砂岩弹性模量三轴实验研究
砂岩单轴三轴压缩试验研究_姜永东
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。
广东地区红砂岩三轴压缩试验研究
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
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 。
4.2.3 岩石三轴试验及变形特点
常规三轴实验
123
σσσ>= 岩石强度及变形特征与岩石的应力状态密切相关，围压对岩石变形特性的影响很大。
岩石在三向荷载下的变形特性是通过三轴压缩试验方法来测定的。
真三轴实验优点
缺点
成果整理
轴向1σ1
ε绘制成果曲线
11σε~()
321εεε+~径向
3σ2ε3
ε()1
33
112σσσσμ---=
B B ()1
312εμσσ-=
E 3
1
B εε=
与单轴压缩条件下的应力-应变曲线比较：
非线性特征
仍符合线弹性材料的性状
剪胀，
破坏前兆
脆性破坏
由脆性到塑性
扩容
应变硬化
定义
岩石破坏的前兆细微裂隙的形成扩大于平行细观机理
扩容现象
工程应用
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岩石率敏性三轴试验及弹粘塑性软化型本构模型表征
岩石率敏性三轴试验及弹粘塑性软化型本构模型表征随着国家交通规划网从东部迅速向西南部、中西部延伸,将有大量的隧道无可避免修建在一些山岭重丘区。
这些隧道工程所开挖的岩石类材料物理力学性质复杂,在受到外部荷载作用下所产生的破坏与变形往往呈现出与时间相关的流变特性。
在以往的研究中,对岩石材料大多采用理想弹塑性模型进行数值模拟,并不能很好地描述岩石的时效特性。
本文以杭长高速公路北延段的葡萄岭隧道为工程背景,以葡萄岭砂岩的率敏性三轴试验为基础,为建立一种考虑岩石软化时效变形特征的弹粘塑性本构模型展开研究。
基于此,论文的主要内容包括以下几个方面:(1)开展葡萄岭砂岩的基本物理试验及三轴率敏性试验,得到不同围压及不同加载速率下的砂岩的应力-应变全过程曲线,归纳总结了岩石在不同围压和加载速率下的变形特征及规律,反映了砂岩力学行为具有显著的率敏性,为获得饱和状态下砂岩的弹粘塑性本构模型参数提供了试验基础。
(2)考虑葡萄岭砂岩的时效变形特征,在借鉴超固结土的下负荷面模型基础上,按照相对过应力思路,以针对岩石调整参数的下负荷面为参考屈服面,并引进两个与材料时间相依性质相关的参数,采用以当前应力、粘塑性应变以及粘塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,并给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中,对岩石率敏性三轴试验进行模拟验证。
(3)利用大型有限元软件ABAQUS建立葡萄岭隧道左线ZK125+65~ZK125+110区段的三维隧道模型,对隧道开挖过程采用理想弹塑性模型与软化型弹粘塑性模型进行了数值模拟比较,验证了新建立的软化型弹粘塑性模型对隧洞开挖速度的增加更为敏感,也更能反映出岩石受力过程中的率相关性。
(4)采用弹粘塑性模型对葡萄岭隧道实际开挖情况进行数值模拟,对隧道围岩的位移场、应力场和塑性应变区的变化情况进行了探讨,有效的预测了隧道开挖过程中力学行为,为保证施工期间的安全性提供指导,同时验证了本构模型的正确性。
高温高压作用下致密砂岩三轴压缩试验
高温高压作用下致密砂岩三轴压缩试验邓辉;张咪;邓通海;张茜【摘要】为探究温度和围压对四川盆地新场气田须家河组二段致密石英砂岩力学性质和破坏方式的影响,利用MTS815电液伺服控制刚性试验机还原其地下深部高温高压的地质环境进行常规三轴压缩试验.结果表明,温度一定时,试样的三轴抗压强度和弹性模量平均值均随围压增大而增大;围压一定时,随试验温度升高,60℃之前,致密石英砂岩试样的粘聚力呈二次非线性减小,内摩擦角、三轴抗压强度及弹性模量呈非线性增加;60℃之后,各参数变化趋势则与之前相反.60℃是温度-围压共同作用条件下试样力学性质变化的温度节点.在0~100 MPa围压范围、15~150℃温度范围内,致密砂岩试样变形破坏类型取决于温度和围压,围压对岩石强度的影响程度大于温度.按试样破坏过程和破坏方式,可将应力-应变曲线大致分为5种类型,破坏方式包含拉张破坏、剪切破坏、剪胀破坏和拉张-剪切破坏.%The impact of temperature and confining pressure upon mechanic characteristics and failure modes of the tight quartz sandstone in the second member of the Xuejiahe Formation ( T3 x2 ) in Xinchang gas field of Sichuan Basin, was studied through a conventional triaxial compression test by using a MTS 815 servo-controlled testing machine to simulate subsurface environment of high temperature and high confining pressure.The results showthat,when the