三轴循环荷载下岩石动态特性参数研究

黄兴建，付小敏，沈　忠，宾婷婷

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

三轴循环荷载下岩石动态特性参数研究

黄兴建，付小敏，沈忠，宾婷婷

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

利用MTS815 Flex Test 40岩石力学试验系统对粉砂质泥岩和泥质粉砂岩进行三轴循环荷载试验。研究两种岩石在三轴循环荷载作用下，动剪切模量和动泊松比参数的变化规律。结果表明：1）在相同轴向振动荷载和振动次数作用下，两种岩石的动剪切模量随着围压的增加呈现出先增加再减小的变化规律，动泊松比没有明显的变化规律。2）在相同围压和轴向振动荷载作用下，两种岩石的动剪切模量随着振动次数的增加呈现逐渐减小的变化规律，动泊松比呈现逐渐增加的变化规律。3）在相同围压和振动次数下，两种岩石的动剪切模量与动泊松比随着轴向振动荷载的增加都无明显规律。试验成果对研究岩土工程地基岩石的地震反应和边坡工程的安全稳定性评价可提供参考依据。

粉砂质泥岩；泥质粉砂岩；三轴循环荷载；动剪切模量；动泊松比

0　引　言

近年来，地震成为我国最主要的自然灾害之一。在油田开采前，进行地震后油田下岩芯的地震反应分析及岩体的稳定性评价工作至关重要，有必要对岩石动力学特性进行研究。目前岩石在单轴循环荷载下的研究已取得了很多成果。杨春和，刘建锋等［1-3］关于岩石在单轴循环荷载下岩石的变形特性、阻尼参数、变形参数进行了研究，分析了循环荷载周次和动应力幅值对细砂岩的动弹性模量、动泊松比、阻尼比和阻尼系数的影响。葛修润等［4］通过单轴循环荷载试验，对岩石疲劳破坏和不可逆变形问题进行了研究，得出岩石的疲劳寿命主要由岩石本身结构、幅值荷载和荷载差决定；当应力水平达到某一“门槛值”后，循环周次增加将促使不可逆变形加速增长，最终导致整个试件破坏。周家文等［5］研究了单轴循环荷载下脆性岩石断裂损伤力学特性，给出了一种根据应力-应变曲线计算损伤变量的方法。魏元龙等［6］对含天然裂隙脆性页岩变形及破裂特征进行了研究，得出单轴循环荷载和裂隙对岩石屈服应力、破裂压力和峰值强度的影响及裂隙页岩的破坏模式主要呈拉剪贯通模式和拉贯通模式。张媛［7］研究了单轴循环荷载下岩石变形损伤及能量演化的试验，结果表明随着单轴循环周次的增加，岩石应力-应变滞回环曲线呈现由疏变密的特征，且残余应变量逐渐减小并趋于稳定。冯春林等［8］研究了单轴循环荷载下岩石临界荷载和疲劳强度的新方法，以全应力-应变曲线试验为基础，进行不同高，低应力水平疲劳试验。结果表明，岩石的临界强度不仅受岩石固有性质影响，而且受控于应力水平，特别是应力振幅。徐建光等［9］研究得出了单轴循环荷载下断续裂隙试样疲劳变形演化规律与完整岩石、完全离散的节理化岩体一致，均可划分为初始变形、等速变形、加速变形3个阶段，断续裂隙岩体疲劳变形除受加载频率及荷载水平的影响之外，还受到裂隙空间位置的明显影响。所以目前对于岩石在单轴循环荷载下的力学参数和变形特性研究比较成熟。在三轴循环荷载下付小敏等［10］对岩石的变形及阻尼特性进行了研究，得出了相同轴向振动荷载作用下，动弹性模量和动阻尼比随着围压的增加逐渐增加的变化趋势，相同围压和轴向振动荷载下，动弹性模量随振动周次的增加逐渐增加，动阻尼比与振次没有明显的变化规律。马林建等［11］利用三轴试验机进行不同荷载波形参数和不同围压下的盐岩试验的循环加、卸载试验，分析了三向状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响。宫凤强等［12］研究了围压、应变率与岩石的动态压缩强度的变化规律。任浩楠等［13-14］探讨了循环周次、围压以及不同应力状态对大理岩阻尼比和阻尼系数、动弹性模量的影响。但是三轴循环荷载下，围压、动应力幅值、以及振动次数对于岩石的动剪切模量、动泊松比的影响还缺乏系统研究和探讨。

