農(nóng)榮+農(nóng)漪

【摘要】彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)，可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。通過研究砂巖彈性模量，對(duì)不同摻量、不同圍壓對(duì)砂巖的彈性模量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，找出其規(guī)律和特征，為巖土工程的結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】砂巖彈性模量三軸實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）06C-0185-02

彈性模量工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子和分子之間鍵合強(qiáng)度的反映，是巖石材料的重要參數(shù)，通常利用圓柱試樣的單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線確定，但是巖石是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的固體材料，巖體在自然界一般處于三維應(yīng)力狀態(tài)，因此三軸試驗(yàn)是研究巖石力學(xué)性質(zhì)的重要手段。

隨著大量復(fù)雜巖土工程的建設(shè)，對(duì)巖土工程的強(qiáng)度與安全穩(wěn)定的要求越來越高，本文將對(duì)不同摻量、不同圍壓下的砂巖進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)，分析了圍壓與砂巖彈性模量關(guān)系，期望為今后巖土工程的結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)指導(dǎo)。

一、實(shí)驗(yàn)概況

（一）主要儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)儀器采用HSZY-80型巖石三軸試驗(yàn)儀，儀器由以下組成：

1.巖石軸向加載系統(tǒng)。

2.巖石引伸計(jì)、高低溫系統(tǒng)、數(shù)字式聲波分析系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

（二）實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1.試塊準(zhǔn)備：對(duì)不同砂率的制作70mm×70mm×70mm的試塊。

2.試樣制備：采用人工試塊通過人工取芯，加工成2.5cm×5.0cm的小巖芯，兩端面在磨平機(jī)上磨平。

3.試樣安裝：將試樣放入壓力機(jī)三軸室后，用橡膠套密封，防止液體浸入巖樣內(nèi)部。然后安裝壓力板和壓機(jī)的其他部件。為了保證壓力板向試樣表面的均勻加載，在壓力板與試樣之間放置一個(gè)橡膠墊片。

4.試樣加載：試樣安裝完畢后，由液壓穩(wěn)壓源施加三向圍壓。

在不同圍壓水平下加載直到試樣破壞，從而測(cè)定巖芯在不同圍壓條件下的縱橫向應(yīng)變、峰值力，計(jì)算出巖石靜態(tài)彈性力學(xué)參數(shù)。

（三）數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件記錄數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、軸向應(yīng)力、軸向位移、圍壓、徑向膨脹量、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變，對(duì)上述有的數(shù)據(jù)作簡單計(jì)算，直接作圖。試驗(yàn)實(shí)行全程計(jì)算機(jī)控制與分析，保證試驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)和精確。

（四）試樣具體參數(shù)。詳見表1。

表1試樣參數(shù)

試塊參數(shù) 加砂比例 砂+泥比例 泥砂比例 溫度 圍壓1 圍壓2 圍壓3

1 69.40% 室溫 25MP 30MP 35MP

2 68.00% 室溫 25MP 30MP 35MP

3 64.50% 室溫 25MP 30MP 35MP

4 75.00% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

5 73.50% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

6 72.40% 0.054 室溫 25MP 30MP 35MP

7 71.20% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

8 70.2% 0.054 室溫 25MP 30MP 35MP

注：試塊1、2、3為減水劑的摻量為水泥的1.8%，試塊不加入泥的砂巖。試塊4、5、6、7、8、為減水劑的摻量為水泥的1.8%，試塊加入5%的含泥質(zhì)砂巖。

二、三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于每個(gè)試塊，鉆取3個(gè)巖芯，在不同圍壓條件下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，記錄軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變隨軸向載荷的變化規(guī)律，即得到巖芯的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€。對(duì)每塊巖芯的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行處理，可得出巖石的彈性模量、泊松比和峰值強(qiáng)度。對(duì)于不同摻量的巖心，在相同的圍壓下進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)記錄，對(duì)每一組彈性模量進(jìn)行對(duì)比。

