三轴压缩下砂岩强度特征和破坏特性试验研究

张 骏 （安徽建工检测科技集团有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

砂岩属于沉积岩的一种，由碎屑和填隙物两部分构成，其中碎屑的含量≥50%，颗粒直径在0.05～2.00mm，碎屑常见矿物有石英、长石、岩屑以及少量的白云母等。砂岩结构稳定，有红色、绿色、灰色、白色、淡褐色等多种颜色，主要含硅、钙、黏土和氧化铁。填隙物由两种组分组成，即胶结物和碎屑杂基。胶结物类型一般分为钙质胶结、硅质胶结、铁质胶结等。杂基为沉积时颗粒更细小的黏土或粉砂质物。砂岩是母岩在物源区风化、剥蚀作用后形成的碎屑颗粒再经流水搬运作用在盆地机械沉积形成的。砂岩在我国30 个省（市、区）广泛分布，其不同的矿物组成可胶结形式导致不同种类砂岩的工程特性差异较大，是目前的研究热点所在。

目前，国内相关学者对砂岩进行广泛而深入的研究。李嘉薏等[1-2]对红砂岩改良土进行干湿循环试验，通过直接剪切试验分析了红砂岩改良土干湿循环后的强度劣化特性。魏尧等[3-4]在不同温度和不同围压下进行三轴蠕变试验，利用两种数学模型计算砂岩冻结后的长期强度，将三轴强度与长期强度进行对比分析，并比较了两种计算模型的优、劣。于越等[5-6]分别以自然浸水法、真空饱和吸水法对红层砂岩进行干湿循环试验，对不同干湿循环次数的试样进行强度、波速、吸水、CT 扫描试验等，研究了不同饱和方式的干湿循环作用下红层砂岩力学损伤特性、孔隙变化特征。林志南等[7]对细粒石英砂岩进行不同围压下的三轴压缩试验，获得了岩石的应力-应变曲线，并对岩石破坏后的剪切裂隙面进行分析，研究了石英砂岩三轴压缩应力下的强度变化特性、破坏模式和裂隙结构面的形态特征。周辉等[8]设计不同的浸泡时间对泥质砂岩进行浸泡试验，对不同浸泡时间的样品进行三轴压缩试验，研究不同浸泡时间下岩石的强度和变形特性。梁忠豪等[9-10]设计岩石高温损伤试验，对损伤后的岩石进行三轴压缩试验和扫描电镜试验，研究黄砂岩高温损伤作用下的力学、变形特性和微细观破坏机制。陈四利等[11]设计了不同pH 值和不同化学溶液对砂岩进行化学腐蚀试验，对腐蚀后的试样进行三轴压缩试验，在试验中全程运用CT识别技术对砂岩加载过程进行扫描试验，结合砂岩应力-应变曲线研究了不同pH 值和不同化学溶液对砂岩强度和变形的影响规律。张俊文等[12]利用岩石真三轴系统模拟不同深度和不同应力路径下的深部岩石真三轴试验，通过试验获取不同工况下岩石的全应力-应变曲线，研究了相应的变形和强度特征。高阳等[13]通过对三种岩石进行三轴压缩声发射试验，获取了岩石破坏后的空间裂隙形态特征，三轴压缩声发射试验，获取了不同种类岩石的空间裂缝形态和变形破坏特征。目前国内学者对砂岩的研究多集中在砂岩的力学特性上，但少有研究不同风化程度下砂岩的强度特征和破坏特性。鉴于此，本文在前人研究基础上，以中风化、微风化两种风化程度的砂岩为研究对象，进行岩石三轴压缩试验，研究不同风化程度下的砂岩的强度特征和破坏特性，为区域工程设计与施工提供参考。

1 试验方案

本试验所用岩样取自安徽省某工程钻探现场，按岩石风化程度划分为强风化组和中风化组，试验根据《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-2013）进行制样和试验，试验仪器为岩石三轴仪。利用钻石机、磨石机等工具将岩石预制成高径比为2：1 的标准圆柱形试样（高度H=100 mm、直径Φ=50 mm）。两组岩石分别设置0、5、10、15 MPa 四种围压进行三轴压缩试验。

2 试验结果及分析

2.1 强度特征

2.1.1 试验参数

岩石三轴试验的参数主要有最大主应力、压缩模量和泊松比。

由试验结果可知，强风化组砂岩的最大主应力分别为7.76、16.71、22.24、30.64 MPa，压缩模量分别为1.4、1.6、1.7、2.6 GPa；中风化组砂岩的最大主应力分别为46.45、56.41、68.24、72.44 MPa，压缩模量分别为10.2、13.1、15.3、18.2 GPa；中风化组砂岩的最大主应力和压缩模量在4 种围压下均显著高于强风化组砂岩；两组砂岩的最大主应力和压缩模量随着围压的增大均呈现出增加的趋势。

