砂岩单轴三轴压缩试验研究_姜永东
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砂岩弹性模量三轴实验研究
砂岩弹性模量三轴实验研究【摘要】弹性模量是工程材料重要的性能参数，可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。
通过研究砂岩弹性模量，对不同掺量、不同围压对砂岩的弹性模量进行实验分析，找出其规律和特征，为岩土工程的结构安全提供技术指导。
【关键词】砂岩弹性模量三轴实验弹性模量工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子和分子之间键合强度的反映，是岩石材料的重要参数，通常利用圆柱试样的单轴压缩应力—应变曲线确定，但是岩石是结构非常复杂的固体材料，岩体在自然界一般处于三维应力状态，因此三轴试验是研究岩石力学性质的重要手段。
随着大量复杂岩土工程的建设，对岩土工程的强度与安全稳定的要求越来越高，本文将对不同掺量、不同围压下的砂岩进行三轴实验，分析了围压与砂岩弹性模量关系，期望为今后岩土工程的结构安全提供技术指导。
一、实验概况（一）主要仪器设备。
实验仪器采用HSZY-80型岩石三轴试验仪，仪器由以下组成：1.岩石轴向加载系统。
2.岩石引伸计、高低温系统、数字式声波分析系统、围压系统、孔隙水压系统以及计算机系统。
（二）实验方法。
实验步骤如下：1.试块准备：对不同砂率的制作70mm×70mm×70mm的试块。
2.试样制备：采用人工试块通过人工取芯，加工成2.5cm×5.0cm的小岩芯，两端面在磨平机上磨平。
3.试样安装：将试样放入压力机三轴室后，用橡胶套密封，防止液体浸入岩样内部。
然后安装压力板和压机的其他部件。
为了保证压力板向试样表面的均匀加载，在压力板与试样之间放置一个橡胶垫片。
4.试样加载：试样安装完毕后，由液压稳压源施加三向围压。
在不同围压水平下加载直到试样破坏，从而测定岩芯在不同围压条件下的纵横向应变、峰值力，计算出岩石静态弹性力学参数。
（三）数据处理。
实验时同时运行数据采集软件记录数据，包括时间、轴向应力、轴向位移、围压、径向膨胀量、轴向应变、环向应变，对上述有的数据作简单计算，直接作图。
岩石常规三轴压缩实验
二.实验设备、仪器和材料
➢ 钻石机、锯石机、磨石机； ➢ 游标卡尺，精度0.02mm； ➢ 干燥器； ➢ 直角尺、水平检测台、百分表及百分表架； ➢ YE-2000型液压材料试验机； ➢ 三轴室，三轴液压源； ➢ 热缩管、胶带、密封圈等。
三.试样规格、精度、数量及含水状态
➢ 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准 圆柱体;
1
2 3
4
1—百分表 2-百分表架 3-试样 4水平检测台
图5-1 试样平行度检测示意图
1
2 3
1—直角尺 2-试样 3- 水平检测台
图5-2 试样轴向偏差度检测示意图
➢ 试样数量：每种岩石同一状态下，试样数量一般不少 于5个，每个试样在一定围压下的进行实验。
➢ 含水状态：采用自然状态，试样制成后放在底部有水 的干燥器内1～2 d，以保持一定的湿度，但试样不得 接触水面。
图6-2 围压与纵向抗压强度关系曲线
根据库伦-摩尔准则，岩石的内摩擦角和粘结力 c可利用参数m和b按下式计算：
arcsin m 1
m 1
c b 1 sin 2 cos
1 m 3 b
3.绘制摩尔圆及其包络线
用回归后的直线方程计
算出相应的σ1值。再分别以
（σ3+σ1）/2，0为圆心，以
6.接通电源，开动开压力机，打开送油阀，使压力机的 下承压板的拖轮离开轨道10 cm左右，关闭送油阀， 然后调整试验机上承压板位置与压力室的上压头接 触，缓缓打开送油阀施加50 kN的纵向载荷固定试 样。
7.施加围压，缓缓施加围压到指定值，稳定数2分钟后， 使围压保持恒定时，要求变动范围不应超过选定的 2%。
五.实验结果整理
计算一定侧压力作用下岩石的抗压强度σ1：
广东地区红砂岩三轴压缩试验研究
石 的破 坏抑 制逐 渐 增 强 ，当宏 观 破 裂 面形 成 ，岩 石随破 裂 面滑移 时 ，岩石 强度不 再下 降 。
表 ４ 红 砂 岩 的 峰 值 强 度 参 数 和 残 余 强 度 参 数
３ 结 论
本文 以广 东 地 区的 红砂 岩 为研 究 对 象 ，采 用
分级 加载 的方式 ，对 红砂 岩岩样 进行 了不 同 围压下 的三轴 压缩 试验 ，分析 了红砂 岩 的变 形 特性 和强
：Ｊ ，峰值强度和残余强度都有明显的增加 。对比同一围压下峰值强度和残余 强度发现，红砂岩破 ￣Ｊ ｉ Ｊ
坏 时强度 下 降较大 ，破 坏总体 属 于脆性破 坏 。
根据试验求得红砂岩的峰值强度参数 Ｃ 和残余强度参数 Ｃ、 ，如表 ４ 、 所示 。从表 中可 以看
出 ，红 层红砂 岩 的强度 参数 内聚 力 Ｃ和 内摩擦 角 均 有 所 下 降 ， 内聚力 下 降 ３． ，而 内摩 擦 角 下 ７５
