泥质砂岩三轴压缩力学特性试验研究

刘海壮 刘春 张庆 黄富禹 周义舒

摘  要：为研究某泥质砂岩隧道围巖力学特性，制定了详细的试验方案并严格按照方案进行试验，对岩石试样分别进行围压为0MPa、3MPa、6MPa和9MPa的三轴压缩试验，得到试样全应力应变曲线，并对结果进行分析，得到该岩石试样的破坏形式，以此得到重要力学参数，方便工程人员使用，为后续工程施工方案的优化选择提供重要参考依据。

关键词：泥质砂岩;三轴压缩试验;破坏形式;力学参数

中图分类号：U25           文献标志码：A       文章编号：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

岩石是构造地壳地表岩体的主体成分，其构造十分复杂，是各种矿物质的集合体，不同岩石在其形成过程中的成因各不相同，造成岩石的物理特性和力学特性有很大差异，呈现出明显的非线性、不连续性、不均质性和各向异性等特点。在地下空间工程领域，为了深入研究地下硐室开挖后的特征，了解岩石的基本构成和分类极为重要，其决定岩石力学性质和物理性质，是进行力学分析的关键因素之一。获取岩石力学参数的主要手段之一是岩石的单轴、三轴试验，试验获得的粘聚力和内摩擦角等参数能为工程设计、硐室开挖及围岩支护提供有力依据。

目前许多学者对岩石力学特性已有深入研究。姜永东等[1]研究了砂岩在饱和、自然、风干三种状态下的单轴和三轴抗压强度特征，得到应力与轴向、径向和体积应变间的关系曲线，根据试验数据绘制莫尔圆并通过回归分析得到强度参数粘聚力和内摩擦角的值。李晓娟等[2]对粉砂岩试样进行三轴压缩实验，得到试样力学参数，并通过扫描电镜试验得到细观损伤图片，从微观角度分析了粉砂岩的力学特性。李文帅等[3]通过砂岩真三轴加载试验，结合CT扫描技术，研究了不同中间主应力条件下岩石的强度、变形及破坏特征，得到了砂岩真三轴条件下的力学特征。

本文通过常规三轴试验，介绍了岩石试样的制备过程，试验设备以及试验方案，并对实验结果进行了分析，得到岩石基本力学参数粘聚力和内摩擦角等，通过前人方法处理数据，得到岩石重要力学参数，方便工程实验人员运用，为类似试验处理提供技术指导。

1 试验方法

1.1 试样制备及试验设备

本次试验以泥质砂岩为研究对象，为保证试验获得参数准确可靠，在采样过程中，采样点位于隧道施工现场同一位置，岩石试样尽量均质，严格按照规定切割、打磨制成高为100mm、直径为50mm的圆柱样，试样直径和高度误差均不超过2mm，岩石试样用保鲜膜包裹并裹上胶带，将试样打包放于泡沫纸箱运至岩石力学实验室。

试验用到的相关仪器设备主要依托于TFD-2000微机伺服控制岩石三轴流变试验机。该试验机轴向最大试验力可达2000kN、最大围压100MPa，可以完成标准岩石试样的单轴及三轴压缩试验、三轴流变试验等，试验数据由微机进行自动采集并实时记录及分析。

1.2 试验方案

在上述试样准备和试验设备的基础上制定试验方案，该方案设计充分考虑了岩石在三轴压缩条件下的应力应变情况力学性质进行了研究。通过完成相应的试验，进而获得不同试样的试验数据，通过对试验数据进行分析和处理，得到岩石重要力学参数。详细试验方案如下：

（1）对将要试验的试样进行编号，然后用游标卡尺对试样的直径和高度进行测量并记录，试样直径测量的位置为试样上部、中部及下部的三组数据，取平均值为最终直径;试样高度测量的位置为试样高度互成120°夹角的三组数据，去平均值为最终高度。

（2）在完成直径和高度的测量后，将试样底部用具有良好伸缩性能的黑色胶带固定在试验基座上，顶部用同样的胶带与一块刚性圆柱体垫块连接，固定好之后，用剪刀剪一段与基座到圆柱体垫块顶部一样长的热缩管套并将其套在试样上，将基座、岩石试样与圆柱体垫块包裹在一起，用热吹风对热缩管套加热，使其紧贴试样。

（3）为了对试样轴向和环向进行很好地測量，在试样上安装轴向引伸计和环向引伸计，安装环向引伸计需将上下圆盘分别固定在基座和上部圆柱体垫块顶部，环向引伸计则安装在试样中部。

（4）将安好引伸计的带试样基座安装到试验机的动力平台上，用螺丝将基座与平台固定在一起，将引伸计的数据接线头和试验机的数据接线头连接在一起，然后打开微机系统，清零轴向和环向引伸计数值，开始试验。

