蔣元男， 遲學海， 周鳳燕

(1.黑龍江科技大學黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，哈爾濱150022; 2.吉林省龍家堡礦業(yè)有限責任公司，長春130505)

黃砂巖三軸壓縮變形的破壞特征

蔣元男1， 遲學海1， 周鳳燕2

(1.黑龍江科技大學黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，哈爾濱150022; 2.吉林省龍家堡礦業(yè)有限責任公司，長春130505)

針對黃砂巖破壞引起的工程安全問題，采用巖石全自動伺服流變儀對黃砂巖進行三軸壓縮實驗，研究不同圍壓下黃砂巖的變形、強度及破壞特征。實驗結(jié)果表明:隨著圍壓增加，彈性變形階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性特征;塑性變形階段，隨著圍壓增大屈服強度增加，應(yīng)力差和應(yīng)變差隨圍壓增大而增大，應(yīng)力差最大增加123.68%，應(yīng)變差增加152.60%，塑性變形特征明顯;三軸抗壓強度隨著圍壓增大且呈線性增長;黃砂巖的破壞方式低圍壓時表現(xiàn)為剪脹破壞，高圍壓時表現(xiàn)為單一剪切破壞。該實驗成果可以為解決黃砂巖工程問題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圍壓;三軸加載;變形特征;強度特征

0 引言

黃砂巖是我國華中、華北、西部等地區(qū)分布比較廣泛的巖體之一，也是公路、隧道及邊坡等工程建設(shè)過程中常遇到的工程巖體。很多地區(qū)的公路路基、隧道圍巖及邊坡基巖多由黃砂巖構(gòu)成，由于黃砂巖破壞引發(fā)路基塌陷、隧道圍巖破裂及邊坡基巖滑移的問題日益增多，直接影響了工程安全。為此，國內(nèi)學者對黃砂巖的物理力學性能已經(jīng)開展了研究。任巍杰［1］研究發(fā)現(xiàn)黃砂巖單軸抗壓強度、殘余強度、變形受尺寸效應(yīng)影響顯著。戴俊、吳濤等［2－3］研究不同功率微波照射下黃砂巖試件抗沖擊性能，經(jīng)沖擊作用后巖石抗沖擊性能隨微波照射功率的增大而逐漸降低。倪敏等［4］對黃砂巖進行I型和I－II型復(fù)合動態(tài)斷裂實驗，得到動態(tài)斷裂韌度尺寸效應(yīng)規(guī)律。紀維偉等［5］采用數(shù)字圖像相關(guān)法對黃砂巖進行半圓盤三點彎曲斷裂實驗，分析結(jié)果表明黃砂巖的峰值強度隨著預(yù)制裂紋數(shù)量增加而降低，隨著裂紋長度增加剛度降低、塑性流動增加。盧高明等［6－7］對黃砂巖試樣進行了不同圍壓的常規(guī)三軸壓縮實驗和周期軸向荷載疲勞實驗，得到了黃砂巖疲勞破壞的軸向、環(huán)向及體積變形特性。肖福坤等［8－9］研究黃砂巖循環(huán)加卸載條件下的彈性應(yīng)變能特性和拉壓剪應(yīng)力條件下的聲發(fā)射特性。

目前，黃砂巖三軸壓縮過程中的變形和強度特征的研究尚需深入，筆者試圖利用巖石全自動伺服流變儀開展不同圍壓下三軸壓縮實驗，研究黃砂巖三軸壓縮過程中塑性變形、峰值強度和破壞方式與圍壓的關(guān)系等物理力學特性，為黃砂巖的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 實驗方法與原理

1.1 實驗試樣與設(shè)備

選用云南昆明黃砂巖作為實驗樣品，主要礦物成分為:石英、長石、方解石及黏土礦物。按照國際巖石力學學會ISRM建議的實驗室規(guī)范要求加工圓柱形標準試件，尺寸為50 mm×100 mm。采用Sonic Viewer－SX巖樣超聲波速測試系統(tǒng)檢測試件，挑選波速相近試件開展三軸實驗，避免試件波速、密度異常而影響實驗結(jié)果。從制作的標準試樣中分別挑選出15個試樣作為研究對象，對其進行編號。

三軸壓縮實驗在黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室 TOP INDUSTRIE Rock 600－50型巖石全自動伺服流變儀上進行，如圖1所示。該系統(tǒng)由軸壓、圍壓和滲流壓力伺服裝置構(gòu)成，采用2支線性位移傳感器(LVDT)采集軸向應(yīng)變，通過放置在巖樣高度中心的環(huán)向電子應(yīng)變計采集環(huán)向應(yīng)變。