在 围压较 低 的情况 下 ，两者 呈较 好 的线 性关 系 ，拟 合 关 系式 为 ：Ｅ一０ ９ ８ 。 ０ ６ ４ ． ３ ０ ＋ ． ７ ，相 关 系数 为
０ ９４ ，随着 围压 继续 增大 ，弹性模 量 Ｅ趋 于稳 定 。而泊 松 比 随着 围压 的增 大 ，变化 不是 非 常 明 ． ９６ 显 （ ６ ，基本 保持 在 ０ ３ ０４之 间 。变形 参数 作 为材料 的属 性 ，一 般认 为是 一个 定 值 ，但 由于 图 ） ．～ ． 红砂 岩 中含有 较多 的裂 隙 和空 隙 ，因此 是一 种非 均质 材料 ，使 得 变形 参 数 因应 ；不 同而 生 力条 的 ¨ｃ５３件２５ｌ５Ｏ ５４∞ ５ｃ 发 ； ∞
ｄ— ６ １ ８ ０ ＋ ２ ２ ３ １ ． ７４３ ． １３
表 ４ 红 砂 岩 的 峰 值 强 度 参 数 和 残 余 强 度 参 数
３ 结 论
本文 以广 东 地 区的 红砂 岩 为研 究 对 象 ，采 用
分级 加载 的方式 ，对 红砂 岩岩样 进行 了不 同 围压下 的三轴 压缩 试验 ，分析 了红砂 岩 的变 形 特性 和强
：Ｊ ，峰值强度和残余强度都有明显的增加 。对比同一围压下峰值强度和残余 强度发现，红砂岩破 ￣Ｊ ｉ Ｊ
坏 时强度 下 降较大 ，破 坏总体 属 于脆性破 坏 。
根据试验求得红砂岩的峰值强度参数 Ｃ 和残余强度参数 Ｃ、 ，如表 ４ 、 所示 。从表 中可 以看
出 ，红 层红砂 岩 的强度 参数 内聚 力 Ｃ和 内摩擦 角 均 有 所 下 降 ， 内聚力 下 降 ３． ，而 内摩 擦 角 下 ７５
在 围压较 低 的情况 下 ，两者 呈较 好 的线 性关 系 ，拟 合 关 系式 为 ：Ｅ一０ ９ ８ 。 ０ ６ ４ ． ３ ０ ＋ ． ７ ，相 关 系数 为
０ ９４ ，随着 围压 继续 增大 ，弹性模 量 Ｅ趋 于稳 定 。而泊 松 比 随着 围压 的增 大 ，变化 不是 非 常 明 ． ９６ 显 （ ６ ，基本 保持 在 ０ ３ ０４之 间 。变形 参数 作 为材料 的属 性 ，一 般认 为是 一个 定 值 ，但 由于 图 ） ．～ ． 红砂 岩 中含有 较多 的裂 隙 和空 隙 ，因此 是一 种非 均质 材料 ，使 得 变形 参 数 因应 ；不 同而 生 力条 的 ¨ｃ５３件２５ｌ５Ｏ ５４∞ ５ｃ 发 ； ∞
ｄ— ６ １ ８ ０ ＋ ２ ２ ３ １ ． ７４３ ． １３
破裂砂岩蠕变试验研究
第 29 卷
第5期
郭臣业，等. 破裂砂岩蠕变试验研究
• 991 •
载荷作用的岩石(煤 )会在一定条件下发生岩石 (煤 ) 的延期突出。延期突出与岩石(煤)的蠕变特性有重 要关系，因此研究破裂岩石(煤)蠕变特性，对揭示 地下工程灾害发生的时滞性和制定合理的防突措施 等有重要意义。 室内岩石蠕变试验是了解其蠕变特性的主要方 法， 以往对岩石蠕变试验的研究多集中在岩石应力– 应变曲线峰值之前 ，即在岩石未破坏时加恒定载 荷，观察岩石的应变或位移随时间的变化情况。J. C. 耶格等
(1) 在围压下将砂岩试件加载到峰后区预先设
定的点，然后将轴压降至 0，并清除轴向引伸计产 生的位移量和应变量。该操作过程中使用位移控 制，位移控制速率为 0.1 mm/min。
2
试验概述
(2) 设置加载水平(见表 2)，采用力控制方式(力
控制速率为 30 kN/min) 将力升至指定值并保持恒 定。
会建议试验规范要求，加工成型后保持自然干燥状 态。 试验在美国 MTS815 岩石力学试验系统上进 行。该试验系统主要用于高强度固体材料的单轴、 3.1 破裂砂岩长期强度 概括起来，估算岩石长期强度的方法有 2 种：
3
破裂砂岩的长期强度及蠕变规律
• 992 •
岩石力学与工程学报
2010 年
一是根据岩石长期强度定义，把作用时间趋向于无 方法确定长期强度需要进行大量的试验，如根据剪 应力与剪应变等时线簇或根据流变曲线确定长期强 度的方法，工作量非常大；另一种方法根据岩石加 载过程中的应力–应变关系通过理论分析的方法得 出长期强度值[10]，该方法工作量小、计算简单。本 文利用第二种方法估算等围压状态下破裂岩石的长 期强度， 其计算原理见图 1(图中 evs 为体应变；1 为
泥质砂岩三轴压缩力学特性试验研究
2020年35期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application泥质砂岩三轴压缩力学特性试验研究*刘海壮，刘春*，张庆，黄富禹，周义舒（重庆科技学院安全工程学院，重庆401331）岩石是构造地壳地表岩体的主体成分，其构造十分复杂，是各种矿物质的集合体，不同岩石在其形成过程中的成因各不相同，造成岩石的物理特性和力学特性有很大差异，呈现出明显的非线性、不连续性、不均质性和各向异性等特点。
在地下空间工程领域，为了深入研究地下硐室开挖后的特征，了解岩石的基本构成和分类极为重要，其决定岩石力学性质和物理性质，是进行力学分析的关键因素之一。