（5）按上述试验方案进行剩下的岩石试验操作。

根据上述试验方案，得到所有试样的基本物理参数，如表1所示。

2 试验结果

2.1 三轴压缩试验结果

为研究三轴条件下泥质砂岩的力学行为特征，本次试验分为4组，即4种不同围压，分别为0MPa、3MPa、6MPa、9MPa。考虑到试验的偶然性和离散型，每组做3个试样，以保证数据的准确性和可靠性。

岩石试样在不同围压下应力应变关系曲线如图1-图4所示。

由岩石三轴压缩全应力应变曲线图所示，可以清楚的看到，该泥质砂岩的全应力应变曲线，总共可以分为4个阶段，其分别为：压密阶段（OA）、线弹性阶段（AB）、塑性破坏阶段（BC）、脆性破坏阶段（CD）。

OA段：试样为低强度泥质砂岩，其颗粒较细，质地较为均匀，因而在试验前期的加载过程中，试样的应变量变化较为迅速，但由于该阶段的压密是对岩样本身就存在的大孔隙和微裂纹进行压密，因而对其轴向的应力影响不大。

AB段：在该阶段，通过前面的压密阶段，岩样内部已经是趋于稳定的整体，各部分的孔隙及微裂纹基本上都闭合完毕，因此该段内岩样的轴向应力速率增加迅速，同时，在该段内应变量的增加速率却相对较慢，该阶段的变形属于弹性变形。

BC段：随着轴向应力的持续增加，岩样内部的孔隙以及微裂纹重新出现在岩样的薄弱部位，并且各个孔隙与微裂纹之间在较大应力的作用下，快速的延伸，贯穿，进而形成塑性破坏，此时，岩样的轴向应力速率明显减缓，轴向应力逐渐达到峰值，整个岩样发生破坏。

CD段：在达到峰值应力之后，岩样发生脆性破坏，形成的破坏面之间由于摩擦力的作用，仍具有一些应力存在，但呈现出明显的下降趋势，下降的过程迅速，但由于岩石内部结构，变形特点有所差异。

图1-图4清晰明了说明随着围压的增大，试样轴向应力也随之增大，但增大量在逐渐减少;围压为3MPa、6MPa、9MPa时，轴向应变随围压增大而增大，且变形增大显著。当围压为0MPa时，轴向最大应力为26.95MPa，轴向应变为0.56%;当围压为3MPa时，轴向最大应力为33.95MPa，轴向应变为0.67%;当围压为6MPa时，轴向最大应力为39.33MPa，轴向应变为0.74%;当围压为9MPa时，轴向最大应力为45.21MPa，轴向应变为0.95%。

通过以上得到的最大轴向应力和几个不同的围压值，结合文献[4]，即可得到该岩石的粘聚力，内摩擦角，进而得到岩石弹性模量为5.7，泊松比为0.3。

2.2 岩石破坏形式

岩石的破坏形式主要包括脆性破坏、塑性破坏和剪切破坏三类。本文中岩石试样的破坏图形如图5所示。由图可知，当围压为0时，此时岩石试样无环向压力约束，岩石只在轴向应力作用下发生变形，其破坏面由岩样顶部呈波浪形到达岩样底部，将岩样对称分为两部分;当围压为3MPa时，破坏形式不变，但是破坏面的终止点位于试样低中部;当围压达到6MPa时，破坏形式依旧不变，但破坏面的终止点位于试样低偏右侧;随着围压进一步加大，岩石试样发生脆性破坏和剪切破坏，其破坏面的起始线更长。

3 结论

本次试验一共分为4组，根据围压不同划分，每个围压等级做三个试验，通过对这些试样的三轴压缩试验，得到该泥质砂岩的全应力应变曲线，总共可以分为压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和脆性破坏阶段4个阶段;随着围压的增大，试样轴向应力也随之增大，但增大量在逐渐减少，轴向应变随围压增大而增大，且变形增大显著;根据实验结果分析，计算出了岩石相应力学参数，并得出该岩石的破坏形式主要包括脆性破坏和剪切破坏，符合岩石破坏形式的基本规律。

参考文献：

[1]姜永东，鲜学福，许江，等.砂岩单轴三轴压缩试验研究[J].中国矿业，2004（04）：68-71.

[2]李晓娟，倪骁慧，孙斌祥，等.粉砂岩三轴压缩条件下细观损伤特征的定量研究[J].煤炭学报，2012，37（04）：590-595.

[3]李文帅，王连国，陆银龙，等.真三轴条件下砂岩强度、变形及破坏特征试验研究[J].采矿与安全工程学报，2019，36（01）：191-197.

[4]刘小亮，岳虎，张士林.利用EXCEL自动求解岩土三轴试验C、φ值[J].教育现代化，2020，7（04）：116-117.