大理岩常规三轴压缩试验的相关性分析

黄英华，唐海燕

(长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012)

大理岩常规三轴压缩试验的相关性分析

黄英华，唐海燕

(长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012)

大理岩常规三轴压缩试验结果表明，随着围压的增加，大理岩的峰值强度和残余强度逐渐增大，且峰值强度和残余强度与围压之间存在较好的相关性，但残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。当围压≤20 MPa时，各大理岩试样的应力－应变曲线中直线部分基本重合，弹性模量没有明显变化;当围压＞20 MPa时，岩样刚度加大，全应力–应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡，弹性模量增大。

大理岩;峰值强度;残余强度;弹性模量

0 前言

近年来，随着水库大坝、铁路隧道、跨江桥梁等重大工程项目的兴建，以及地下采矿和人防工程的巨大发展，对岩石强度和变形基本特性的研究也越来越受到重视，并取得了诸多成果。随着试验设备和技术手段的提高，人类已逐渐掌握部分岩体三向应力状态下的变形和强度变化规律，对探明岩石的破坏机理具有重要的工程实践意义。作者采用MTS－815电液伺服岩石试验系统对中颗粒大理岩进行了常规三轴压缩试验，研究大理岩的强度和变形特性，以期为岩土工程设计时岩石力学参数的选择提供参考依据。

1 试验设备与试样加工

大理岩为碳酸盐岩经区域变质或接触变质形成的岩体，主要由方解石和白云石组成，此外含有硅灰石、滑石、透闪石、透辉石、斜长石、石英、方镁石等。具粒状变晶结构，块状、条带构造，一般以白色和灰色为主。本次试验所用大理岩石为碳酸盐岩石重结晶而成，中颗粒，白色，呈致密块状构造，宏观均匀一致，矿物成分主要为方解石、白云石、硅灰石和斜长石，硬度为 3.0～5.0。

1.1 试样加工

根据国际岩石力学学会制定的标准，采用长沙矿山研究院岩石力学实验室试验设备，对大理岩岩块进行钻样、切割、磨平，加工成Ф50 mm×110 mm圆柱形标准试样，高径比约为2.2∶1，端面不平整度误差不超过0.02 mm，侧面不平整度不超过0.3 mm。

1.2 压力加载实验设备

试验采用长沙矿山研究院岩体力学实验室的250 t全数字型液压伺服刚性岩石力学试验系统(MTS－815型)，该试验系统是从美国引进的性能先进的岩石－混凝土材料力学性能测试设备。MTS－815全数字型液压伺服刚性试验机采用闭环伺服控制方式来实现对压力机工作行为的控制。在这种压力机中，岩样的受力和变形是根据计算机给定的加载或变形进行的，它可以随时将岩样的实际荷载或变形速度与控制程序给定的速率进行比较，一旦岩样承载能力下降，变形加速，则给出控制信号命令，压机自动卸载，从而完成一个闭环动作。压机完成一个试验过程，就要完成多个这样的闭环控制动作，直至试验结束。实验系统配置了基于windows平台的可视化控制操作软件，可跟踪记录当前时间、荷载、应力、位移、应变值的大小、荷载－位移、应力－应变曲线等。全部试验过程由计算机控制，并由计算机保存全部试验的图形和数据结果。本次试验采用等位移加载控制方式，加载位移速率为2×10－3mm/s，共进行了6组不同围压的三轴压缩试验。

2 试验结果及分析

大理岩常规三轴压缩的全应力－应变曲线如图1所示。由图1可见，随着围压的增加，岩石的峰值强度和残余强度均逐渐增大。屈服之前，各围压条件下的岩样变形规律完全相同，都经历孔隙压缩、弹性变形、塑性变形和峰值破坏等阶段。达到屈服破坏后，岩样中众多微裂面相互贯通，出现某一承载面的整体弱化过程，最后由于破裂岩块之间的摩擦力，岩石仍能维持一定的承载能力。由此可确定大理岩三轴压缩试验全应力－应变曲线属于Ⅰ型曲线。零围压时，大理岩呈脆性破坏，当围压增大时，呈塑性破坏，当围压达到一定值时，变形出现屈服平台，呈现塑性流动，即峰后表现为理想塑性，此时，对应的围压称为临界转化围压。当围压低于转化围压时，大理岩应力－应变曲线上有一峰值强度;当围压继续增大，高于转化围压时，大理岩应力－应变曲线上不再出现峰值点，应力－应变关系呈单调增加趋势，表现为应变硬化特性。本试验的中颗粒大理岩的转化围压约为40 MPa。

