粉砂质泥岩不同加载控制方式下三轴压缩试验研究

李蕊，胡新丽，丛璐，徐腾飞

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074；2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518000）

粉砂质泥岩不同加载控制方式下三轴压缩试验研究

李蕊1，胡新丽1，丛璐1，徐腾飞2

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074；2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518000）

对秭归县马家沟滑坡中粉砂质泥岩开展三轴压缩试验，分析在应力和应变两种加载控制方式下岩石的变形破坏特征，以获取相对安全合适的试验加载方式。结果表明:在加载初期，各围压下两种加载控制方式的轴向应变和环向应变曲线具有较好的线性特征，峰值强度后变形特征差异显著；轴向应力加载控制方式下得到的岩石内摩擦角相对更大，摩擦力抵抗岩石变形破裂的能力相对较高，而环向位移加载控制方式下黏聚力抵抗岩石变形破裂的能力相对较高；试件破坏模式主要为低围压下的剪切-张拉破坏和较高围压下的剪切破坏，在轴向应力加载控制方式下试件的破坏程度相对剧烈，而环向位移加载控制方式下试件完整性相对较好，表明试件在环向变形量等速增加的制约下，岩石内部材料缓慢地达到承载极限，降低了灾变的可能性。

粉砂质泥岩；三轴压缩试验；加载控制方式；变形破坏特征；强度参数

岩石属非均质、不连续、各向异性的介质，开展岩石三轴压缩试验是研究其基本力学特性的重要手段之一。近年来，对岩石常规三轴压缩试验的研究取得了大量的成果［1-5］。张治亮等［6］分析了向家坝砂岩常规三轴压缩试验数据，指出向家坝砂岩具有非线性变形和延性破坏特征，建立了体积应变和损伤变量方程，得出韧性岩石的损伤演化特征。杨更社等［7］分别探讨了围压和冻结温度对冻结岩石三轴强度特性的影响，分析了煤岩和砂岩在冻结效应上表现出的差异性及其原因。李新平等［8］对锦屏二级水电站引水隧洞内大理岩开展常规三轴压缩试验及峰前、峰后卸围压试验，研究了大理岩在加卸载应力路径下的强度变形特征和破裂机制。

长江三峡库区广泛分布着侏罗系地层，其间出露的遂宁组紫红色粉砂质泥岩，强～中风化，发育了大量的节理和裂隙，整体较破碎，研究其基本物理力学性质对分析地质灾害的发育机理和防治对策具有十分重要的意义。在对侏罗系粉砂质泥岩进行常规三轴压缩试验的过程中发现，岩石的变形破坏特征和强度参数会受到试验加载控制方式的制约，影响滑坡防治工程设计中参数的选取。本文利用MTS岩石力学试验系统，分别采用了轴向应力和环向位移加载的控制方式，通过对试验数据对比和分析，研究了粉砂质泥岩的变形特性、强度特征和破坏形态，揭示了粉砂质泥岩在两种不同加载控制方式下的力学特性差异。对岩石物理力学性质的研究和室内岩石常规三轴试验方法的确定具有一定的参考价值。

1　试验概况

1.1岩性特征

岩样取自三峡库区湖北省秭归县马家沟地区出露的侏罗系上统遂宁组（J3S）粉砂质泥岩，采用水钻工艺顺着层理面钻取岩芯，严格按照《水电水利工程岩石试验规程》（DL/T5368—2007）［9］加工成φ50mm× 100mm的圆柱形试样。加工完成后，首先剔除表面存在明显缺陷的样品，对岩样进行标注，测量尺寸，挑选出端面不平整度偏差在±0.05mm以内、端面对试件轴线的垂直度偏差在±0.25°以内的部分岩样。再采用脉冲声波法对岩样的纵波波速进行测试，筛选出波速在2700m/s以上的样品，作为岩石常规三轴压缩试验的岩样。经室内物理试验测试，岩石天然含水率为8%，密度为2.35g/cm3。

1.2试验方案

试验设备选用美国MTS公司的MTS815.04岩石力学试验系统，该系统伺服性能优良，变形测试技术先进，可以进行岩石及混凝土材料的单轴压缩、三轴压缩、孔隙水试验，是目前先进的室内岩石力学试验设备之一［10-11］。试验系统加载控制方式包含轴向冲程力控制、轴向冲程位移控制、内置力传感器力控制、轴向引伸计及环向引伸计位移控制等。在对岩样进行室内常规三轴压缩试验的加载过程中，一般选用轴向应力和环向位移控制方式。其中，轴向应力加载控制的优点在于操作方便，试验前输入程序参数的方式较直观；环向位移加载控制则可以控制试件的整体变形。以下分别对3，5，7MPa不同围压下的粉砂质泥岩开展常规三轴压缩试验。

