a n g ， Z H O Uj i j u n ，H A NL i - j u n S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rG e o m e c h a n i c sa n d D e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df a i l u r ee v o l u t i o no fa r g i l l a c e o u sp a c k s a n ds a m p l e sw e r e m e a s u r e dv i au n i a x i a la n dt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t su n d e rv a r y i n gc o n f i n i n gp r e s s u r e s ．A nX J 一 1p o r t a b l es h e a ra p p a r a t u sw a su s e dt oo b t a i ns h e a r c o m p r e s s i v es t r e s sc u r v e so fr o c kb l o c k s ． T h e s ea r eam e a s u r eo ft h em a t e r i a ls t r e n g t ho ft h er o c k ．T h ed e g r a d a t i o ni ns t r e n g t ho ft h e r o c ka f t e rf a i l u r ew a ss t u d i e db yc o m p a r i s o nt ot h eM o h rc i r c l eo b t a i n e df r o mc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s ．T h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，o fd a m a g ee x t e n t ，o ft h ee f f e c t o fs i z ea n do fm a t e r i a la n i s o t r o p yo nt h ed e g r a d a t i o ni nr o c ks t r e n g t ha r ed i s c u s s e d ．T h er e s u l t s s h o wt h a th o o pa n dv o l u m e t r i cs t r a i n si n c r e a s el i n e a r l ya f t e rt h ep e a k l o a dp o i n ti nt h ef a i l u r e p r o c e s sa n dt h a tt h em a t e r i a ls t r e n g t ho ft h er o c kd r o p sa st h ef a i l u r ep r o c e s sd e v e l o p s ．I ti s a l S Os h o w nt h a tt h er o c ks h e a rs t r e n g t hd i s p l a y sas i z ee f f e c t ． K e yw o r d s f a i l u r ee v o l v e m e n t ；c o m p r e s s i o n s h e a rt e s t ；s t r e n g t hd e g r a d a t i o n ；s i z ee f f e c t 为讨论岩石破坏后对地下工程的影响，通常采 用岩石压缩全应力一应变曲线作为基本分析模型， 包括岩石的峰后段．