图1 不同围压条件下大理岩的应力－应变曲线

2.1 强度特性

目前岩体工程领域内，Coulomb强度准则得到了普遍应用，认为岩石承载的最大剪切应力τs由粘聚力c和内摩擦力确定，即τs=c+μσ。同时，Coulomb强度准则也可以用主应力表示为 σs=σ0+Kσ3，式中σ0和K均为强度准则材料参数。通过对试验结果的回归分析，得出大理岩最大轴向承载应力σs与围压σ3成线性关系(见图2)，相关系数R=0.95，回归关系式为:

图2 峰值强度、残余强度与围压的关系

大理岩剪切破坏后，仍保留有一定的残余强度，其残余强度随着围压的升高急剧增大，对围压的敏感度远比峰值强度要强，当围压增加到55.3 MPa时，大理岩峰值强度与残余强度接近，材料特性由应变软化转变为理想弹塑性材料，当围压继续升高，大理岩无峰值强度，残余强度随围压升高单调增大。根据试验数据的统计分析，得出围压σ3与大理岩残余强度σf具有很好的线性关系(见图2)，相关系数R=0.996，回归关系式为:

2.2 变形特性

由图1可知，屈服之前，各围压条件下的岩样变形规律完全相同。由于大理岩岩样存在内部缺陷，当围压≤20 MPa时，不足以改变岩样本身的材料特性，其应力－应变曲线中直线部分(弹性阶段)基本重合，弹性模量没有明显变化;当围压＞20 MPa时，岩样内微裂隙受压闭合，致材料进一步均质、致密化，岩样刚度加大，在相同应力范围内，应变要比低围压的应变小得多，岩样的全应力－应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡，弹性模量增大。随着围压的增大，峰值应变先增大后随之减小，峰值应变与围压的回归关系如图3所示，其变形特点反映出试验所用大理岩均质、致密的程度较高，其内部缺陷主要是极小的微裂隙，高围压下，试样已无压缩变形的空间。

图3 峰值应变与围压的回归关系

3 结论

(1)随着围压的增加，大理岩的峰值强度和残余强度均逐渐增大，屈服之前的各围压条件下的岩样变形规律完全相同，都经历孔隙压缩、弹性变形、塑性变形和峰值破坏等阶段，达到屈服破坏后，岩样中众多微裂面相互贯通，出现某一承载面的整体弱化过程，最后由于破裂岩块之间的摩擦力，岩石仍能维持一定的承载能力，峰值强度和残余强度与围压之间都存在较好的相关性。

(2)零围压时，大理岩呈脆性破坏，当围压增大时，呈塑性破坏，当围压达到一定值时，变形出现屈服平台，呈现塑性流动，本次中颗粒大理岩的转化围压约为40 MPa。

(3)当围压≤20 MPa时，各大理岩试样的应力－应变曲线中直线部分(弹性阶段)基本重合，弹性模量没有明显变化;当围压＞20 MPa时，岩样刚度加大，岩样的全应力－应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡，弹性模量增大;随着围压的增大，峰值应变先增大后随之减小，反映出试验所用大理岩均质、致密的程度较高，其内部缺陷主要是极小的微裂隙，高围压下，试样已无压缩变形的空间。

［1］ 尤庆明.岩石的力学性质［M］.北京:地质出版社，2007.

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2011－09－23)

黄英华(1980－)，男，硕士研究生，湖南常德人，主要从事矿山安全工程、采矿工程及岩石力学的研究，Email:hyh0891@126.com。