北山花岗岩短长期常规三轴力学特性试验研究

朱其志,纵 跃*

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.河海大学 岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098)

甘肃北山花岗岩体已经被确定为我国高放废物地质处置地下实验室的推荐场址,开展预选区代表性硐室围岩的岩体力学性质研究,对围岩的时效力学行为的试验研究是地下实验室开工的重要准备工作之一[1-4]。田洪铭等[5-6]针对花岗岩开展力学特性试验研究,深入分析了其力学行为、变形规律和破坏特征;陈亮等[7]使用声发射定位系统,对北山深部花岗岩开展了单轴拉伸和三轴压缩下的损伤演化特征试验,为北山花岗岩损伤演化规律研究奠定了基础;赵星光等[8-9]分析了北山花岗岩在单、三轴压缩条件下的破裂过程和强度特性、全应力-应变曲线规律;李鹏飞等[10-16]对北山花岗岩进行三轴循环加、卸载试验,建立强度参数随塑性参数变化的数学模型,以上研究成果为研究和分析北山花岗岩力学特性提供了重要参考。

本文以甘肃北山花岗岩为研究对象,利用全应力岩石三轴试验仪,开展如下研究:首先,进行一系列的常规三轴压缩试验得到岩样的基本力学参数,为后面的流变试验提供试验依据。其次,进行相同围压不同偏应力等级下的单级蠕变试验,得到试样的蠕变曲线及变形特征;进行不同围压等级条件下的两次多级蠕变试验,得到试样的多级蠕变曲线并研究试样的蠕变变形特征。最后,进行相同围压不同初始偏应力等级下的单级松弛试验,得到试样的单级松弛试验及变形特征;进行不同围压下的循环松弛试验,得到试样的循环松弛试验曲线及变形特征。

1 试验准备

1.1 试样制备

用于实验测试的岩石标本是从地下研究实验室新昌遗址#BS28钻孔取芯的。寄主岩为花岗岩,称为北山花岗岩,其表面呈灰白色。所有三轴压缩试验都是在直径50 mm、长度100 mm的圆柱形试样上进行的。采用经典饱和法确定岩石的初始平均密度,测试岩石样品的平均干容重约为2.72 g/cm-3。

1.2 试验仪器

本实验试样在岩石三轴压缩机的MTS815岩石力学试验系统进行。试件被黑色橡胶夹套,然后放置在两个钢制塞之间。试验在一个热隔离的小房间中进行,实验期间保持恒温。轴向变形是用一对线性可变差动变压器(LVDTs)测量的,横向变形是用放置在试件中心部分的周向伸度计测量的。

1.3 试验方案

在常规三轴实验中,开展岩石三轴压缩试验,是为了得到如下所示的不同围压条件下的岩石试样的应力-应变关系,北山花岗岩在低围压情况下和高围压的破坏形式明显不同,因此对低围压实验的围压进行加密实验。本文的常规三轴压缩试验在9个围压等级(0、1、2、5、10、15、25、30和40 MPa)下进行。首先在轴向和横向同时增加围压,直到达到规定的静水应力状态。然后沿轴向以0.02 mm/min的应变速率施加偏应力,直至试件破坏。为了排除试样中偶然出现的试样缺陷或较大的实验误差,在同一围压下进行了1至4组重复实验,共25组实验。

在蠕变试验中,常规三轴蠕变试验考虑了2个围压等级,即5和15 MPa。选择围压等级为15 MPa的条件进行了3个不同偏应力等级下的单级蠕变试验,分别为峰值偏应力的92%、93%、95%(225.7、228、232.5 MPa);分别进行了围压等级为5、15 MPa条件下的多级蠕变试验,其中,对于围压5 MPa的情况,最终试验的偏应力为5级,各级偏应力为130、140、145、150、155 MPa;对于围压 15 MPa 的情况,最终试验的偏应力为7级,各级偏应力为180、190、200、210、220、230和235 MPa。表1为三轴蠕变试验的具体试验方案及对应试样参数。