但是，有资料证明，岩石峰后曲 线的主要部分是反映岩石破裂后的性状，是破裂后 收稿日期2 0 0 6 1 1 2 3 基金项目国家自然科学基金重大项目 5 0 4 9 0 2 7 3 作者简介张后全 1 9 7 9 一 ，男，四川省邻水县人，助教，博士研究生，从事岩石细观破裂机制方面的研究 E - m a i l 5 2 z h q 1 6 3 ．c o i nT e l 0 5 1 68 3 9 9 5 8 2 5 万方数据 中国矿业大学学报 第3 7 卷 的岩块材料强度、破裂岩块排列的结构效应以及作 用在岩块上的围压这三者共同作用所体现出来的 综合表现n ] ．显然，利用某些与全应力一应变曲线相 吻合的模型来讨论岩石破坏后的整个表现特征，只 是追求表观现象上的一致，而忽略了岩石材料演变 过程破损机理的内在本质[ 2 ] ．岩石的破裂是微裂纹 不断萌生、扩展与聚集的过程，破裂形成的岩块同 样会在不同程度上受到损伤，使其自身的材料强度 有所降低．显然，这种材料强度的降低规律与岩石 的峰后曲线是不相同的．岩石破裂过程是一个连续 损伤的过程，这就决定着岩石材料强度也是一个随 着破裂发展而逐渐衰减的过程．因此，用现有基于 峰值强度的极限分析方法讨论一些高应力问题，包 括边坡稳定分析、土压力计算等内容，其设计结果 显然过于冒险，而采用残余强度来计算又显得太保 守[ 2 ] ．因此，认识真实的岩石破坏演变及其强度的 衰减规律，具有重要的理论价值和实际意义，对推 动岩石峰后力学行为的深入研究，甚至拓展对材料 破坏后性质的认识，以及正确描述高应力岩石工程 中的破裂岩体性状，并为支护方案的选取提供比较 科学的基础． 当前，扫描电子显微镜 S E M 、声发射 A E 、 计算机体层成像 C T 、无损检测 N T ，数码影像 D i g i t a lI m a g e 等先进手段，成为了人们研究岩石 峰前峰后性质的重要手段[ 3 。5 ] ．正如沈珠江院士指 出，建立岩土渐进破坏理论的关键问题在于建立能 合理反映岩土材料结构破损过程的本构模型[ 2 ] ，研 究岩石破裂后形成的岩块基体在其特定物理力学 环境作用下的力学行为应成为这一领域的重要内 容，其中最重要的一个内容就是其强度的研究．然 而这方面的研究还没有引起人们的足够重视，相关 研究并不多见． 先前对岩石材料强度的研究主要是从三方面 着手[ 6 。J 1 岩石材料本身构成因素，例如矿物成 分、颗粒大小、胶结作用以及内部缺陷等；2 岩样 制作状况和尺寸效应；3 试验条件与物理环境的 影响，如围压大小、加载端部与试件问的摩擦及周 围环境 如温度 等．本文重点研究的对象是破裂后 形成的岩块，主要从后面2 种因素着手对其强度进 行研究．首先通过多组常规的单轴压缩破坏试验 I 、三轴压缩破坏试验 1 I 对岩石破裂演变过程 和抗压强度进行分析与测定，再将前面试验中破坏 形成的岩块浇注在混凝土制成的“剪切壳”中，进行 自行设计的压剪试验，获得岩块在压剪过程中的剪 切力一压应力关系曲线，然后对比先前得到的极限 莫尔包络线，研究岩样破坏前的强度与破坏后岩块 强度的变化，同时讨论不同试验方法、损伤程度及 尺寸效应对岩石强度的影响． 1 试验描述 1 单轴压缩试验工采用位移加载控制方 式，加载速率为0 ．0 5m m ／m i n ；共做9 次试验，测 得岩样的弹性模量平均值为1 3 ．1 5G P a ，抗压强度 平均值为7 2 ．2 2M P a ． 2 三轴压缩试验Ⅱ试样5 块，位移控制方式 施加轴压；应力控制方式施加围压，分别为1 0 ，2 0 ， 3 0 ，3 5 和4 0M P a ，加载速率为1M P a ／s ，以此考虑 围压对岩石破坏损伤程度的影响． 3 压剪试验的岩块来源于前面压缩试验 I ， I I 破坏后形成的岩块，分别对应为压剪试验 工， I I ，确定破坏后岩块的材料强度相对于破坏前岩 样强度的衰减，并讨论岩石强度的尺寸效应、损伤 程度对岩块材料强度的影响． 压剪试验采用X J 一1 型携带式剪切仪 图 1 [ 8 ] ．与一般的压剪试验相比，本次试验的对象是 破坏后形成的不规则岩块．首先将岩块浇注在混凝 土制成的“剪切壳”中 图2 ，以保证施加在“剪切 壳”上的作用力能均匀地传递到岩块上，形成比较 均匀的正压力与剪切力．为了保证试验的有效性， 要求岩块有一定长度可靠地夹持在混凝土壳中．