本文利用三轴循环荷载试验，分析探讨了围压、轴向振动荷载、振动次数对岩石的动剪切模量和动泊松比的影响，为岩石动态力学特性参数研究提供参考。

图1　粉砂质泥岩

图2　泥质粉砂岩

图3　MTS815 Flex40岩石力学试验系统

1　试验测试

1.1试验样品

试样微风化粉砂质泥岩，取自一拟建构筑工程地基，取样深度约为30m，为了保证试样天然含水量不变，试样按照工程岩体试验方法标准［15］制作，采用切割机和磨石机对钻孔岩芯进行干加工，试样尺寸为65mm×130mm，图1是选择的18个粉砂质泥岩试样及编号，天然总平均密度为2.54g/cm3。图2是取自同一地区的18个泥质粉砂岩，试样及编号，平均密度为2.55g/cm3。

1.2试验设备

利用美国生产的MTS815 Flex40程控伺服岩石刚性试验机（见图3）进行测试。该系统具有加载框架刚度大、计算机伺服循环控制稳定、传感器测试精度高等特点，试验机轴向最大施加荷载3000 kN，围压最大值为100MPa，振动频率达5Hz，振动波形可为正弦波、余弦波、三角波、方形波、斜波、随机波。

1.3试验方法

由于粉砂质泥岩取样深度较浅，故施加1，2，3MPa三级围压对岩样进行3组试验，每组试验个数6个，且每组施加不同的轴向振动荷载（通过施加不同振动荷载，求出轴向临界破坏荷载）。泥质粉砂岩以同样方式分为3组进行试验。振动波形采用正弦波，频率为1Hz，振动周次到2000次或试样在某一轴向振动荷载下破坏则停止试验。具体试验过程如下：

1）防油处理

利用焊塑枪将热缩管套在试件表面，使试件在液压缸中完全与油隔离，调整试样并安装环向引伸计后放到三轴压力室底座中央。

2）施加围压和轴向静态荷载

根据岩石的取样深度，给试件施加预定围压σ3，通过分析其受力特点及动应力大小，确定试件轴向加压的初始静荷载应力值：σ=σ3+σs。加载方式采用荷载控制，加载速度为轴向荷载15 kN/min，当轴向应力达到σ时停止加载。

3）施加动荷载

保持围压不变，以轴向应力σ为振动中心值，给试件施加幅值为σd，频率为1Hz的轴向振动荷载，直到试件变形稳定或破坏。试验时取σs=σd，加载方式如图4所示。

2　试验结果分析

通过对粉砂质泥岩与泥质粉砂岩进行加载试验可得出两种岩石在某一围压下的轴向临界破坏荷载如表1所示。当岩石在侧向均等压力下，施加低于轴向临界破坏荷载的等幅周期循环荷载作用时，由于岩石为非理想弹性体，岩石在每一级动应力作用下，动应力σd与相应动应变εd的曲线在时间上并不完全对应，二者之间存在一定的时间差，使得一个循环周次的动应力和动应变曲线形成一个滞回环。卸载段曲线不沿原加载段曲线返回，卸载段低于加载段，从岩石循环加载应力-应变曲线中，曲线与横坐标围成的部分面积，可反映外荷载对试样所做的功和卸载时岩石释放的弹性能。滞回环的平均斜率可反映动弹性模量Ed的大小。通过动应力-应变曲线（见图5），根据式（1）、式（2）可求得动弹性模量Ed与动泊松比μd的值。根据动剪切模量与动弹性模量和动泊松比的关系，利用式（3）求出动剪切模量的值。