获取岩石力学参数的主要手段之一是岩石的单轴、三轴试验，试验获得的粘聚力和内摩擦角等参数能为工程设计、硐室开挖及围岩支护提供有力依据。
目前许多学者对岩石力学特性已有深入研究。
姜永东等[1]研究了砂岩在饱和、自然、风干三种状态下的单轴和三轴抗压强度特征，得到应力与轴向、径向和体积应变间的关系曲线，根据试验数据绘制莫尔圆并通过回归分析得到强度参数粘聚力和内摩擦角的值。
李晓娟等[2]对粉砂岩试样进行三轴压缩实验，得到试样力学参数，并通过扫描电镜试验得到细观损伤图片，从微观角度分析了粉砂岩的力学特性。
李文帅等[3]通过砂岩真三轴加载试验，结合CT 扫描技术，研究了不同中间主应力条件下岩石的强度、变形及破坏特征，得到了砂岩真三轴条件下的力学特征。
本文通过常规三轴试验，介绍了岩石试样的制备过程，试验设备以及试验方案，并对实验结果进行了分析，得到岩石基本力学参数粘聚力和内摩擦角等，通过前人方法处理数据，得到岩石重要力学参数，方便工程实验人员运用，为类似试验处理提供技术指导。
1试验方法1.1试样制备及试验设备本次试验以泥质砂岩为研究对象，为保证试验获得参数准确可靠，在采样过程中，采样点位于隧道施工现场同一位置，岩石试样尽量均质，严格按照规定切割、打磨制成高为100mm 、直径为50mm 的圆柱样，试样直径和高度误差均不超过2mm ，岩石试样用保鲜膜包裹并裹上胶带，将试样打包放于泡沫纸箱运至岩石力学实验室。
不同粒径砂岩三轴压缩力学特性试验研究
２ ０ １ ３年第 ６期 （ 总第 １ ７ １ 期）
细颗粒 砂 岩在 围压 为 １ ６ Ｍ Ｐ ａ时 ，Ｅ＝７ 模量的特征 ３ ． １ 弹性模量 和围压 的关 系 岩样单轴 压缩 的应力 一应 变关 系并 非 严 格意 义 上 的直线 。杨 氏模 量有 切 线模 量 、割线 模 量 和 弹性 模量 。应力 一 应 变 曲线 中趋 于 直线 一段 得 出弹性 模
为 ｌ＝０ ． ６ ６ １ ６ － ０ ３＋６ ． ４ ４ ７ ８， Ｒ ＝０ ． ９ ９ ５ ８。
２ ． ２ 砂岩 的强度 特性 根据 Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ准 则 ，ｏ ｒ ｓ 与 ３关 系 为 ０ － ｓ ＝Ｍ ＋ Ｎ ｏ － ， ，用 Ｑ（ Ｍ， Ｎ）表 示 ， Ｏ ｒ 与 ０ －， 呈线 性 关 系 。式
由图 ４可 知 ：变 化 曲线 上 凸。两 种粒 径 砂 岩 在 围压 ０～６ ＭＰ ａ范 围 内，峰 值 应 变 有 显 著 提 高 。 在 围压 ８— １ ６ ＭＰ ａ范 围内 ，细 颗粒 砂 岩 的 峰值 应 变
不再波动 ，而存 一个 极 限值 ；中颗粒 砂 岩 的峰 值
应 变呈先 稳定 ，后增 长 的趋 势 。说 明 中颗粒 砂 岩 的 峰值应变 对围压 的敏感性高 于细颗粒砂 岩 。 当岩 样达 到 塑 性前 （ 围压 ０— ６ ＭＰ ａ ） ，细 、 中
粒砂岩为 １ ５ ． ３ ４ Ｍ Ｐ ａ ，中颗 粒砂岩 为 ２ ４ ． ４ ２ Ｍ Ｐ ａ 。理论
围胜 ０ － ３ ／ ＭＰａ
图 ４ 细 、中颗 粒砂 岩岩样 。 一ｏ ｒ 的关 系
值大于试验值 ３ １ ． ６ ４％ ～ ３ ８ ． ５ ０％。所 以，围压 的提 高
有利于岩石 的最 大轴 向应力。说 明，强度参数 的力 学含义为 ，砂岩单轴压缩剪切破坏对应的强度 ，高出实 际单轴压缩破坏的强度 ，而 参数 Ｊ ７ 、 ｒ 实 际为图 曲线 的斜 率 ，衡量了围压对轴向承载能力的影响 。
砂岩力学特性与本构方程
于０
０２ mm. 试 验 测 试 采 用 位 移 控 制 方 式, 加 载
速度 为 ０
１ mm/mi
n, 围 压 分 别 为 ０ MPa、
２０ MPa、４０ MPa、６０ MPa,试件加工和测试符合
国际岩石力学学 会 (
I
SRM) 的 标 准. 试 验 前 后 用
CT 机对试件进行 横 断 面、纵 断 面 扫 描, 分 析 三 轴
征进行了试验研究,得 到 岩 石 应 力 应 变 全 过 程 曲 线.研 究 表 明,岩 石 变 形 规 律 分 为 初 始 压
密、弹性变形、应变硬化、 应 变 软 化 ４ 个 阶 段; 随 围 压 的 增 高, 岩 石 的 强 度 和 残 余 强 度 增
大,峰值应力点对应的轴向应变、横向应变增大,弹性变形阶段增长,岩石呈脆性 塑性 延
等材料在高温、高围压条件下的力学性质及渗流特
邓肯 张 (
Dunc
an
ＧChang)模型是典型的非线
性弹 性 模 型, 是 邓 肯 (
Dunc
an) 等 人 基 于 增 量 广
力差与轴 向 应 变 为 双 曲 线, 建 立 了 Et μt 模 型 和
[
]
Et Bt 模 型 ５－６ . 该 模 型 概 念 清 晰, 理 论 推 演 严
性转变;三轴压缩试验试件破坏形式为剪切破坏,且破裂面与水平方向的夹角随围压的增高
而减小.根据岩石的变形规律,对邓肯 张 (
Dunc
an
ＧChang) 本构方程进行了改进,改 进 的
本构方程能更好地描述岩石的变形特性.