上 下壳之问预留有5m m 左右间隙作为潜在破裂面， 预留的破裂面与剪切仪模子的表面平行．试验还研 究了不同大小剪切试块的尺寸效应．值得一提的 是，由于剪切试验的岩块有一定的尺寸要求，所以 压剪试验的试块数与压缩试验的试样数不同． 图1剪切试验仪器 F i g ．1 I n s t r u m e n t so fs h e a rt e s t 图2 试样制作示意 F i g ．2 S c h e m eo fs a m p l ep r e p a r a t i o n 万方数据 第1 期张后全等泥质细砂岩材料破坏与强度衰减研究 2 试验结果与分析 2 ．1 岩石的破坏过程 图3 列出了一典型试样 岩样6 的三轴压缩 试验试验结果．图3 a 是其压缩全应力一应变曲线， 强度峰值 P 点 时的轴向应变为0 ．7 2 1 0 ～．图 3 b 是相应的环向应变和体积应变．由图3 可知，在 轴向应变未达到0 ．5 1 0 _ 2 之前，岩石主要受轴向 压缩，环向应变基本没多大变化，体积应变为负．直 山 R 悄 到应力峰值时，图3 b 的环向应变与体积应变2 条 曲线出现转折，并在轴向应变值达到0 ．7 8 1 0 q 时 对应于应力应变监线上的S 点 ，体积变形几 乎为0 ，环向应变与体积应变开始以新的直线形式 延伸，环向与体积变形量急剧增大，其最终变形量 比峰前区要大1 0 倍以上．新的变形规律说明岩石 的变形性质发生了变化．可以进行前后2 种变形规 律的分析，前面的变形符合应变规律，而后者符合 沿剪切面的滑动规律[ 1 ] ． 应变，％ 轴向应变／％ a 轴向应力一轴向应变曲线 b 环向，体积一轴向应变曲线 图3 围压2 0M P a 时岩样6 三轴压缩试验结果 F i g ．3E x p e r i m e n t a lr e s u l t so fr o c ks a m p l e6u n d e rt r i a x i a lc o m p r e s s i o nw i t h2 0M P ac o n f i n i n gp r e s s u r e 根据岩石突变理论[ 9 ] 的分析，S 点可定义为突 变点，而根据岩石破坏的渐进性特点， s 点也常被 定义为自组织临界点 也即突变点 ．文献[ 1 0 ] 表 明，突变点可能有2 种情况，脆性强的岩石，其突变 点往往在峰值点附近；当岩样细观强度分布不太均 匀，屈服过程较长时，岩石破裂的自组织临界点在 峰值强度后取得．上述岩样为泥质胶结的细砂岩试 样，符合后一种情况． 2 ．2 岩石强度的尺寸效应 作为地下主要受载体而言，岩石更多地承受压 应力．不像受拉破坏，受压破坏后的材料仍然是可 以承受挤压作用的．显然，受第一次破坏的影响，这 时的材料强度就和原来的不一样．本次试验试图通 过压剪试验来获得新的材料强度． 按照自行设计的压剪试验，分别对第工组和第 Ⅱ组试验所得到的破裂岩块进行压剪试验 I ， 1 1 ，试验结果列于表1 中，其剪应力、压应力数据 关系见图4 ． 图4 第1 ，Ⅱ组压剪试验剪应力和压应力关系 F i g ．4 R e l a t i o n so fs h e a rs t r e s sa n dc o m p r e s s i o n s t r e s sf o rt h ec o m p r e s s i v e - s h e a pt e s t so fg r o u pIa n d Ⅱ T a b l e1 编号 I 组 试 样 表1 压剪试验结果 Ⅱ 组 试 样 6 ．5 07 ．4 2 1 ．4 03 ．7 2 3 ．5 01 2 ．0 4 5 ．5 48 ．5 3 2 ．5 51 0 ．7 5 O ．5 07 ．9 2 压剪试验采用Ⅺ一1 型携带式剪翔仪，试验的 实际压应力和剪应力由仪器附带的转换公式得到． 垂直应力和水平应力分别用下式计算 垂直应力 水平应力 盯一警， 一 J 。C 主 r 一1 产’ 1 2 式中工。为垂直压应力表读数，M P a ；j 。为水平压 应力表读数，M P a ；C 主为千斤顶换算系数，m 2 ，根 据试验仪器的尺寸确定为2 ．