圖1 巖石全自動伺服流變儀Fig.1 Rock servo-controlled rheology testing machine

1.2 實驗方法

實驗設(shè)置了5組圍壓(5、10、20、30、40 MPa)條件下的三軸壓縮實驗方案，為了更客觀分析實驗結(jié)果，每組圍壓條件下重復(fù)三次實驗。實驗采用先以緩慢的速度加載圍壓 σ3至預(yù)定值，再施加1 MPa/min的軸向應(yīng)力加載至試件破裂的方法。試件用熱縮管包裹，以免漏油影響實驗結(jié)果。表1為黃砂巖三軸壓縮實驗結(jié)果，其中，Δσmax(Δσ=σ1－σ3)為峰值強度、ε0為峰值應(yīng)變、σs為屈服強度、εs為屈服應(yīng)變。

表1 黃砂巖三軸實驗結(jié)果Table 1 Triaxial compression test results of yellow sandstone

2 實驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

黃砂巖三軸壓縮實驗應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示，圖中5～40 MPa的數(shù)字標注為圍壓強度。黃砂巖在三軸載荷作用下經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形及破壞三個階段。應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有明顯的壓密階段，這是由于黃砂巖自身均質(zhì)性較好，在圍壓加載到靜水壓力過程中，天然孔隙逐漸閉合。彈性變形階段應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著圍壓增加而更加陡峭斜率逐漸增大且呈線性特征。塑性變形階段試樣內(nèi)部裂隙開始產(chǎn)生、發(fā)育，黃砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，隨著圍壓增加屈服強度逐漸增大，應(yīng)變增加明顯加快;當軸向應(yīng)力達到試樣的極限載荷時發(fā)生破壞，三軸抗壓強度隨著圍壓增大而逐漸增強。

圖2 黃砂巖三軸壓縮實驗應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Triaxial compression stress-strain curves of yellow sandstone

2.2 強度特征

實驗得到的三軸抗壓強度如表1所示，將三軸抗壓強度與圍壓進行擬合，擬合曲線如圖3所示，擬合結(jié)果為

圖3 黃砂巖峰值強度與圍壓曲線Fig.3 Relationship between peak strength of yellow sandstone and confining pressures

式中:σ3c——三軸抗壓強度，MPa;

σ3——圍壓，MPa。

擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.970 2，擬合效果較好。圖3中黑色方形塊為三軸抗壓強度的離散點，表明三軸抗壓強度與圍壓呈線性增長關(guān)系，圍壓為5 MPa時三軸抗壓強度為113.46 MPa，當圍壓升高后三軸抗壓強度分別增加15.85%、54.21%、74.21%和90.89%，圍壓增強了試樣抵抗破壞的能力，三軸抗壓強度顯著增強。

2.3 塑性變形特征

采用屈服強度A至峰值強度B的應(yīng)力差和應(yīng)變差［10］，見圖4，描述不同圍壓下黃砂巖塑性變形特征。圖5為不同圍壓下應(yīng)力差、應(yīng)變差變化情況，可知隨著圍壓升高，應(yīng)力差與應(yīng)變差均呈上升趨勢，圍壓為10 MPa時增長緩慢，圍壓為20～30 MPa時增長較快，40 MPa時增長趨于緩慢。具體表現(xiàn)為低圍壓(5MPa)時，應(yīng)力差為36.79 MPa，圍壓升高后應(yīng)力差分別增加了17.78%、81.16%、122.80%、123.68%;低圍壓(5 MPa)時，黃砂巖的塑性應(yīng)變差為0.341× 10－2，當圍壓升高后，塑性應(yīng)變差分別增加了13.59%、72.18%、125.84%、152.60%。這是由于隨著圍壓增加，黃砂巖抵抗破壞的能力顯著增強，試樣從屈服到破壞所需要的應(yīng)力增大，應(yīng)變也隨之增大，表現(xiàn)出明顯的塑性變形特征。

圖4 黃砂巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Complete curve of yellow sandstone

圖5 不同圍壓下應(yīng)力差、應(yīng)變差變化情況Fig.5 Stress difference，strain difference of difference confining pressures

2.4 破壞特征

圖6為黃砂巖不同圍壓三軸壓縮實驗后破壞形態(tài)。從圖6可知，黃砂巖不同圍壓條件下實驗破壞形態(tài)不同，具有以下特征:圍壓在5～10 MPa，試樣在三軸壓縮載荷作用下發(fā)生剪切滑移，試樣破壞形成的斷裂巖塊搓動導(dǎo)致體積增大，發(fā)生剪脹破壞，同時部分區(qū)域也出現(xiàn)了多條張拉裂紋，發(fā)生拉伸破壞，破裂面較為復(fù)雜。