关键词 砂岩 应力应变 邓肯 张模型 岩石断裂
中图分类号 TD３１５ 文献标识码 A
随围压的增高,岩石三轴抗压强度和残余强度
０２ mm. 试 验 测 试 采 用 位 移 控 制 方 式, 加 载
速度 为 ０
１ mm/mi
n, 围 压 分 别 为 ０ MPa、
２０ MPa、４０ MPa、６０ MPa,试件加工和测试符合
国际岩石力学学 会 (
I
SRM) 的 标 准. 试 验 前 后 用
CT 机对试件进行 横 断 面、纵 断 面 扫 描, 分 析 三 轴
征进行了试验研究,得 到 岩 石 应 力 应 变 全 过 程 曲 线.研 究 表 明,岩 石 变 形 规 律 分 为 初 始 压
密、弹性变形、应变硬化、 应 变 软 化 ４ 个 阶 段; 随 围 压 的 增 高, 岩 石 的 强 度 和 残 余 强 度 增
大,峰值应力点对应的轴向应变、横向应变增大,弹性变形阶段增长,岩石呈脆性 塑性 延
等材料在高温、高围压条件下的力学性质及渗流特
邓肯 张 (
Dunc
an
ＧChang)模型是典型的非线
性弹 性 模 型, 是 邓 肯 (
Dunc
an) 等 人 基 于 增 量 广
力差与轴 向 应 变 为 双 曲 线, 建 立 了 Et μt 模 型 和
[
]
Et Bt 模 型 ５－６ . 该 模 型 概 念 清 晰, 理 论 推 演 严
性转变;三轴压缩试验试件破坏形式为剪切破坏,且破裂面与水平方向的夹角随围压的增高
而减小.根据岩石的变形规律,对邓肯 张 (
Dunc
an
ＧChang) 本构方程进行了改进,改 进 的
本构方程能更好地描述岩石的变形特性.
关键词 砂岩 应力应变 邓肯 张模型 岩石断裂
中图分类号 TD３１５ 文献标识码 A
随围压的增高,岩石三轴抗压强度和残余强度
砂岩三轴常规压缩物理和数值实验分析
Ｖ １２ Ｎ０ ５ ｏ ８ ． Ｏ ｔ ００ ｃ２ ９
． ．
砂岩 三轴 常 规压 缩 物 理 和 数值 实验 分 析
段 新 伟 ，李 宝 富
（ ・义 马煤 业 集 团 常村 煤 矿 ，河 南 义 马 １ ４ ２０ ７ ３０；２ ．河 南 理 工 大 学 能 源 学 院 ，河 南 焦 作 ４ ４０ ） ５ ０ ３
第２ ８卷 第 ５期 ２０ ０ ９年 １ ０月
河 南 理 工 大学 学报 （ 自然 科 学 版 ） Ｊ Ｕ Ｎ Ｌ Ｏ Ｅ Ａ Ｏ Ｙ Ｅ Ｈ Ｉ Ｎ Ｖ Ｒ Ｉ Ｙ （ Ａ Ｕ Ａ Ｃ Ｅ Ｃ Ｏ Ｒ Ａ Ｆ Ｈ Ｎ Ｎ Ｐ Ｌ Ｔ Ｃ Ｎ Ｃ Ｕ Ｉ Ｅ ＳＴ Ｎ Ｔ Ｒ Ｌ Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ）
ｔ ｏｏ ｙ ｏ ｐ ｃｍｅ ｓｗｅ ｅ ｓｎ ｌｄ ｏ ｔ Ｒｏ ｔｎ ｒａ ｉ ｌｃ ｍｐ ｅ ｓｏ ｙ ｉ ａ ｅ ｔｗｅ ｅ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔｆｒｓ ｎ ｔｎ ｈ ｌｇ ｆｓ ｅ ｉ ｎ ｒ ｉｇ ｅ ｕ ． ｕ ｉ ｅｔｉ ｘａ ｏ ｒ ｓ ｉｎ ｐｈ ｓｃ ｌｔｓ ｒ ａ ｒｅ ｕ ｏ ａ ｄｓｏ ｅ ｓ ｍ ｐ ｅ ｎ ＲＭＴ 一 １ ０Ｂ ｏ ｋ ｍ ｅ ｈ ｎ ｃ ｅ ｔｍａ ｈｉ ｔｄｉ ｅ ｅ ｔｃ ｎ ｎ ｎ ｒ ｓｕ ｅ Ａｎｄ ｅｆ ｃ ｆｃ ｎ ｎ ｎ ａ ｌｓ ｏ ５ ｒ ｃ ｃ ａ ｉ ｓｔ ｓ ｃ ｎｅ ａ ｆ ｒ ｎ ｏ ｆ ｉ ｇ ｐ ｅ ｓ ｒ ． ｆ ｉ ｆｅ ｔｏ ｏ ｆ ｉ ｇ ｉ ｐ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｒｎ ａ ａ ｉ ｓ ｔ ｄ ｅ ｙ ＲＦ ｒ ｓ ｕ ｅ ｗｉ ｂ ａｉ ｇ ｃ ｐ ｃ ｔ ｗａ ｓｕ ｉ ｄ ｂ ＰＡ ｙ ｔ ｍ ． Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｏ ｈ ｓｃ ｌｔ ｓ ｎ ｕ ｅ ｉａ ｅ ｔ ｈ ｙ ｓ ｓｅ ｈ ｅ ｕ ｔ ｆｐ ｙ ｉ ａ ｅ ｔａ ｄ ｎ ｍ ｒｃ ｌ ｔｓ ｗｅ ｅ ｖ ｒ ｏ ｃ ｒ ａ ｃ ． Ｂｅ ｒｎ ａ ａ ｉ ｆｓ ｍｐ ｅ ｒ ｉ ｅ ｒｒ ｌ ｔ ｎ ｈ ｐ ｗｉ ｏ ｆｎ ｎ ｒ ｓ ｕ ｅ ｉ ｏ ｄ — ｒ ｅ ｙ ｃ ｎ ｏ ｄ ｎ ｅ ａ ｉ ｇ ｃ ｐ ｃｔ ｏ ａ ｌ ｓｗｅ ｅ ｌ ａ ｅａｉ ｓ ｉ ｔ ｃ ｎ ｉ ｇ ｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｃ ｎ ｉ ｙ ｎ ｏ ｈ ｉ ｔｏ ｆｌｗ ｏ ｆｎ ｎ ｒ ｓ ｕ ｅ． ｉｎ ｏ ｏ ｃ ｎ ｉ ｇ ｐ ｅ ｓ ｒ ｉ
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砂岩单轴三轴压缩试验研究X
姜永东 鲜学福 许 江 熊德国
( 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室#重庆 400030)
摘 要 研究了砂 岩在饱和、自然、风干三种状态下的单轴抗压强度 特性和三 轴抗压强度 特性。在 单轴、三轴压缩试验中得到了应力与纵向 应变、横 向应变、体应变之间的 关系曲线, 单 轴应力- 纵向应 变曲线在峰值前可分为 3 个阶段, 三轴应力- 纵向 应变全过程曲线可分 为 4 个阶段。根 据三轴轴 向应力 和围压绘制了莫尔圆, 采用回归分析得到 了强度准则和强 度参数 C、ª 值, 并且分析了 含水量对 岩石强 度的影响, 其实验结果能为工程 提供参考与借鉴。