人工取芯所得到的巖樣無論地理位置、應(yīng)力狀態(tài)等的影響都會(huì)造成巖樣的不均勻性差異，使得試塊在宏觀上具有非均質(zhì)性，從而出現(xiàn)試驗(yàn)的差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅與圍壓有關(guān)，而且還會(huì)隨著巖樣的差異而變化，有時(shí)巖樣的離散性還有可能會(huì)掩蓋圍壓的作用。

所以為了避免巖樣的離散性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)采用的是相同配比的人工巖心進(jìn)行多級(jí)圍壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

表2試塊1數(shù)據(jù)

巖心號(hào) 直徑（mm） 高度（mm） 密度（g／cm2） 圍壓mp 峰值強(qiáng)度MPa

1-1 25.14 54.22 2.10 25 90.961

1-2 25.24 53.68 2.11 30 92.965

1-3 25.28 55.16 2.14 35 98.095

圖1 試塊1在不同圍壓下應(yīng)力—應(yīng)變圖

表3 試塊2數(shù)據(jù)

巖心號(hào) 直徑（mm） 高度（mm） 密度（g／cm2） 圍壓mp 峰值強(qiáng)度MPa

2-1 25.2 51.66 2.03 25 92.109

2-2 25.2 51.2 2.00 30 93.350

2-3 25.16 53.8 2.03 35 104.422

圖2試塊2在不同圍壓下應(yīng)力—應(yīng)變圖

從圖1、圖2中可以看出，砂巖的彈性模量隨著圍壓的增大而相應(yīng)的增大，巖樣的峰值也不斷提高，其他6個(gè)試塊的實(shí)驗(yàn)也得出同樣的結(jié)論。主要是由于無論是天然巖心還是人工巖心，都會(huì)存在不同程度的內(nèi)部裂縫，圍壓的增大有助于巖樣內(nèi)部裂縫的閉合，增大了巖石的剛度，使得巖石不易發(fā)生變形。

從圖1、圖2中也可以明顯地看出，砂巖的彈性模量隨著圍壓的增大而增加，但是彈性模量隨圍壓增大的趨勢(shì)逐步變緩，其他6個(gè)試塊的實(shí)驗(yàn)也得出同樣的結(jié)論。

一般認(rèn)為圍壓增大有助于巖樣內(nèi)部裂隙、空隙的閉合，增大了巖石剛度，巖樣的彈性模量也就相應(yīng)增大。不過軸壓對(duì)巖樣內(nèi)的裂隙也應(yīng)該具有閉合作用，但恒定圍壓下巖樣在初期壓密之后，其后有一段很好的線性變形，其斜率隨圍壓增加、而不隨軸向應(yīng)力的增加而增加。作者認(rèn)為圍壓對(duì)彈性模量的影響機(jī)理主要分為兩個(gè)方面:

第一，由于圍壓的作用導(dǎo)致裂縫的密度變小，而裂縫密度的變化對(duì)彈性模量的影響可由前人研究的細(xì)觀損失理論中的Taylor 模型方法表示：

（1）

式中為含裂紋的基體材料的有效彈性模量、E為基體材料的彈性模量、V為材料的泊松比、f為材料的裂隙密度參數(shù)。從公式可明顯看出，裂縫的密度越大巖石的彈性模量越小，反之越大。

第二，裂紋的不斷閉合與裂紋面間的摩擦滑移作用影響了巖石的彈性模量，除了水平裂縫，圍壓可以促進(jìn)巖石內(nèi)部裂縫不斷閉合，在軸向壓縮過程中，巖石可能發(fā)生摩擦滑移，裂縫的承載能力與圍壓成正比。

三、結(jié)論

通過研究分析可以得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

第一，在一定范圍內(nèi)，圍壓的增加有助于巖石裂縫的閉合，增大巖石的剛度。

第二，巖石的彈性模量隨著圍壓的增加而增加，達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)增加趨勢(shì)量逐漸平緩。