圖6 不同圍壓下破壞形式Fig.6 Damage forms under different confining pressures

隨著圍壓的逐漸增加，試樣破壞方式趨于簡單，圍壓在20～40 MPa條件下均為單斜面剪切破壞，剪切破壞面不存在張拉裂紋，破壞面形態(tài)較為規(guī)整。

3 結(jié)論

(1)黃砂巖三軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線沒有明顯的壓密階段，經(jīng)歷了彈性變形、塑性破壞及峰后破壞三個階段，其三軸抗壓強度與圍壓呈線性增長關(guān)系。

(2)圍壓對塑性變形影響顯著。塑性變形階段的應(yīng)力差、應(yīng)變差隨著圍壓增大呈增長趨勢，應(yīng)力差最大增加123.68%，應(yīng)變差增加152.60%，黃砂巖抵抗外載荷能力逐漸增大，塑性變形特征明顯增強。

(3)黃砂巖破壞方式隨著圍壓增加趨于簡單，低圍壓時表現(xiàn)為剪脹破壞且局部存在拉伸破壞，圍壓逐漸增大后破壞方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我患羟衅茐摹?/p>

［1］ 任巍杰.基于微型試件的煤巖力學與滲流規(guī)律研究［D］.太原:太原理工大學，2015.

［2］ 戴 俊，師百壘，吳 濤.微波照射對巖石抗沖擊性能的影響［J］.河南科技大學學報(自然科學版)，2016(01):64－67，8.

［3］ 吳 濤.微波照射引起巖石抗沖擊性能變化的實驗研究［D］.西安:西安科技大學，2015.

［4］ 倪 敏，汪 坤，王啟智.SHPB沖擊加載下四種巖石的復(fù)合型動態(tài)斷裂實驗研究［J］.應(yīng)用力學學報，2010(04):697－702，848.

［5］ 紀維偉，潘鵬志，苗書婷，等.基于數(shù)字圖像相關(guān)法的兩類巖石斷裂特征研究［J］.巖土力學，2016(08):2299－2305.

［6］ 盧高明，李元輝.圍壓對黃砂巖疲勞破壞變形特性的影響［J］.巖土力學，2016(07):1847－1856.

［7］ 盧高明，李元輝，張希巍，等.周期荷載作用下黃砂巖疲勞破壞變形特性實驗研究［J］.巖土工程學報，2015(10): 1886－1892.

［8］ 肖福坤，申志亮，劉 剛，等.循環(huán)加卸載中滯回環(huán)與彈塑性應(yīng)變能關(guān)系研究［J］.巖石力學與工程學報，2014(09): 1791－1797.

［9］ 肖福坤，劉 剛，秦 濤，等.拉–壓–剪應(yīng)力下細砂巖和粗砂巖破裂過程聲發(fā)射特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2016(S2):3458－3472.

［10］ 汪 泓，楊天鴻，于慶磊，等.不同圍壓條件下榆橫礦區(qū)砂巖力學特性和本構(gòu)關(guān)系［J］.煤炭學報，2015(S2): 320－327.

(編輯 晁曉筠 校對 王 冬)

Experimental study on deformation failure of yellow sandstone under triaxial compression

Jiang Yuannan1， Chi Xuehai1， Zhou Fengyan2
(1.Heilongjiang Ground Pressure＆Gas Control in Deep Mining Key Lab，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China;2.Longjiabao Coal CoMPany Mining Jilin Province，Changchun 130505，China)

This paper aims to address the engineering safety problems due to the damage of yellow sandstone.The research is focused on performing uniaxial compression tests of yellow sandstones using the rock servo-controlled rheology testing machine and thereby investigating the characters of failure，strength and deformation for yellow sandstone subjected to different pressures.Results show that the increased confining pressure is associated with the linear stress-strain curve of the elastic deformation stage; there occurs an obvious plastic deformation in the plastic deformation stage at which the differences of stress and strain increase with the increase of confining pressure，the maximum stress differences increase by 123.68%，and the strain differences increase by 152.60%;the compressive strength of the three axis increases linearly depending on the confining pressure;and the failure mode of yellow sandstone behaves as dilative shear failure at low confining pressure while the failure mode of yellow sandstone at high confining pressure is marked by a single shear failure.The experimental results could provide basic data for solving the engineering problems of yellow sandstone.

confining pressure; triaxialcompressive strength; deformation characteristics; strength characteristics

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.014

TD315

2095－7262(2017)04－0392－04

:A

2017－05－01

國家自然科學基金項目(51574115;51374097)

蔣元男(1984－)，男，黑龍江省巴彥人，講師，碩士，研究方向:巖石力學，E-mail:jiangyuannan@163.com。