1）轴向应力加载控制方式

试验加载过程中，首先以0.05MPa/s的加载速率同步施加围压和轴压，当围压达到预定值后，再以0.8MPa/s的加载速率施加轴向荷载，直至破坏。

2）环向位移加载控制方式

初始施加围压和轴压的过程和前者相同，围压达到预定值后，将控制方式调整至环向位移控制，设置加载速率为0.0005mm/s。该加载速率取值是由轴向应力加载控制方式下的加载速率通过该类岩石相同加载条件下获得的强度、泊松比和弹性模量换算求出，尽量保证两种加载控制方式的加载速率在同一数量级，以降低试验结果的离散性。

2　试验结果分析

2.1变形特征

图1为不同加载控制方式下粉砂质泥岩应力-应变关系曲线。由图可知，在加载的初级阶段，各围压下轴向应变ε1和环向应变ε3曲线具有较好的线性特征，此时岩石内部的原生微裂隙逐渐闭合，试件处于弹性变形阶段；随着轴向荷载的增加，曲线由陡变缓，斜率逐渐减小。这是由于在较高的应力下，试件内部的微裂隙逐渐增长且局部发生破坏，岩石抵抗变形破裂的能力降低。在较低围压下，两种加载控制方式下的环向应变不明显，大约是轴向应变值的20%，岩石处于轴向压缩阶段；随着围压的增加，环向应变值逐渐增大，达到0.5%，但是均小于轴向应变，说明试件表现出轻微的侧向膨胀趋势，侧向扩容还不明显。

相同围压下，两种加载控制方式的ε1，ε3曲线形态相似，峰值强度之前，均表现出相近的变形特征，应力随应变的增长呈现线性变化；达到峰值强度后，二者表现出一定程度的应变软化特征，环向位移加载控制方式下出现相对明显的应力跌落现象，而在轴向应力加载控制方式下，ε1和ε3曲线变化相对平缓，轴向应变和环向应变相对增长较快。同时，试件最终破坏时，环向位移控制下的轴向和环向应变值均相对较小。

2.2强度特征

统计本次试验中两种加载控制方式下峰值强度与围压的关系，结果见表1。

图1　不同加载控制方式下粉砂质泥岩应力-应变关系曲线

表1　粉砂质泥岩峰值强度与围压的关系

两种加载控制方式下，随着围压的增加，岩石强度随之增加；在相同围压下，环向位移控制下试件的峰值强度相对较小，轴向应力的变化速率也相对较低，可以看出在等速环向变形加载的制约下，岩石内部材料在抵抗变形破坏的过程中会相对缓慢地达到承载极限。

鉴于Mohr-Coulomb强度准则是岩体力学中经典的强度理论之一，本文利用常规三轴压缩试验的数据进行拟合，得到Mohr-Coulomb强度准则的主应力形式的表达式［12］

式中：σ1为轴向应力，σ3为围压，T和M分别为σ1-σ3坐标下拟合直线的截距和斜率。通过T和M可以确定出试件的黏聚力和内摩擦角，即

根据式（1）～式（3），结合表1，在σ1-σ3坐标中得出各围压下岩样的峰值强度，并经计算得到两种加载控制方式下粉砂质泥岩的抗剪强度参数，如表2所示。

表2　不同加载控制方式下岩样的抗剪强度参数

由表2可以看出，环向位移控制下的内摩擦角比轴向应力控制下的内摩擦角小，而对于黏聚力的大小则两者相反。该结果表明，在轴向应力加载控制方式下，试件裂纹随着不断增长的轴向荷载沿着起裂角不断扩展，摩擦力对岩石抵抗变形破坏能力的影响逐渐增强，黏聚力影响则逐渐降低。在环向位移加载控制方式下，相比轴向应力加载控制方式，MTS试验加载系统不断调整轴向荷载的大小和加载速率以保证岩样环向变形量的等速增加，岩石内部的裂隙在扩展延伸的过程中受到制约，摩擦力在抵抗岩石破裂过程中的作用相对较小，而黏聚力的影响相对较大。

2.3破坏特征

图2给出了试验后粉砂质泥岩的破坏形态。两种加载控制方式的试件呈现出低围压下剪切-张拉破坏形式和较高围压下剪切破坏形式，均可见较为明显的剪切斜裂缝。轴向应力加载控制方式下，试件破坏程度相对剧烈，破裂面相对粗糙并伴随裂缝。环向位移加载控制方式下，试件完整性较好，剪切裂缝细小且平滑，破裂面周围没有明显的节理和裂隙。