强风化组砂岩的泊松比分别为0.18、0.19、0.17、0.21，中风化组砂岩的泊松比分别为0.23、0.25、0.22、0.22。中风化组砂岩的泊松比整体高于强风化组砂岩；两组岩石的泊松比随着围压的增加，均无明显变化。

2.1.2 抗剪强度

根据莫尔-库伦强度理论，利用上述试验数据绘制出不同围压下的应力莫尔圆，同时绘制出这些应力莫尔圆的公切线，所得截距和曲线倾角分别为黏聚力C 和内摩擦角φ，根据应力莫尔圆获得两组砂岩的抗剪强度参数如表1 所示。

表1 黏聚力和内摩擦角

由表1 可知，强风化组砂岩的黏聚力C=2.59 MPa、内摩擦角φ=25.24 °；中风化组砂岩的黏聚力C=14.40 MPa、内摩擦角φ=27.53°。由试验结果可知，中风化组砂岩的抗剪强度较强风化组高。

2.2 破坏特性

2.2.1 全应力-应变曲线

为了研究岩石破坏时轴向和径向的应力应变特征，根据试验数据绘制出两组砂岩的全应力-应变曲线，如图1、图2所示。

图1 强风化组应力-应变曲线

图2 中风化组应力-应变曲线

由图1 和图2 可知，随着围压的增加，两组砂岩的最大主应力均呈现增大的趋势。围压在15.00 MPa 时，强风化组砂岩的最大主应力为30.64 MPa，中风化组砂岩的最大主应力为72.44 MPa，中风化组砂岩的最大主应力整体较高。强风化组砂岩的轴向应变分布在0.7%～2.0% 之间，径向应变分布在0.3%～0.5%之间；中风化组砂岩的轴向应变分布在0.5%～0.7%之间，径向应变分布在0.2%～0.3%之间。强风化组砂岩的轴向和径向应变整体较中风化组大。

由图1 和图2 两组砂岩的应力-应变曲线可知，两组砂岩的破坏过程大致可分为4 个阶段。第一阶段为裂隙压密阶段，此时曲线较缓，岩石内部裂隙压密闭合，轴向和径向应变增加较快，中风化组砂岩在该阶段较为明显；第二阶段为弹性变形阶段，岩体由不连续介质转变成似连续介质，此阶段曲线直线上升，轴向和径向应变增加较慢，偏应力增加较快；第三阶段为稳定破裂发展阶段，此阶段已超过弹性极限，岩体进入塑性变形阶段，岩体内部出现的微小裂隙随着应力的增加而持续扩展变大，当应力保持不变时，裂隙也停止发展，此时偏应力增加速率减缓、轴向和径向应变速率增加，强风化组砂岩此阶段较为明显；第四阶段为不稳定破裂发展阶段（破坏阶段），此时应力-应变曲线出现转折点，偏应力达到峰值，试样发生破坏。

2.2.2 破坏模式

两组砂岩破坏后试样的情况如图3和图4所示。

图3 强风化组砂岩

图4 中风化组砂岩

结合全应力-应变曲线和岩石破坏后的情况可知，强风化组砂岩属于塑性破坏，岩石在破坏前变形较大，该组岩石轴向应变最大达到2.0%，径向应变最大达到0.5%，未出现明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形。中风化组砂岩属于脆性破坏，岩石在荷载作用下变形较小就突然破坏，该组岩石轴向应变最大在0.7%左右，径向应变最大在0.3%左右，由于岩石中存在的节理裂隙在荷载作用下发育的结果，反映出岩石的强度较高。

3 结论

本文以中风化、微风化两种风化程度的砂岩为研究对象，进行岩石三轴压缩试验，研究两种风化程度下的砂岩的强度特征和破坏特性，主要结论如下。

①中风化组砂岩的最大主应力和压缩模量在不同围压下均显著高于强风化组砂岩，中风化组砂岩的泊松比整体高于强风化组砂岩。随着围压的增加，两组砂岩的最大主应力和压缩模量均呈现出增大的趋势，而泊松比无明显变化。中风化组砂岩的抗剪强度较强风化组高。

②两组砂岩的最大主应力随着围压的增大均呈现出增加的趋势，中风化组砂岩的最大主应力整体较高。强风化组砂岩的轴向和径向应变整体较中风化组大。两组砂岩的破坏过程均可分为裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段，中风化组砂岩在裂隙压密阶段表现明显，强风化组砂岩在裂纹稳定扩展阶段表现明显。

③强风化组砂岩属于塑性破坏，岩石在破坏前变形较大，未出现明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形。中风化组砂岩属于脆性破坏，岩石在荷载作用下变形较小就突然破坏，反映出岩石的强度较高。