表1 三轴蠕变试验方案及试样参数Tab.1 Triaxial creep test scheme and parameters of samples

在松弛实验中,试验围压选择为15 MPa,进行了不同偏应力等级下的单级松弛试验,初始偏应力等级设置为4个等级,分别为峰值偏应力的70%、80%、90%、95%(171、196、221、233 MPa);进行了一组循环松弛,初始偏应力等级设置为200 MPa,共进行了6次循环。表2为应力松弛试验的具体试验方案及对应参数。

表2 应力松弛试验方案及试样参数Tab.2 Stress relaxation rest scheme and parameters of samples

表3 常规三轴压缩试验力学参数Tab.3 Mechanical parameters of conventional triaxial compression tests

2 实验结果与分析

2.1 常规三轴实验

2.1.1 常规三轴实验结果

按照前文的试验方案对北山花岗岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的应力应变曲线如图1所示,轴压为σ1,围压为σ3,轴向应变为ε1,侧向应变为ε3,则偏应力为σ1-σ3,体应变为εv=ε1+2ε3。从偏应力-应变曲线可以看出,花岗岩在加载过程中经历了压密阶段、线弹性阶段、裂纹扩展阶段、应变软化阶段。根据应力-应变曲线,确定花岗岩试样的弹性模量E、泊松比v、峰值强度σc、峰值轴向应变εc、峰值侧向应变εd等力学参数。

从图1中可以看出,随着围压的增加,试样的峰值强度逐渐增大,说明北山花岗岩的峰值强度对围压的变化很敏感。随着围压的增加,峰值强度对应的应变也随之增大。需要指出的是,随着围压的增加,北山花岗岩峰前非线性行为增强,并且该趋势随围压的增大而逐渐增强。考虑到压缩应力条件下,花岗岩塑性变形的主要原因是由于微裂纹之间的相互滑移、搓动导致,可认为不可恢复变形是岩石损伤演化的结果,反过来非弹性变形又对损伤的演化趋势产生影响。

2.1.2 常规三轴实验结果分析

从上述试验的偏应力-应变曲线可以看出,所有试样在加载过程中均经历了以下4个阶段:压密阶段、线弹性阶段、裂纹扩展阶段、应变软化阶段。

试样的体积应变在试样的加载过程中不断变化,随着偏应力逐渐增大,在压密阶段体积应变不断增大,且增大速率逐渐减小。当试样变形进入线弹性阶段时,体积应变同样线性增大。当试样变形进入裂纹扩展阶段时,体积应变增大速率逐渐变缓,当偏应力达到裂纹损伤应力时,体积应变达到最大值,之后体积应变逐渐减小,试样开始发生扩容,逐渐由压缩变为膨胀,直到试样破坏。

在低围压等级下,北山花岗岩试样表现出明显的脆性,试样破坏主要以劈裂为主;而随着围压的继续增大,试样的脆性特征减弱,延性逐渐增强,在围压等级较高的条件下,试样的破坏形式主要以剪切破坏为主。

在试样的破坏形式方面,北山花岗岩在低围压下主要以劈裂为主;在围压等级较高的条件下,试样的破坏形式主要以剪切破坏为主。结果表明,北山花岗岩为一种典型的脆性岩石,岩石破坏时的不可恢复变形较小,且随着围压增大没有出现脆-延性转变现象。

2.2 蠕变试验结果与分析

2.2.1 单级蠕变试验结果与分析

图2至图4为单级蠕变试验的试验曲线,偏应力等级分别为峰值强度的92%、93%和95% (225.7、228和 232.5 MPa)。试验结果可以明显观察到典型蠕变过程的三个阶段:初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段及加速蠕变阶段。初始蠕变阶段从试样的偏应力刚达到预设值开始,该阶段持续时间较短,期间试样的蠕变速率会很快降低并逐渐趋近于一个稳定值,在蠕变速率达到稳定值时试样进入稳定蠕变阶段;稳定蠕变阶段持续时间最长,该阶段试样应变持续增长,蠕变速率基本保持不变;试样进入加速蠕变阶段后,试样蠕变速率在较短时间内迅速变大,最终试样破坏。

