岩石单轴和三轴压缩实验和力学特性分析

■李 涛，李晓静 ■山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101

1 引言

近年来，随着经济的快速发展，人们对岩石综合利用研究的进一步深入和提高，岩石力学的理论、试验水平不断发展，特别是常规岩石力学试验发展尤为迅速，基础实验对于研究岩石发生破坏的机理有重要的指导作用。本文以二滩水电站现场取得的正长岩岩石试样为试验基础开展常规单、三轴试验。分析试件的强度、变形特性，为我们进一步认识和研究岩石相关力学特性提供理论支持和数据帮助。

2 试验过程

2.1 试件的制备

将试件加工成圆柱形，R=50cm，H=100mm，符合国际岩石力学学会规定的高径比2.0—2.5的要求。试件加工精度按我国《岩石试验方法标准》(GB50218－94)执行，即:试样两端面不平行度误差不大于0.005mm，端面不平整度误差不大于0.02mm，沿事件高度上直径误差不大于0.3mm，端面垂直于试件轴线，最大偏差不大于25°。岩石试件制备完成后，必须剔除外观缺陷明显的试件，含水量为自然含水状态，即:密度平均2.66g/cm3。

2.2 试验步骤

本实验在刚性压力试验机上完成。刚性压力试验机时由轴向位移和横向位移速率共同控制，设定轴向位移加载速率0.002mm/s，横向位移加载速率0.0005mm/s(围压)。

加载路径如图1:

试验步骤1∶OA为岩石试件在单轴压缩加载状态下的路径。对于试件，我们采用轴向位移加载方式。试验的过程中，采用 5mm的D1117位移传感器测量轴向相对位移参数，并且岩样的轴向荷载参数由100KN的荷载传感器测量，由试验机自动换算成对应的应变与应力传输到数据采集系统终端，采用5mm的链式传感器纪录岩石试件的径向应变，保证数据完整。

实验步骤2:在OB到BD实施常规三轴压缩试验。试验围压依次选用5、10、20、30、40Mpa。过程与步骤1相同。试验初期采用轴向位移控制加载模式;在曲线刚刚出现偏离直线段时，立即将加载模式转换为横向位移控制。开始时依次施加σ1=σ2=σ3的静水压力至预定的围压值(手动控制围压加载模式，在2－3分钟内完成加载过程)，其次保持压力σ2=σ3不变且不断施加轴向压力直到试验结束。

岩石试件的常规单轴压缩和三轴压缩试验所得的力学参数均在表1中给出。(试样破坏瞬间围压值σ3，轴向极限承载力σ1，试样轴向压缩(σ1－σ3)—ε曲线直线段斜率为弹性模量E)

图1 试验加载路径

表1岩石试件单轴—三轴压缩试验力学参数

2.3 试验结果分析

(1)单轴压缩试验阶段

图2 单轴压缩试验应力－应变曲线

通过本次试验岩样加载结果，绘制并分析其单轴应力－应变试验曲线可知，岩石破裂过程大至可以分为五个阶段:(I)岩石裂隙压实阶段;(Ⅱ)弹性阶段;(Ⅲ)裂纹初期阶段;(Ⅳ)扩展不稳定发展阶段;(V)后期阶段。

(2)三轴压缩试验阶段

图3 常规三轴压缩试验应力－应变曲线

正长岩三轴应力应变曲线在围压(σ2=σ3)作用下，其力学特征见表1.从表1可以看出:在围压作用下岩样的弹性模量与泊松比离具有相对较小的离散性，但随着围压的不断增加，岩石试件的平均模量和变形模量的差异逐渐减小，主要原因是高压作用促使裂隙逐渐并且最终趋于闭合。围压开始从0增加到40MPa时，先对的岩石轴向应变峰值也从0.0037增加到0.0081，因此对正长岩这种典型脆性岩石材料，延性特性也随围压有明显增大，岩石试件加压后自身表现出的应变变化比没有围压时增加接近三倍。

3 结束语

(1)通过岩石压缩试验得到了真实岩石材料的基本力学参数，为进一步开展分析实验提供相应数据支持。试验得出的基本力学参数分别为:岩石试件的弹模E、泊松比μ、材料的内聚力c与内摩擦角φ。

(2)通过压缩试验，绘制试件岩石力学应力－应变曲线图，研究分析脆性岩石的破坏过程，得出其破坏过程近似以下阶段，即:岩石压密阶段、岩石弹性阶段、微裂纹阶段、不稳定发展阶段及后期阶段等五个阶段。

(3)结合三轴试验结果，分析相关实验数据，可知岩石在不同围压作用下表现出不同的破坏特征。低围压表现脆性破坏，高围压时，则相对会表现出延性破坏。