岩石变形力学特性试验研究

梁书玲

【摘要】岩石的变形力学特性是岩石力学研究的关键，本文对取自淮南市矿井内的岩石进行了单轴、3T循环加载压缩试验，分析了岩样在不同循环受力条件下的变形力学特性规律，对岩样在循环受力条件下的变形力学特性的机理进行了较为深入的研究，为下一步建立岩石的损伤演化模型及本构关系提供了基础和参考。

【关键词】变形力学特性 内部裂纹 单轴

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）44-0135-02

目前，用于研究岩石变形力学特性最常用的室内试验方法是单轴和常规三轴压缩试验。通过此类试验可以得到反映岩石变形破坏最基本力学特征的应力-应变全过程曲线，以及其他主要力学性质参数。此外还有真三轴压缩、直接剪切、巴西劈裂等室内试验，根据不同岩土工程的需要，通过这些试验可以得到岩石在荷载作用下更全面的变形力学特性。这些试验结果为建立岩石本构关系提供了不可或缺的数据资料，因此，本文首先进行了一些常规试验。

一、试验目的及步骤

试验的主要目的是为了獲得试件的单轴抗压强度、各种受力循环周期下单轴压缩峰值强度、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比、应力-应变关系曲线及破坏特征等，同时为后续研究加载过程微裂纹体积应变的变化规律提供相关数据。

单轴压缩试验按如下步骤进行：（1）选择好试验岩样，用游标卡尺对岩样上、下部分别测量其直径两次，测量其长度两次，并做好相关记录，计算出岩样的平均直径和平均长度，对岩样进行试验前的拍照；（2）将岩样置于试验机的承压板中心；（3）安装轴向引伸计和径向引伸计，使引伸计各引脚与岩样表面完全接触，并使引申针的长度处于正常范围；（4）以位移控制加载，设定好必要参数，启动高压开始加载，试验全过程数据采集系统自动采集荷载和变形值，直至岩样破坏；停止试验，取出岩样，进行拍照及记录描述。

二、单轴压缩试验

为了了解岩石的基本属性，我们先拿出三个岩样对其进行常规的三轴压缩试验，如图为三个试件的应力应变曲线图。从这些图中可以看出，应力-应变曲线可以分为如下几个阶段：（1）初始压密阶段：应力-应变曲线稍向上弯曲，其切线斜率逐渐增大，但接近弹性，一般不产生不可恢复的变形。在单轴应力状态下，该阶段显著；常规三轴应力状态下，随着围压的增高，岩样内部的微裂隙等初始缺陷在围压作用下已被很大程度地压密，该阶段显得越来越不明显。从图中应力-径向应变关系曲线可以看出，该阶段岩石径向变形不明显，几乎没有。（2）弹性变形阶段：岩样稳定承载，应力-应变曲线接近于直线，近似于线弹性工作阶段，但并非严格意义上的线弹性，该阶段以可恢复弹性变形为主，但也包含少量不可恢复的塑性变形。（3）非弹性变形阶段：应力-应变曲线向下弯曲，其切线斜率逐渐变缓直至降为，该阶段的起始点称为屈服点，通常在峰值应力的处，岩石内部出现新的裂隙。该阶段即使应力保持不变，由于破裂过程中造成的应力集中现象显著，微裂纹仍会不断扩展。发生的变形中，不可恢复塑性变形逐渐增多，且径向应变的变化速率明显高于轴向应变。对于脆性岩石，随着围压的增高，该阶段越来越明显。（4）破坏阶段：应力达到峰值强度时，岩石进入破坏阶段，此后应力-应变曲线切线斜率由零变为负值，岩石强度迅速降低。岩石在该阶段的发展过程称为破坏过程，岩石完全失去承载能力时才算破坏，若岩石仍具有一定的承载能力，则称该强度为残余强度。随着围压的增高，该阶段变形逐渐由脆性向延性转化。

三、3T循环单轴压缩试验

采用循环荷载测试方法对测试岩石的阻尼比、阻尼系数进行了试验测试和计算分析的综合探讨，实验应力应变曲线如下图所示：从图4，图5，图6中可以得到砂岩的动应变在第一个加卸载循环中的轴向塑性应变量分别约为 0.0015%，0.0025%，0.0018%，加载段曲线和卸载段曲线构成了面积较大滞回环，表明当第一个加卸载循环完成时，砂岩由于其阻尼性质，各组试样的典型动应力–应变曲线均表明，随加卸载循环周次增加，动应变增加，表明其塑性变形随循环周次增加而增大，但相比而言，动应力幅值和动应力循环周次相同时，砂岩得到的滞回环相互间距较为紧凑，为“密集型”滞回环。同时，自第二个振动周期开始，砂岩得到的各加卸载周次构成的滞回环面积始终大于上一次砂岩的到的滞回环面积。 同时我们发现每次循环都会产生一个滞回环，意味着每次的受力循环都会产生损耗能。所以循环加载的次数越多，所产生的损耗能越多。而且从图中我们看出损耗能大多发生在卸载到加载的过程，而加载到卸载的过程几乎不产生损耗能。

四、总结

从建立模型与岩石的能量分析方面来对岩石进行研究，这与我们平日对岩石的研究思路不太一样，这使我们对相关的岩石问题的研究展开了新的思路。同时，得出岩石本构方程后，我们通过应力应变曲线来计算分析岩石中的能量转化，从而从微观上来理解岩石变形破坏的整个过程，通过控制岩石能量转化的途径来控制岩石的变形破坏。岩石能量演化理论是岩石力学的一个新领域，其具有较广泛的应用前景。

参考文献：

[1]谢和平，彭瑞东，鞠杨. 岩石变形破坏过程中的能量耗散分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（21）.

[2]谢和平，鞠杨，黎立云. 基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（17）.