图4　理论加载曲线

表1　不同围压下的轴向临界破坏荷载　MPa

图5　动应力-应变滞回环

式中：σdmax——滞回环轴向最大动应力；

εdmax——滞回环轴向最大动应变；

εdmin——滞回环轴向最小动应变；

εtmax——εdmax对应的环向最大动应变；

εtmin——εdmin对应的环向最小动应变；

G——动剪切模量。

图6是粉砂质泥岩在22 MPa轴向振动压力下对应的动应力-应变曲线及滞回环示例。结合图6，选择每一围压下试样分别振动10，20，30，100，500，1 000，2 000次对应的动应力-应变关系曲线图，通过式（1）～式（3）计算每一个试样的动剪切模量和动泊松比，结果如表2～表5所示。

表2　粉砂质泥岩在不同围压、不同动应力的动剪切模量计算表

表3　泥质粉砂岩在不同围压、不同动应力的动剪切模量计算表

表4　粉砂质泥岩在不同围压、不同动应力的动泊松比计算表

表5　泥质粉砂岩在不同围压、不同动应力的动泊松比计算表

图6　粉砂质泥岩在22MPa轴压下的动应力-应变曲线及滞回环示例

图7　粉砂质泥岩在22MPa振动荷载下对应不同围压的动剪切模量、动泊松比与振动次数曲线图

图8　泥质粉砂岩在15MPa振动荷载下对应不同围压的动剪切模量、动泊松比与振动次数曲线图

2.1动剪切模量分析

从表2可以看出粉砂质泥岩在相同轴向振动荷载（22 MPa）和振次下，随着围压从1 MPa增加到3 MPa，动剪切模量呈现先增加再减小的趋势，2MPa达到最大平均值2.77GPa，变化情况如图7（a）所示。

从表中还可以看出，粉砂质泥岩在相同围压和轴向振动荷载下，随着振次的增加，动剪切模量逐渐减小，减幅在3%～20%之间。这是由于随着振动次数的增加，虽然岩样在振动荷载作用下，内部空隙越来越小，岩石越来越密实，表现的越来越稳定，但是试样在扰动作用下仍然有剪切变形存在，而剪应力此时可认为不变，故动剪切模量逐渐减小。并且粉砂质泥岩在相同围压和振次下，随着轴向振动荷载的增加，动剪切模量无明显规律。

从表3可以看出泥质粉砂岩在3种相同分析情况下，动剪切模量变化规律与粉砂质泥岩一样。动剪切模量变化情况如图8（a）所示。

2.2动泊松比分析

从表4可以看出粉砂质泥岩在相同轴向振动荷载（22 MPa）和振次下，随着围压从1 MPa增加到3MPa，动泊松比呈现先减小再增加的趋势，2MPa达到最小平均值0.103，但变幅不大，在0.008～0.026之间波动，变化情况如图7（b）所示。

从表4可以看出粉砂质泥岩在相同围压和轴向振动荷载下，随着振次的增加，动泊松比呈逐渐增加的趋势，增幅在16%～31%之间。这是由于随着振动次数的增加，岩石内部空隙越加密实，所以在振动后期变形几乎稳定，但环向约束相对轴向约束更弱，所以导致环向变形相对大于轴向变形，从而使动泊松比有所增加。

从表中还可以看出粉砂质泥岩在相同围压和振次下，随着轴向振动荷载的增加，动泊松比无明显规律。

从表5可以看出泥质粉砂岩除了在相同轴向振动荷载（15 MPa）和振次下，随着围压从1 MPa增加到3MPa，动泊松比变化情况与粉砂质泥岩不同，变化情况如图8（b）所示。其余两种分析情况，动泊松比变化规律与粉砂质泥岩相同。

3　结束语

本次试验进行了不同条件下岩石的三轴循环荷载试验，得出了试验围压、轴向振动荷载、振动次数对岩石动剪切模量和动泊松比的影响规律。得出的主要结论：

1）岩石在相同轴向振动荷载和振次下，随着围压的增加，动剪切模量呈现出先增加再减小的趋势。

2）试验中若保持试样围压和轴向振动荷载不变，随着振动次数的增加，岩石的动剪切模量逐渐减小，而动泊松比逐渐增加。

3）岩石在相同围压和振次下，随着轴向振动荷载增加，岩石的动剪切模量和动泊松比都无明显规律。

4）岩石在试验中，由于用热缩管隔油，热缩管对试样起到了一定约束作用，所以试件在变形过程中还要克服热缩管的约束力，故试验结果还存在一定偏差性，具体偏差值值得进一步研究。

