岩石劈裂试验、单轴压缩和直接拉伸变形特性的实验研究.doc

岩石劈裂试验、单轴压缩和直接拉伸变形特性的实验研究众所周知,岩石在大多数情况下承受的是压应力而不是拉应力,因此,在岩石力学工程实践中,岩石变形参数和本构关系都来自于压缩试验。然而,一些研究者的研究成果已经表明,不少岩石的拉伸模量远小于压缩模量。对于这类岩石,如果继续沿用仅考虑压缩应力状态或者压缩与拉伸模量相同的岩石力学模型和破坏准则,已不能完全满足实际工程的需要。这种传统做法将给岩石工程设计和计算带来较大误差。迄今为止,关于压缩、拉伸和劈裂间的变形规律的研究很少。压缩与拉伸下的岩石本构关系和破坏准则也很不完善,仅停留在简单的“双线弹性”模型。解决这些矛盾迫切需要进行压缩、拉伸与劈裂下变形特性的深入研究。本文利用昆明理工大学自行研制的压-拉转换装置,能够在同一试件上实现压缩与拉伸间循环加载。通过该测试系统,进行了压缩、拉伸和劈裂的单向和循环加载试验,研究了不同加载方向、不同加载路径、不同岩石种类的单轴和劈裂受载变形特性,并从损伤的角度对岩石的破坏形式进行了描述和分析,进一步刻画了单轴受载作用下岩石的性能劣化过程和演变机制,简要揭示了岩石单轴受载破坏的微观机理。试验结果发现：大红山岩石劈裂试验条件下压缩变形模量ECP和拉伸变形模量ETP的数值相差不大,A、B两组岩石ECP与ETP平均值之比分别为1.04和1.02。两组岩石单轴压缩变形模量EC和直接拉伸变形模量ET的数值也大体相当,EC与ET平均值之比分别为1.024和1.044。重庆砂岩的试验结果则有很大不同。劈裂试验所获得的压缩变形模量ECP比拉伸变形模量ETP大得多,ECP与ETP之比在1.96至5.88之间,平均值等于3.16。单轴压缩变形模量EC也远大于直接拉伸变形模量ET,EC与ET平均值之比为3.276。由此可知,大红山A、B两组岩石劈裂试验所获得的压缩与拉伸变形模量之比,EPC/ETP和压拉循环加载过程中所获得的压缩与拉伸变形模量平均值之比,EC/ET,在数值上相差不大,分别为1.02、0.97,可以认为是相等的。重庆砂岩则的情况也类似,二者之比为0.97。这说明,从劈裂试验的结果来计算岩石的变形参数,与单轴压缩与直接拉伸的结果基本一致。考虑到劈裂试验较为简单,使用这种试验来获得岩石的拉伸变形参数,是一个简单易行的办法。由循环加载试验的结果还可发现,大红山两种岩石在单轴压缩和直接拉伸下的变形都基本为线弹性的。重庆砂岩表现出不同的变形特性：在压缩阶段变形基本为弹性,拉伸作用下则为塑性的。对大红山A、B两种岩石劈裂拉伸、单轴压缩和直接拉伸下的变形曲线进行比较,劈裂拉伸变形曲线与单轴压缩变形曲线一样,经历了线性变形阶段、线弹性变形阶段、裂隙稳定发展阶段和破坏四个阶段,两类岩石在三种加载方式下的变形曲线均以线弹性为主。劈裂循环加载试验过程中,压缩和拉伸变形曲线同时发展,且随着循环次数的演化趋势是相似的。每次加卸载变形曲线的初始弹模也大体相同。裂隙的产生对压缩和拉伸变形曲线都会产生影响,当裂隙不足以使试件破坏时,变形曲线能恢复到裂隙产生之前的发展趋势,变形模量等变形参数都未受到影响。随着循环加载极限应力水平的提高,劈裂循环加载下岩石压缩和拉伸的加卸载平均变形模量呈相反的发展趋势。压缩加载和卸载变形模量随极限应力水平的提高略微增加,拉伸加载和卸载变形模量则逐级减小。当循环加载应力达到前一次循环加载的最大应力时,部分岩石在拉伸和压缩状态下均表现出不同程度的塑性变形,其循环加载变形曲线的外包络线不能很好连接、呈错落状,拉伸状态下产生的塑性变形比压缩状态更大。这种现象在岩石出现较大裂隙试时尤为突出,说明裂隙产生、发展与横向变形的密切关系。岩石的压缩和拉伸似乎并不是截然不同的两个过程,压、拉组合下的循环加载循环加载实验中,压缩或拉伸卸载曲线与后续的拉伸或压缩加载曲线具有很好的连续性,这两个阶段的变形曲线是连续且光滑过渡的。劈裂循环加载实验中每次循环的压缩加卸载变形曲线和拉伸加卸载变形曲线初始变形模量大体相似。岩石的损伤破坏过程伴随着外加能量在岩石内部的分配和消散,破坏裂隙的数量和形式取决于岩石在外载作用下的响应以及能量的分配机制。其微观扩展机理表现在宏观变形上就是初始阶段、稳定阶段和加速阶段的三阶段发展规律。