0 1 0 _ 3m 2 ；G o 为上剪 切力盒、上铸件及其它顶部重量，k N ，G 。一2 4k N ； S ；为剪切面面积，m 2 ． 表1 是根据剪切试验试块的剪面积大小分为 6 5 4 3 2 ；0 ● 逞锹遵氍故镒层藩 焉鲨撼嚣怒嘉鳖篇篡篡萧熹麓黑霹詈。赫％一一一别胁一。。。。。 型黑一二二二 万方数据 中国矿业大学学报第3 7 卷 的2 组试验结果．第1 组压剪试验的岩块截面积在 1 0 ～1 5c m 2 ，平均面积为1 3 ．9c m 2 ，第Ⅱ组压剪试 验的岩块截面平均面积为1 6 ．7c m 2 ，大于1 5c m 2 ． 第1 组和第Ⅱ组数据线性拟合到的黏聚力分别为 8 ．0 和1 0 ．2 4M P a ．黏聚力的差值相对于各自的 值，不可以忽略，随着剪切截面积的增大，黏聚力有 增大的趋势．从图4 可以看出，2 组数据还是有线 性规律的．对这2 组数据进行比较分析，说明截面 积越小，剪切强度越低，岩石抗剪强度表现出一定 的尺寸效应．值得一提的是，由于受试样截面的限 制，本次试验所挑选的岩块剪切面积相差不大，尺 寸效应影响不是特别显著，本试验剪切强度的尺寸 效应还有待进一步研究． 2 ．3 岩石破坏过程材料强度的衰减 图5 给出了由压缩试验结果所拟合的极限莫 尔包络线．图6 为由压缩试验和压剪试验 工，Ⅱ 所得到的强度准则． 图5岩样极限莫尔圆包络线 F i g ．5 U l t i m a t eM o h rc i r c l ee n v e l o p eo fr o c ks a m p l e s 删 a _ 苫 长 翻 器 图6岩石破坏前后强度对比分析 F i g ．6C o m p a r i s o na n a l y s i so fr o c ks t r e n g t h b e f o r ea n da f t e rf a i l u r e 由图5 极限莫尔抱络线线性回归得到y 一 0 ．4 1 x 2 4 ．2 ．由压剪试验 I ，l I 得到的试验数 据线性回归分别得到Y 一0 ．6 9 x 8 ．0 和Y 一 0 ．6 1 x 1 0 ．2 4 ．分别对上述3 个公式的一次项系数 进行反正切计算得到压缩试验和压剪试验 工，Ⅱ 的内摩擦角≠为2 2 ．2 9 。，3 4 ．6 。和3 1 ．4 。．从而我们 可以了解到压缩试验相对于压剪试验得到的内摩 擦角偏小．究其原因，可能有如下2 个方面1 试 样中存在潜在的原生弱面导致所测抗压强度减小， 进而导致极限莫尔包络线的倾角减小，而压剪试验 由于事先预留的潜在破坏面刚好包含弱面或压缩 损伤产生的裂纹可能性较小，故压剪试验可看成是 整体性相对较好的岩石抗剪参数测试．2 三轴压 缩试验时，试件处于三向应力状态，基本上能保证 岩样受力比较均匀，所测得的岩石抗压强度受侧向 压力变化的影响相对较小，而受原生弱面的影响较 大，在压剪试验中，试件处于二维平面受力状态，所 测得的岩块抗剪强度受正向压力变化的影响显著， 而受到结构弱面或微裂纹的影响较小，故压剪试验 所得到的强度准则趋势线比三轴压缩试验变化大， 所得出的内摩擦角大于三轴压缩试验情况，与文献 [ 1 1 ] 所得试验结果一致． 由图6 还可以看到，由压缩试验得到的岩石抗 剪强度准则中的黏聚力明显大于压剪试验 工，Ⅱ 所得试验结果，文献[ 1 1 1 2 ] 认为这种偏差是2 种 试验方法不同导致的．但文献[ 1 1 ] 对饱和水泥质粉 砂岩、原状粉砂质泥岩、饱和水粉砂质泥岩所进行 的完整岩样 区别于本文的破裂岩块 剪切试验与 三轴压缩试验得到的黏聚力结果从总体上来说相 差并不是很大，从而说明本文试验得到的黏聚力相 差较大的原因不仅仅是试验方法所导致的误差，更 为重要的是岩样强度发生了衰减，由材料在破坏过 程中产生的损伤所致． 值得注意的是，本次由压剪试验 I I 得到的岩 块抗剪强度要大于压剪试验 I 得到的岩块抗剪 强度，除了上述尺寸效应因素影响外，按照损伤导 致强度衰减的观点来说，这个结论似乎不太合理． 因为按常理来说，三轴压缩试验得到的岩块受到的 损伤程度严重于单轴压缩试验情况，然而不可否认 的是在这损伤过程中所产生的微裂纹方向是不一 样的，如果所产生的微裂纹方向大体与预留的剪切 面方向一致，势必导致剪切强度的侔低，这就涉及 到破裂岩块在损伤过程中产生的材料各向异性[ 1 胡 问题．