5）岩石的三轴循环荷载试验表明，对岩石的动态力学特性研究，除了设计合理的试验研究方案，岩石本身在动态作用下的变形复杂性对试验的研究结果也有很大影响。对岩石的动剪切模量和动泊松比的研究，可以一定程度判断岩石内部空隙的变化状态，对实际工程中岩体震后的地震反应分析和边坡工程安全稳定性评价提供借鉴。

［1］杨春和，马洪岭，刘建锋.循环加、卸载下盐岩变形特性试验研究［J］.岩土力学，2009（12）：3562.

［2］刘建锋，徐进，李青松，等.循环荷载下岩石阻尼参数测试的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010（5）：1036-1041.

［3］刘建锋，谢和平，徐进，等.循环荷载下岩石变形参数和阻尼参数探讨［J］.岩石力学与工程学报，2012（4）：770-777.

［4］葛修润，卢应发.循环荷载作用下岩石疲劳破坏和不可逆变形问题的探讨［J］.岩土工程学报，1992（3）：56-60.

［5］周家文，杨兴国，符文熹，等.脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2010（6）：1172-1183.

［6］魏元龙，杨春和，郭印同，等.单轴循环荷载下含天然裂隙脆性页岩变形及破裂特征试验研究［J］.岩土力学，2015（6）：1649-1658.

［7］张媛.循环荷载条件下岩石变形损伤及能量演化的实验研究［D］.重庆：重庆大学，2011.

［8］冯春林，毕忠伟，吴永丰，等.循环荷载下岩石临界强度的测定［J］.金属矿山，2011（2）：13-16.

［9］徐建光，张平，李宁.循环荷载下断续裂隙岩体的变形特性［J］.岩土工程学报，2008（6）：802-806.

［10］付小敏，熊魂，王从颜，等.三轴循环荷载下岩石的变形及阻尼特性试验研究［J］.中国测试，2015，41（2）：1-4.

［11］马林建，刘新宇，许宏发，等.循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2013（4）：849-856.

［12］宫凤强，李夕兵，刘希灵.三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究［J］.振动与冲击，2012（8）：29-32.

［13］任浩楠，徐进，聂明，等.三轴循环荷载下大理岩阻尼参数的试验研究［J］.长江科学院院报，2011（11）：72-76.

［14］聂明，徐进，任浩楠，等.大理岩阻尼参数与动弹性参数的动三轴试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2011（S2）：3989-3994.

［15］工程岩体试验方法标准：GB 50266—1999［S］.北京：中国标准出版社，1999.

（编辑：李妮）

Study on dynamic characteristic parameters of rock under triaxial cyclic loading

HUANG Xingjian，FU Xiaomin，SHEN Zhong，BIN Tingting
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

MTS815 Flex Test 40 rock mechanics test equipment is used for triaxial cyclic loading tests to silty mudstone and argillaceous siltstone to study the changing laws of their dynamic shear modulus and dynamic Poisson's ratio under triaxial cyclic loading.Results show that：1）Under the same axial vibrating load and number of vibration，the dynamic shear modulus of the two rocks increases first and then decreases as the confining pressure increases，while the dynamic Poisson's ratio does not show any obvious changes.2）Under the same confining pressure and axial vibrating load，the dynamic shear modulus of the two rocks gradual decreases as the number of vibration increases，while the dynamic Poisson's ratio gradually increases.3）Under the same confining pressure and number of vibration，the dynamic shear modulus and dynamic Poisson's ratio of the two rocks do not show any obvious lawsas the axial vibrating load increases.The results provide reference for further study on seismic response of geotechnical engineering foundation rocks and evaluation on safety and stability of slope engineering.

siltymudstone；argillaceoussiltstone；three axial cyclic loading；dynamicshear modulus；dynamic Poisson's ratio

A

1674-5124（2016）07-0117-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.024

2016-02-03；

2016-03-18

国家自然科学基金项目（41272321）

黄兴建（1991-），男，四川遂宁市人，硕士研究生，专业方向为岩土工程。

付小敏（1963-），女，四川绵阳市人，研究员，主要从事岩石室内试验研究。