上述试验结果可作如下解释：由于围压较低，侧向约束影响相对较弱，且岩样的抗拉强度远远小于抗压强度，在不断增长的轴力作用下，剪切裂缝发展到试件中下部与轴向的张拉裂缝贯通，试件最终以张拉破坏告终，呈现出剪切-张拉的破坏形态；而在较高围压下，试件受到的侧向约束相对较大，抵消了一部分岩样内部产生的张拉应力，岩石主体材料的承载能力进一步提高，因而剪切裂缝得以贯通，呈现出剪切破坏的形态特征。在环向位移加载控制方式下，受到等速增加的环向变形量的支配，岩石内部裂纹沿起裂角的扩展速度小于在轴力加载控制方式下裂缝的扩展速度，因此在抵抗变形破裂的过程中试件内部材料会相对均匀地达到承载极限，表现出了宏观完整性较好的剪切破坏形态。

图2　试件破坏形态

3　结论

利用MTS岩石力学试验系统，对侏罗系粉砂质泥岩进行了在3，5，7MPa不同围压及不同加载控制方式下的常规三轴压缩试验研究，得到以下结论：

1）在加载初期，各围压下两种加载控制方式的ε1，ε3曲线具有较好的线性特征，随着轴向应力的增加，曲线由陡变缓，达到峰值强度后，环向位移加载控制下的应力跌落相对明显，而轴向应力加载控制下的ε1和ε3曲线变化平缓。

2）基于Mohr-Coulomb强度准则，分别对两种加载控制方式、不同围压下的峰值强度进行直线拟合，得到粉砂质泥岩的抗剪强度参数。其中，轴向应力加载控制方式下内摩擦角相对较大，而环向位移加载控制方式下黏聚力相对较大。表明在环向位移加载控制方式下摩擦力抵抗岩石变形破裂的能力相对降低，黏聚力的作用则相对增强。

3）两种加载控制方式下的试件破坏形态均呈现出低围压下的剪切-张拉破坏和较高围压下的剪切破坏形态。轴向应力加载控制方式下的试件破坏程度相对剧烈，环向位移控制方式下试件完整性较好，说明环向位移加载控制方式下试件受到等速增加的环向变形量的制约，岩石内部材料相对缓慢地达到承载极限，有利于控制岩石试件的变形，降低了试验过程中岩石试件发生灾变的可能性。

［1］尤明庆.围压对岩石试样强度的影响及离散性［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（5）：929-937.

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［3］牛双建，靖洪文，梁军起.不同加载路径下砂岩破坏模式试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2011（增2）：3966-3974.

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［5］苏承东，付义胜.红砂岩三轴压缩变形与强度特征的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2014（增1）：3164-3169.

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［12］周维恒.高等岩石力学［M］.北京：水利电力出版社，1990.

AbstractT he triaxial compression tests of silty mudstone from landslide were conducted in M ajiagou，Zigui County.T he deformation features under two loading control modes consisting of strain and stress were analyzed to obtain a relative safe and appropriate loading mode.T he results show：At the beginning of the loading，both of axial and circumferential stain curve present good linear characteristics under two loading control modes，the differences of deformation characteristics are significant after peak strength.Under the axial stress loading control mode，internal friction angle is relative larger，and the friction is relative higher during the rock deformation and failure resistance. Under the circumferential displacement loading mode，cohesion is relative larger during the the rock deformation and failure resistance.T he fracture modes are mainly shear-tension fracture with the low confining pressure and shear fracture with the high confining pressure；under the axial stress loading control mode，the damage degree of the specimens is oppositely severe，and the integrity of the specimens under the circumferential displacement loading control mode is better.It shows that internal material in the rock mass achieves loading capacity slowly to decrease the possibility of catastrophe with a constant increasing circumferential displacement.

Research on Triaxial Compression Tests of Silty Mudstone in Different Loading Control Modes

LI Rui1，HU Xinli1，CONG Lu1，XU Tengfei2
（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China；2.Shenzhen Municipal Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China）

Siltymudstone；T riaxialcompressiontest；Loadingcontrolmode；Deformationandfailure characteristics；Strength parameters

TU411.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.37

1003-1995（2016）04-0149-04

（责任审编周彦彦）

2015-11-15；

2015-12-23

国家自然科学基金（41272305）

李蕊（1991—），女，硕士研究生。