temperature re-mains constant,the average values of compressive strength and elastic modulus of quartz sandstone samples increase with growing confining pressure.And when under a constant confining pressure,the value changes in a two-stage way below and over the temperature of 60℃.Before the temperature reaches 60℃,the sampleshave a quadratic nonlinear decrease in terms of cohension and a nonlinear increase for their internal friction angle,triaxial compression strength,and elastic modulus.When the temperature is higher than 60 ℃,the above-mentioned parameters vary in a totally reverse direction. The temperature of 60℃is then the critical point for the mechanical properties of the samples to reverse under joint con-trol of temperature and confining pressure.Within the ranges of pressure from 0 to 100 MPa and temperature from 15 to 150 ℃,the deformation or failure modes of the samples depends on temperature and confining pressure,with the latter having stronger impact than that of the former.Based on deformation process and failure modes,we roughly categorize the stress-strain curves into five types,which in turn loosely correspond to failure modes of tensile,shear,shear dilatancy,and tensile-shear,respectively.【期刊名称】《石油与天然气地质》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】8页(P1172-1179)【关键词】围压;变形破坏类型;常规三轴压缩试验;致密石英砂岩;新场气田;四川盆地【作者】邓辉;张咪;邓通海;张茜【作者单位】成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059【正文语种】中文【中图分类】TE135致密石英砂岩气作为中国目前最现实的天然气战略储备[1-3]，从1971年起，先后在四川、鄂尔多斯、塔里木、吐哈、松辽等10多个盆地相继被大规模开发[4-9]。
岩石三轴压缩强度的测试和解释
岩石三轴压缩强度的测试和解释岩石是地质体中的一种常见材料，其力学性质对于工程建设和地质研究具有重要意义。
岩石的三轴压缩强度是评估其抗压能力的重要指标之一。
本文将介绍岩石三轴压缩强度的测试方法及其解释。
一、测试方法1. 样品制备：从研究区域地质剖面中采集岩心或岩样，保证样品的完整性和代表性。
根据实际需要，将样品修整为规定的几何形状，如圆柱体或长方体。
2. 试样尺寸和形状：根据岩石类型和实验目的，选择试样的尺寸和形状。
常见的试样形状有圆柱体和球体，尺寸则应根据具体实验要求进行确定。
一般要求试样尺寸在一定范围内，以保证实验结果的可比性。
3. 试验设备：进行岩石三轴压缩强度测试，需要使用专用的试验设备，如岩石三轴试验机。
该设备主要由负荷装置、围压装置、应变测量装置和数据采集系统组成。
4. 实验过程：将试样置于试验机上，施加垂直于试样表面的压力，即围压。
同时，在试样的另一侧施加两个垂直方向的应力，即主应力。
应力的施加可通过液压或机械方式实现。
增加主应力的大小和速度要逐渐进行，以保证试样不发生失稳破坏。
5. 强度参数确定：在试验过程中，记录试样的应变和承受的应力。
根据试验数据，确定岩石的三轴压缩强度参数，如强度曲线、极限强度、应力应变曲线等。
二、解释1. 强度曲线：在三轴压缩试验中，通过改变应力状态下的应变量，绘制出岩石试样的应力-应变曲线。
该曲线反映了试样的变形特性和强度状况。
一般来说，岩石的应力-应变曲线表现为线性变化，在达到极限强度点后呈现非弹性变化。
2. 极限强度：岩石的极限强度是指在岩石试样受到最大应力时发生破坏的强度。
通过三轴压缩试验可以确定岩石的极限强度，并用于评估其抗压能力。
3. 应力应变曲线：应力应变曲线是描述岩石在三轴压缩过程中应力和应变关系的图像。
从应力应变曲线中可以获得岩石的变形特性和性能参数，如弹性模量、刚度等。