( 1)
4 强度影响因素
影响岩石强度的因素有许多, 大体可以分为两
类, 一类是岩石本身的影响, 如矿物成分、颗粒大
小、胶结情况、密度、孔隙比、含水量、生成条件
以及层理结构等, 第二类是试验环境与物理环境如
试件尺寸、形状, 试件加工情况、压力机的刚度、 加载速度、温度等13, 72。
本次试验砂岩的物理性质见表 3, 实验中主要
Jiang Yongdong Xian xuefu Xu Jiang X iong Deguo ( T he K ey Labor ator y of the Exploitation o f Southwest Resources & the Env ironmental Disaster Control Eng ineering, M inistr y of Education, Chongqing U niversity#Chongqing 400030)
意义。由于地壳中的岩石绝大多数处于三向应力状 态, 所以对岩石进行三轴压缩试验研究更能反应实 际情况, 实验测得的三轴抗压强度可以确定莫尔包 络线、强度准则和强度参数 C、ª 值, 其值能为工 程提供参考与借鉴。
1 试件的加工与试验设备 为了研究砂岩的力学特性, 本次实验采用重庆
市云阳县寨坝滑坡体下盘的砂岩, 将所取岩芯加工 成为圆柱体 试件, 试件直 径 ª 为 50mm, 高 h 为 10 0m m 。
应变都在增大, 试件体积不断缩小, 过了屈服点之 后, 试件的横向变形迅速增加, 体应变开始减小, 试件体积增大, 到峰值时, 体应变趋于零, 试件又 恢复原来的体积。
212 强度特性 从图 1、图 2、图 3 可以看出: 水对岩石强度
有明显的影响, 不同含水量下岩石的强度不同, 含 水量越高, 强度就越低, 反之则含水量越低, 强度 就越高, 而且水对软岩如砂岩的影响很明显。
劳和裂纹扩展试验, 轴向载荷最大 1000kN, 围压 最大 50MPa, 可采用载荷控制、位移控制进 行加 载, 加载过程中还可以保持载荷不变。本次试验采 用载荷控制, 加载围压控制在 0~ 15M Pa, 在试件 上粘贴应变计测试件的纵向变形和横向变形。
2 砂岩的单轴压缩特性 211 应力应变关系特性
密度Q ( g/ cm3)
21 54
表 3 砂岩的物理性质
重度 C ( k N/ m3)
251 26
吸水率 X (%)
21 63
软化系数 G ( c)
01 64
5结 论 ( 1) 砂岩单 轴压缩试验再 次表明: 岩石 在饱
图 5 砂岩在等围压下的实验结果
68
莫尔- 库仑强度准则在实际工程中广泛应用,
通过砂岩的三轴压缩实验, 根据最小二乘法, 采用
回归分析得出了砂岩的强度参数 C、 ª 值, 其 C= 5198MP a, ª = 58191b, 强 度 准 则 表 达 式 见 式
( 1) 。
I= 1166R+ 5198
考虑含水量对强度的影响, 其影响原因是水从试件
表面的裂隙进入岩石内部, 润湿了岩石全部自由面
上的每个矿物颗粒, 水分子加入改变了岩石的物理
中国矿业 2004 年第 13 卷第 4 期
状态, 削弱了颗 粒之间的联系, 使得抗压强 度降 底, 试验表明: 在饱和状态下岩石强度最小, 风干 状态下岩石强度最大。
501 60
01 62
1111 50
761 00
621 30
401 40
Hale Waihona Puke 01 651211 90
801 80
01 66
1261 30
801 80
Rc/ Rs 01 63 01 68 01 64
砂岩单轴三轴压缩试 验研究
67
3 砂岩的三轴压缩特性 311 应力应变关系特征
从图 4 可以看出: 砂岩在不同围压下的轴向应 力应变全过程曲线形状是类似的, 可以划分为 4 个 阶段: 压密阶段、弹性变形阶段、塑性阶段和破坏 阶段15, 62。第 1 阶段在开始施加轴向压力时, 试件 体应变增加体积 缩小, 岩石被 压密, 部分裂 隙闭 合, 应力应变曲线微向上弯曲。第 2 阶段体应变继 续增加, 岩石表现出明显的线弹性, 随围压增大, 线弹性部分长度增长, 第 3 阶段内体应变有一个极 值, 这个极值对应的应力就是屈服应力, 屈服应力
10M Pa Rs/ M Pa
1101 9
Rc/ Rs 01 64
图 4 砂岩在不同围压下的全应力应变曲线
图 6 莫尔圆包络线及强度准则
312 强度特性 砂岩在不同围压下的强度特征表现为: 随围压
增大, 抗压强度明显提高, 塑性变形明显增大, 其 变形不仅与围压 R3 大小有关, 而且与 R1 - R3 的大 小有关, 当 R1- R3 在一定范围内, 变形符合 线弹 性变形规律, 当 R1- R3 超过一定 范围时, 变 形才 具有塑性变形, 见图 5。
Rs 约为峰值应力 Rc 的 2/ 3112, 表 2 可以说明。屈服 点以前试件的体应变都在 增大, 试件 体积不断缩 小, 过了屈服点之后, 试件的横向变形迅速增加, 体应变开始减小, 试件体积增大, 到峰值时, 体应 变趋于零, 试件又恢复原来的体积。这个阶段岩石 内部开始产生微裂隙, 裂隙随加载载荷增加加速扩 展, 最终裂隙汇合贯通使岩石破坏。第 4 阶段试件 破坏后, 岩石的承载能力没有完全丧失, 还具有一 定的承载能力, 强度减弱到残余强度, 而且残余强 度随围压增大而增大。