图3 单级加载蠕变试验曲线(228 MPa)Fig.3 Single stage loading creep test curve (228 MPa)

图4 单级加载蠕变试验曲线(232.5 MPa)Fig.4 Single stage loading creep test curve (232.5 MPa)

在蠕变前的瞬时加载过程中,试样的轴向变形要明显大于环向变形,轴向变形大小约为环向的3～4倍。试验的体积应变的变化趋势与轴向应变相同,在加载偏应力达到裂纹损伤应力σcd后,体积应变开始减小,试样中出现轴向微裂纹,试样开始扩容。

在蠕变过程中,试样的环向应变会先于轴向应变进入初始蠕变阶段,且其应变的改变量会更加明显,这是由于在蠕变过程开始时,试样中产生了许多竖向的细小裂纹,这导致了试样的环向膨胀变形加剧。在流变进入加速蠕变阶段时,试样内部的轴向裂缝已经充分发展,且主破坏面的剪切裂缝已经成型,试样的应变开始加速。试样的环向应变先于轴向应变开始加速,且环向应变的变化趋势明显大于轴向应变,体积应变同样开始加速的时间与环向应变相同,体积应变在蠕变阶段的变化趋势总体与环向应变一致。

2.2.2 多级蠕变试验结果与分析

多级加载蠕变试验过程中,偏应力按照多个不同等级进行加载。围压为5 MPa的多级加载蠕变试验,最终实现的偏应力等级为5级,分别为130、140、145、150和 155 MPa;围压为15 MPa的多级加载蠕变试验,最终实现的偏应力等级为7级,分别为 180、190、200、210、220、230和235 MPa。

图5和图6分别给出了围压为5、15 MPa条件下的蠕变曲线,从中可以看出,北山花岗岩蠕变变形具有明显的三阶段蠕变特征。分析试验曲线,每一级蠕变的加载阶段均导致了一定的瞬时变形,进入初始蠕变阶段,蠕变速率逐渐降低,一段时间后蠕变速率达到一个稳定值,进入稳定蠕变阶段。在稳定蠕变阶段试样的蠕变速率基本保持不变,在最后一级加载之前,试样均未进入加速蠕变阶段。在最后一级的蠕变过程中,试样在经历初始蠕变阶段及稳定蠕变阶段之后,蠕变速率急剧加速,进入加速蠕变阶段,试样迅速发生破坏。在该蠕变试验中,试样的轴向应变及环向应变有相同的应变规律,但环向应变相较于轴向应变的变化出现的更早,且更为显著,在最后的加速蠕变阶段,环向应变曲线出现了明显的加速现象。

图5 多级加载蠕变试验曲线图(围压5 MPa)Fig.5 Multistage loading creep test curve under confining pressure of 5 MPa

图6 多级加载蠕变试验曲线图(围压15 MPa)Fig.6 Multistage loading creep test curve under confining pressure of 15 MPa

由图5和图6可以看出,在未达到发生破坏的偏应力等级时,蠕变量及蠕变速率随偏压的增大有增大的趋势,但变化不显著。当偏应力等级达到了足以发生破坏时,蠕变量及蠕变速率显著增长。表4和表5为各级蠕变的蠕变量以及稳定蠕变速率的完整数据。

表4 多级蠕变试验结果(围压5 MPa)Tab.4 Multistage creep test results under confining pressure of 5 MPa

表5 多级蠕变试验结果(围压15 MPa)Tab.5 Multistage creep test results under confining pressure of 15 MPa

2.3 松弛实验结果与分析

2.3.1 单级应力松弛实验结果与分析

图7为单级松弛试验过程中偏应力随时间变化的曲线。从曲线中可以看出,北山花岗岩存在着明显的应力松弛现象,在应力松弛试验进行的前30 min,岩石试样的偏应力迅速降低,并在30 min左右出现拐点,偏应力的降低速度逐渐减缓。在12 h偏应力逐渐趋于平稳进入稳定阶段,但曲线出现波动,分析原因是仪器伺服过程中产生的误差。图中虚线为试验数据校正值。