按照本文设计试验，剪切面的方向跟试样的 轴向垂直，从单轴压缩劈裂时产生的微裂纹方向多 与轴向一致，三轴压缩剪切破裂时产生的微裂纹多 偏离于试件轴向这个角度来说，本文所得到的试验 结果 由压剪试验 I I 得到的岩块抗剪强度要大于 压剪试验 I 得到的岩块抗剪强度 也受到了材料 各向异性的影响．从这个角度再次证实了文献[ 1 1 ] 所得结论在岩样微裂纹发育的情况下，应尽量采 用压剪切试验来测抗剪强度，在微裂纹不发育的情 况下，采用三轴压缩试验来确定抗剪强度参数较 好． 万方数据 第1 期 张后全等泥质细砂岩材料破坏与强度衰减研究1 3 3 3 结论 1 峰后岩样环向应变与体积应变急剧增大， 两条应变曲线几乎以直线形式延伸． 2 岩块压剪试验时，剪切面积越小，剪切强度 越低，岩石抗剪强度表现出一定的尺寸效应． 3 岩样单、三轴压缩试验所得内摩擦角小于 岩块压剪试验结果，主要是受到岩样中的原生弱面 或损伤产生的微裂纹以及试验方法不同时受力状 态不一致的影响． 4 岩样单、三轴压缩试验测得的黏聚力明显 大于岩块压剪试验结果，不仅仅是试验方法所导致 的误差，更为重要的是岩样强度发生了衰减，由材 料在破坏过程中产生的损伤所致． 参考文献 [ 1 ] [ 2 3 E 3 ] I - 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b a s en u m e r i c a lm o d e l i n gm e t h o df o rp r e d i c t i o no fi n h o m o g e n e o u sr o c kf a i l u r e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fR o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS c i e n c e ，2 0 0 4 ，41 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] 9 3 9 9 5 7 ． T A N GCA ，I ．I UH ，I ，E EPKK ，e ta 1 ．N u m e r i c a l s t u d i e so ft h ei n f l h e n c eo fm i c r o s t r u c t u r eo nr o c kf a i l u r ei nu n i a x i a lc o m p r e s s i o n p a r tI I c o n s t r a i n t ，s l e n d e r n e s sa n ds i z ee f f e c t [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f R o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS c i e n c e ，2 0 0 0 ，3 7 4 5 7 1 5 8 3 ． V L l E TMRA ，M I E RJGM ．E f f e c t so fs t r a i ng r a d i e n t so nt h es i z ee f f e c to fc o n c r e t ei nu n i a x i a lt e n s i o n [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fF r a c t u r e ，1 9 9 9 ，9 5 1 9 5 2 1 9 ． 周纪军．岩石破坏的演变过程及强度衰减研究[ D ] ． 徐州中国矿业大学建筑工程学院，2 0 0 6 ． 唐春安．岩石破裂过程中的灾变I - 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