关键词 砂岩 单 轴压缩试验 三轴压缩试验 应力应变 强度准则 中图分类号 T U 459 文献标识码 A 文章编号 1004- 4051 ( 2004) 04- 0066- 04
A RESEARCH ON SANDSTONE UNIAXIAL AND TRIAXIAL COMPRESSION TESTS
Rc/ M Pa 601 88
0M Pa Rs / M Pa 401 59
表 2 砂岩 在不同围压下的强度 R c、屈服强 度 R s、R s/ R c 值
Rc/ Rs 01 66
Rc/ M Pa 1211 6
5M Pa Rs/ M Pa
811 1
Rc/ Rs 01 67
Rc/ M Pa 1721 4
从图 1、图 2、图 3 可以看出: 在单轴压缩试 验中, 砂岩在饱和状态、自然状态、风干状态下的 应力与纵向应变曲线的形状是一致的, 属于塑弹性 变形。峰值前可以分 为 3 个阶 段12, 32, 即: 压密、 弹性、塑性变形阶段。第 1 阶段随轴向应力增加纵 向变形、横向变形也增加, 但纵向变形大于横向变 形, 体应变增 大, 试件体 积变小, 曲 线微向上 弯 曲, 产生的原因是岩石试件中的微裂隙或节理面被 压密实的结果。第 2 阶段体应变继续增大, 试件体 积继续减小, 试件内部的微裂隙或节理面被压密实 闭合后, 应力与纵向应变曲线近似于直线, 但各曲 线性部分长度不同, 这是岩石中微裂隙或节理面的 宽度不一样产生的, 使得闭合程度不同。第 3 阶段 岩石内部开始产生微裂隙, 随加载载荷的增加, 试 件内部的裂隙扩展最终汇合贯通, 使试件破坏142。 这个阶段, 体应变有一个最大值, 这个最大值对应 的应力就是屈服应力, 屈服应力 Rs 约为峰 值应力 Rc 的 2/ 3112, 表 1 可以说明。屈服点以前试件的体
Keywords: Sandstone, U niax ial compression test, T riax ial compression test, Str ess- strain, Failure theor y
岩石在外载荷作用下能承受的最大应力称为岩 石的强度112, 影响 岩石强度的因素 有很多, 其 中 水对岩石强度有明显的影响, 特别是对软岩的影响 表现得更为突出, 所以研究岩石在饱和状态、自然 状态、风干状态下的强度特征和变形特性有重要的
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中国矿业 2004 年第 13 卷第 4 期
为 0105M Pa/ s, 在试件上粘贴应变计测试件的纵向 变形和横向变形。
三轴 压 缩 试 验 采 用 英 国 英 斯 特 朗 公 司
( Inst ron) 生产的电液伺服式 Inst ron 1346 试验机, 该试验机可以进行拉伸、压缩、断裂韧性、低周疲
图 1 第 1 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
图 2 第 2 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
图 3 第 3 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
饱和状态 自然状态 风干状态
表 1 砂 岩在饱和、自然、风干状态下的强度 R c、屈服强度 R s、R s/ R c 值
Abstract: T he ex periment studies both the uniaxial compressive strength and tr iax ial compressive st rength of sandstone, respectively under air- drying, natural and satur atio n condit ions. T he relationship betw een stress and axial strain, tr ansverse strain & volume strain is obtained form the uniax ial and triax ial tests. T he result shows that unix ial stress-strain curv e can be devided into three staged before its peak v alue, w hile triaxial stressstr ain curve can be devided into five stag es. A n O1M ohr circle is gr aphed according to values of the tr iax ial strain and confining str ess. Mor eov er , failure theory and strength par ameters: c and ª are obtained throug h analyzing the curve fitting . F inally, resear ch analyzes the r ock streng th influenced by moisture content. T he whole research results can offer a r eference to r elated engineering projects.