4. 强度参数的影响因素：岩石的三轴压缩强度受到多种因素的影响，如岩石的物理性质、孔隙率、围压大小、岩石结构和温度等。
岩石动三轴试验原理
岩石动三轴试验原理岩石动三轴试验是一种用来研究岩石力学性质的常用实验方法。
它通过对岩石样品施加不同的应力和应变条件，来模拟岩石在地质环境下的受力状态，以获得岩石的力学参数和变形特性。
试验装置主要由三轴压力机、应变仪和数据采集系统组成。
岩石样品通常为圆柱形，通过夹持装置固定在试验装置上。
在试验过程中，通过施加不同的压力和变形条件，可以模拟不同的地质条件，例如地下深部、岩体表面等。
岩石动三轴试验主要包括三个步骤：预应力、加载和卸载。
首先，通过施加预应力，使岩石样品达到一定的初始应力状态。
然后，根据设计要求，施加加载，即施加垂直于样品轴向的压力，使样品发生变形。
最后，进行卸载，即减小样品的应力，使其恢复到初始状态。
在试验过程中，通过应变仪测量岩石样品的应变值，并通过数据采集系统记录下加载和卸载的应力和应变数据。
根据这些数据，可以计算出岩石样品的力学参数，例如弹性模量、抗压强度、剪切强度等。
岩石动三轴试验原理基于岩石在地质条件下的受力特性。
岩石具有各向异性，即其力学性质在不同方向上具有差异。
因此，在试验过程中，需要对样品施加三个不同方向的应力，以模拟真实的受力状态。
这三个方向包括轴向（z方向）、径向（x、y方向）和周向（θ方向）。
在进行岩石动三轴试验时，需要考虑以下几个关键因素。
首先是样品的准备。
样品的几何形状和尺寸应符合试验要求，并且需要保证样品的质量和完整性。
其次是加载速率。
加载速率应适当选择，以保证试验结果的准确性和可靠性。
此外，还需要考虑试验的温度和湿度条件，以及岩石的孔隙率和饱和度等因素。
岩石动三轴试验可以用于研究不同类型的岩石，例如花岗岩、砂岩、页岩等。
通过分析试验结果，可以了解岩石的力学性质和变形特性，为地质工程和岩土工程提供重要的参考依据。
此外，岩石动三轴试验还可以用于研究岩石的破坏机理和断裂特征，对于预测地质灾害和开展地下工程具有重要意义。
岩石动三轴试验是一种用来研究岩石力学性质的重要方法。
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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。
试验实行全程计算机控制与分析，保证试验控制与数据采集的实时和精确。
（四）试样具体参数。
详见表1。
二、三轴实验结果
对于每个试块，钻取3个岩芯，在不同围压条件下进行三轴试验，记录轴向应变、径向应变随轴向载荷的变化规律，即得到岩芯的应力—应变全曲线。
对每块岩芯的应力应变全曲线进行处理，可得出岩石的弹性模量、泊松比和峰值强度。
对于不同掺量的岩心，在相同的围压下进行三轴实验记录，对每一组弹性模量进行对比。
人工取芯所得到的岩样无论地理位置、应力状态等的影响都会造成岩样的不均匀性差异，使得试块在宏观上具有非均质性，从而出现试验的差异，导致实验结果不仅与围压有关，而且还会随着岩样的差异而变化，有时岩样的离散性还有可能会掩盖围压的作用。
所以为了避免岩样的离散性对实验结果的影响，实验采用的是相同配比的人工岩心进行多级围压的三轴压缩实验。
从图1、图2中可以看出，砂岩的弹性模量随着围压的增大而相应的增大，岩样的峰值也不断提高，其他6个试块的实验也得出同样的结论。
主要是由于无论是天然岩心还是人工岩心，都会存在不同程度的内部裂缝，围压的增大有助于岩样内部裂缝的闭合，增大了岩石的刚
度，使得岩石不易发生变形。
从图1、图2中也可以明显地看出，砂岩的弹性模量随着围压的增大而增加，但是弹性模量随围压增大的趋势逐步变缓，其他6个试块的实验也得出同样的结论。
一般认为围压增大有助于岩样内部裂隙、空隙的闭合，增大了岩石刚度，岩样的弹性模量也就相应增大。
不过轴压对岩样内的裂隙也应该具有闭合作用，但恒定围压下岩样在初期压密之后，其后有一段很好的线性变形，其斜率随围压增加、而不随轴向应力的增加而增加。
作者认为围压对弹性模量的影响机理主要分为两个方面:
第一，由于围压的作用导致裂缝的密度变小，而裂缝密度的变化对弹性模量的影响可由前人研究的细观损失理论中的Taylor模型方法表示：
为含裂纹的基体材料的有效弹性模量、E为基体材料的弹性模量、V 为材料的泊松比、f为材料的裂隙密度参数。
从公式可明显看出，裂缝的密度越大岩石的弹性模量越小，反之越大。
第二，裂纹的不断闭合与裂纹面间的摩擦滑移作用影响了岩石的弹性模量，除了水平裂缝，围压可以促进岩石内部裂缝不断闭合，在轴向
压缩过程中，岩石可能发生摩擦滑移，裂缝的承载能力与围压成正比。
三、结论
通过研究分析可以得出如下结论与认识：
第一，在一定范围内，围压的增加有助于岩石裂缝的闭合，增大岩石的刚度。
第二，岩石的弹性模量随着围压的增加而增加，达到一定强度时增加趋势量逐渐平缓。
第三，岩石弹性模量的增加是由于岩石内部存在微小裂缝，因围压增大，使裂隙的承载能力提高，其滑移因受到摩擦力的抑制而减小，岩样的弹性模量得以提高。
【参考文献】
［1］尤明庆.岩石试样的杨氏模量与围压的关系［J］.岩石力学与工程学报，2003（1）
［2］尤明庆，苏承东.岩石的非均质性与杨氏模量的确定方法［J］.岩石力学与工程学报，2003（5）
［3］NelsonRA.关于实验室内近似模拟地下埋藏的应力状态的讨论［G］//卡特NL．地壳岩石的力学性状.北京：地质出版社，1989:162-170 ［4］孟召平，彭苏萍，张慎河.不同成岩作用程度砂岩物理力学性质。