图7 单级松弛试验曲线Fig.7 Single stage relaxation test curve

引入应力松弛量、应力松弛度对试验结果进行分析,描述试样的偏应力衰减程度,定义应力松弛度λ为

(1)

式中,σ0为初始偏应力,σt为剩余偏应力,σ′为应力松弛量。

通过分析曲线得到松弛试验进行12 h 时的应力松弛度λ12 h,对比最终应力松弛度λ,在σ<σs的条件下,λ12 h/λ随着初始偏应力的增大而表现出增大的趋势,表明初始偏应力越大,应力松弛过程发展的越快。单级松弛试验的部分结果见表6。

表6 单级松弛试验结果Tab.6 Single stage relaxation test results

在应力松弛试验中,应力松弛过程的影响因素主要有初始偏应力以及加载速率。本文松弛试验的轴向预应变加载速率均为0.03 mm/min。从表6中可以得出,剩余偏应力σt随着初始偏应力σ0的增大而增大。

2.3.2 循环松弛实验结果分析

循环加卸载试验的试验结果如图8所示,图中黑色虚线为松弛试验曲线的修正曲线,循环松弛试验每次循环的初始偏应力均为200 MPa,每次循环松弛过程时间为12 h,共进行6次循环。分析曲线可以得出,6次松弛过程中偏应力在一段时间后均未持续降低且逐渐趋于定值,属于衰减松弛过程。表7为循环松弛试验的部分试验结果,6次松弛的轴向应变ε0分别为4.893×10-3、5.112×10-3、5.207×10-3、5.265×10-3、5.302×10-3、5.324×10-3,ε0随着循环次数的增加不断增加。12 h偏应力σ12 h分别为158.1、189.7、191.9、193.3、194.2、194.6 MPa,σ12 h随着次数的增加不断增加。

图8 循环松弛试验曲线Fig.8 Cyclic relaxation test curve

表7 循环松弛试验结果Tab.7 Cyclic relaxation test results

可以看出,σ12 h随循环松弛试验的进行会逐渐趋于一个稳定值。随着循环次数的增大,最终轴向应变的走向将会与蠕变试验相似,这是因为从循环松弛试验的整个过程看,其类似于进行了一次偏应力为200 MPa 的蠕变试验,而本次循环松弛试验结束时进行到对应蠕变试验的稳定蠕变阶段。可以推测,如果循环松弛试验的循环次数足够多,轴向应变会表现出与蠕变试验相对应的三阶段变化,即在初始蠕变阶段,轴向应变随循环次数的增加而逐渐增大,且其增大的速率会逐渐减小并趋近于定值;进入稳定蠕变阶段,轴向应变会稳定增大,应变随循环次数增大的速率为一稳定值;最后进入加速蠕变阶段,轴向应变会迅速增大,且应变速率也随之不断增大,最终试样破坏。

3 结论

1)北山花岗岩三轴压缩过程中经历了压密阶段、线弹性阶段、裂纹扩展阶段、应变软化阶段。在试样的破坏形式方面,北山花岗岩在低围压下主要以劈裂为主;在围压等级较高的条件下,试样的破坏形式主要以剪切破坏为主。北山花岗岩为一种典型的脆性岩石,岩石破坏时的不可恢复变形较小,且随着围压增大没有出现脆-延性转变现象。

2)北山花岗岩主要经历了三个典型蠕变阶段:初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段及加速蠕变阶段,随着试验偏应力的增大,蠕变各阶段的蠕变速率均会增大,且蠕变各阶段的持续时间会逐渐减小。北山花岗岩的蠕变形式为非稳定蠕变,其应变曲线出现了典型的蠕变三阶段特征。

3)北山花岗岩在应力松弛试验中,试样主要经历了两个阶段,即衰减松弛阶段和稳定松弛阶段,随着松弛应力随着初始偏应力的增大而逐渐增大,且随着初始偏应力继续增大,其增大的速度也会增大。北山花岗岩在应力松弛过程的初始松弛阶段,其偏应力下降速度很快,在较短时间内即能够达到稳定状态。