姜永东 鲜学福 许 江 熊德国
( 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室#重庆 400030)
摘 要 研究了砂 岩在饱和、自然、风干三种状态下的单轴抗压强度 特性和三 轴抗压强度 特性。在 单轴、三轴压缩试验中得到了应力与纵向 应变、横 向应变、体应变之间的 关系曲线, 单 轴应力- 纵向应 变曲线在峰值前可分为 3 个阶段, 三轴应力- 纵向 应变全过程曲线可分 为 4 个阶段。根 据三轴轴 向应力 和围压绘制了莫尔圆, 采用回归分析得到 了强度准则和强 度参数 C、ª 值, 并且分析了 含水量对 岩石强 度的影响, 其实验结果能为工程 提供参考与借鉴。
( 1)
4 强度影响因素
影响岩石强度的因素有许多, 大体可以分为两
类, 一类是岩石本身的影响, 如矿物成分、颗粒大
小、胶结情况、密度、孔隙比、含水量、生成条件
以及层理结构等, 第二类是试验环境与物理环境如
试件尺寸、形状, 试件加工情况、压力机的刚度、 加载速度、温度等13, 72。
本次试验砂岩的物理性质见表 3, 实验中主要
Jiang Yongdong Xian xuefu Xu Jiang X iong Deguo ( T he K ey Labor ator y of the Exploitation o f Southwest Resources & the Env ironmental Disaster Control Eng ineering, M inistr y of Education, Chongqing U niversity#Chongqing 400030)
意义。由于地壳中的岩石绝大多数处于三向应力状 态, 所以对岩石进行三轴压缩试验研究更能反应实 际情况, 实验测得的三轴抗压强度可以确定莫尔包 络线、强度准则和强度参数 C、ª 值, 其值能为工 程提供参考与借鉴。
1 试件的加工与试验设备 为了研究砂岩的力学特性, 本次实验采用重庆
市云阳县寨坝滑坡体下盘的砂岩, 将所取岩芯加工 成为圆柱体 试件, 试件直 径 ª 为 50mm, 高 h 为 10 0m m 。
应变都在增大, 试件体积不断缩小, 过了屈服点之 后, 试件的横向变形迅速增加, 体应变开始减小, 试件体积增大, 到峰值时, 体应变趋于零, 试件又 恢复原来的体积。
212 强度特性 从图 1、图 2、图 3 可以看出: 水对岩石强度
有明显的影响, 不同含水量下岩石的强度不同, 含 水量越高, 强度就越低, 反之则含水量越低, 强度 就越高, 而且水对软岩如砂岩的影响很明显。
劳和裂纹扩展试验, 轴向载荷最大 1000kN, 围压 最大 50MPa, 可采用载荷控制、位移控制进 行加 载, 加载过程中还可以保持载荷不变。本次试验采 用载荷控制, 加载围压控制在 0~ 15M Pa, 在试件 上粘贴应变计测试件的纵向变形和横向变形。
2 砂岩的单轴压缩特性 211 应力应变关系特性
密度Q ( g/ cm3)
21 54
表 3 砂岩的物理性质
重度 C ( k N/ m3)
251 26
吸水率 X (%)
21 63
软化系数 G ( c)
01 64
5结 论 ( 1) 砂岩单 轴压缩试验再 次表明: 岩石 在饱
图 5 砂岩在等围压下的实验结果
68
莫尔- 库仑强度准则在实际工程中广泛应用,
通过砂岩的三轴压缩实验, 根据最小二乘法, 采用
回归分析得出了砂岩的强度参数 C、 ª 值, 其 C= 5198MP a, ª = 58191b, 强 度 准 则 表 达 式 见 式
( 1) 。
I= 1166R+ 5198
考虑含水量对强度的影响, 其影响原因是水从试件
表面的裂隙进入岩石内部, 润湿了岩石全部自由面
上的每个矿物颗粒, 水分子加入改变了岩石的物理
中国矿业 2004 年第 13 卷第 4 期
状态, 削弱了颗 粒之间的联系, 使得抗压强 度降 底, 试验表明: 在饱和状态下岩石强度最小, 风干 状态下岩石强度最大。
501 60
01 62
1111 50
761 00
621 30
401 40
Hale Waihona Puke 01 651211 90
801 80
01 66
1261 30
801 80
Rc/ Rs 01 63 01 68 01 64
砂岩单轴三轴压缩试 验研究
67
3 砂岩的三轴压缩特性 311 应力应变关系特征
从图 4 可以看出: 砂岩在不同围压下的轴向应 力应变全过程曲线形状是类似的, 可以划分为 4 个 阶段: 压密阶段、弹性变形阶段、塑性阶段和破坏 阶段15, 62。第 1 阶段在开始施加轴向压力时, 试件 体应变增加体积 缩小, 岩石被 压密, 部分裂 隙闭 合, 应力应变曲线微向上弯曲。第 2 阶段体应变继 续增加, 岩石表现出明显的线弹性, 随围压增大, 线弹性部分长度增长, 第 3 阶段内体应变有一个极 值, 这个极值对应的应力就是屈服应力, 屈服应力
10M Pa Rs/ M Pa
1101 9
Rc/ Rs 01 64
图 4 砂岩在不同围压下的全应力应变曲线
图 6 莫尔圆包络线及强度准则
312 强度特性 砂岩在不同围压下的强度特征表现为: 随围压
增大, 抗压强度明显提高, 塑性变形明显增大, 其 变形不仅与围压 R3 大小有关, 而且与 R1 - R3 的大 小有关, 当 R1- R3 在一定范围内, 变形符合 线弹 性变形规律, 当 R1- R3 超过一定 范围时, 变 形才 具有塑性变形, 见图 5。
Rs 约为峰值应力 Rc 的 2/ 3112, 表 2 可以说明。屈服 点以前试件的体应变都在 增大, 试件 体积不断缩 小, 过了屈服点之后, 试件的横向变形迅速增加, 体应变开始减小, 试件体积增大, 到峰值时, 体应 变趋于零, 试件又恢复原来的体积。这个阶段岩石 内部开始产生微裂隙, 裂隙随加载载荷增加加速扩 展, 最终裂隙汇合贯通使岩石破坏。第 4 阶段试件 破坏后, 岩石的承载能力没有完全丧失, 还具有一 定的承载能力, 强度减弱到残余强度, 而且残余强 度随围压增大而增大。
关键词 砂岩 单 轴压缩试验 三轴压缩试验 应力应变 强度准则 中图分类号 T U 459 文献标识码 A 文章编号 1004- 4051 ( 2004) 04- 0066- 04
A RESEARCH ON SANDSTONE UNIAXIAL AND TRIAXIAL COMPRESSION TESTS
Rc/ M Pa 601 88
0M Pa Rs / M Pa 401 59
表 2 砂岩 在不同围压下的强度 R c、屈服强 度 R s、R s/ R c 值
Rc/ Rs 01 66
Rc/ M Pa 1211 6
5M Pa Rs/ M Pa
811 1
Rc/ Rs 01 67
Rc/ M Pa 1721 4
从图 1、图 2、图 3 可以看出: 在单轴压缩试 验中, 砂岩在饱和状态、自然状态、风干状态下的 应力与纵向应变曲线的形状是一致的, 属于塑弹性 变形。峰值前可以分 为 3 个阶 段12, 32, 即: 压密、 弹性、塑性变形阶段。第 1 阶段随轴向应力增加纵 向变形、横向变形也增加, 但纵向变形大于横向变 形, 体应变增 大, 试件体 积变小, 曲 线微向上 弯 曲, 产生的原因是岩石试件中的微裂隙或节理面被 压密实的结果。第 2 阶段体应变继续增大, 试件体 积继续减小, 试件内部的微裂隙或节理面被压密实 闭合后, 应力与纵向应变曲线近似于直线, 但各曲 线性部分长度不同, 这是岩石中微裂隙或节理面的 宽度不一样产生的, 使得闭合程度不同。第 3 阶段 岩石内部开始产生微裂隙, 随加载载荷的增加, 试 件内部的裂隙扩展最终汇合贯通, 使试件破坏142。 这个阶段, 体应变有一个最大值, 这个最大值对应 的应力就是屈服应力, 屈服应力 Rs 约为峰 值应力 Rc 的 2/ 3112, 表 1 可以说明。屈服点以前试件的体
Keywords: Sandstone, U niax ial compression test, T riax ial compression test, Str ess- strain, Failure theor y
岩石在外载荷作用下能承受的最大应力称为岩 石的强度112, 影响 岩石强度的因素 有很多, 其 中 水对岩石强度有明显的影响, 特别是对软岩的影响 表现得更为突出, 所以研究岩石在饱和状态、自然 状态、风干状态下的强度特征和变形特性有重要的
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中国矿业 2004 年第 13 卷第 4 期
为 0105M Pa/ s, 在试件上粘贴应变计测试件的纵向 变形和横向变形。
三轴 压 缩 试 验 采 用 英 国 英 斯 特 朗 公 司
( Inst ron) 生产的电液伺服式 Inst ron 1346 试验机, 该试验机可以进行拉伸、压缩、断裂韧性、低周疲
图 1 第 1 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
图 2 第 2 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
图 3 第 3 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
饱和状态 自然状态 风干状态
表 1 砂 岩在饱和、自然、风干状态下的强度 R c、屈服强度 R s、R s/ R c 值
Abstract: T he ex periment studies both the uniaxial compressive strength and tr iax ial compressive st rength of sandstone, respectively under air- drying, natural and satur atio n condit ions. T he relationship betw een stress and axial strain, tr ansverse strain & volume strain is obtained form the uniax ial and triax ial tests. T he result shows that unix ial stress-strain curv e can be devided into three staged before its peak v alue, w hile triaxial stressstr ain curve can be devided into five stag es. A n O1M ohr circle is gr aphed according to values of the tr iax ial strain and confining str ess. Mor eov er , failure theory and strength par ameters: c and ª are obtained throug h analyzing the curve fitting . F inally, resear ch analyzes the r ock streng th influenced by moisture content. T he whole research results can offer a r eference to r elated engineering projects.