第三，巖石彈性模量的增加是由于巖石內(nèi)部存在微小裂縫，因圍壓增大，使裂隙的承載能力提高，其滑移因受到摩擦力的抑制而減小，巖樣的彈性模量得以提高。

【參考文獻(xiàn)】

［1］尤明慶.巖石試樣的楊氏模量與圍壓的關(guān)系［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（1）

［2］尤明慶，蘇承東.巖石的非均質(zhì)性與楊氏模量的確定方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（5）

［3］Nelson R A. 關(guān)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)近似模擬地下埋藏的應(yīng)力狀態(tài)的討論［G］//卡特N L ．地殼巖石的力學(xué)性狀.北京：地質(zhì)出版社，1989:162-170

［4］孟召平，彭蘇萍，張慎河.不同成巖作用程度砂巖物理力學(xué)性質(zhì)三軸試驗(yàn)研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2003（2）

［5］尤明慶.巖樣三軸壓縮的破壞形式和Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2002（2）

［6］張流，王繩祖，施良騏. 我國六種巖石在高圍壓下的強(qiáng)度特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1985（1）

［7］劉維國，單鈺銘，徐國盛，等. 加溫三軸試驗(yàn)中砂巖的微裂紋與橫波速度［J］. 成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（4）

［8］沈明榮，石振明，張雷.不同加栽路徑對(duì)巖石變形持性的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（8）

［9］耶格J C ，庫克N G W. 巖石力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，1981:404-422

［10］尤明慶，蘇承東，徐濤.巖石試樣的加載卸載過程及楊氏模量［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001（5）

［11］孟召平，彭蘇萍，凌標(biāo)燦.不同側(cè)壓下沉積巖石變形與強(qiáng)度特征［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000（1）

（責(zé)編黎原）

【摘要】彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)，可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。通過研究砂巖彈性模量，對(duì)不同摻量、不同圍壓對(duì)砂巖的彈性模量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，找出其規(guī)律和特征，為巖土工程的結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】砂巖彈性模量三軸實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）06C-0185-02

彈性模量工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子和分子之間鍵合強(qiáng)度的反映，是巖石材料的重要參數(shù)，通常利用圓柱試樣的單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線確定，但是巖石是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的固體材料，巖體在自然界一般處于三維應(yīng)力狀態(tài)，因此三軸試驗(yàn)是研究巖石力學(xué)性質(zhì)的重要手段。

隨著大量復(fù)雜巖土工程的建設(shè)，對(duì)巖土工程的強(qiáng)度與安全穩(wěn)定的要求越來越高，本文將對(duì)不同摻量、不同圍壓下的砂巖進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)，分析了圍壓與砂巖彈性模量關(guān)系，期望為今后巖土工程的結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)指導(dǎo)。

一、實(shí)驗(yàn)概況

（一）主要儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)儀器采用HSZY-80型巖石三軸試驗(yàn)儀，儀器由以下組成：

1.巖石軸向加載系統(tǒng)。

2.巖石引伸計(jì)、高低溫系統(tǒng)、數(shù)字式聲波分析系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

（二）實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1.試塊準(zhǔn)備：對(duì)不同砂率的制作70mm×70mm×70mm的試塊。

2.試樣制備：采用人工試塊通過人工取芯，加工成2.5cm×5.0cm的小巖芯，兩端面在磨平機(jī)上磨平。

3.試樣安裝：將試樣放入壓力機(jī)三軸室后，用橡膠套密封，防止液體浸入巖樣內(nèi)部。然后安裝壓力板和壓機(jī)的其他部件。為了保證壓力板向試樣表面的均勻加載，在壓力板與試樣之間放置一個(gè)橡膠墊片。

4.試樣加載：試樣安裝完畢后，由液壓穩(wěn)壓源施加三向圍壓。

在不同圍壓水平下加載直到試樣破壞，從而測(cè)定巖芯在不同圍壓條件下的縱橫向應(yīng)變、峰值力，計(jì)算出巖石靜態(tài)彈性力學(xué)參數(shù)。

（三）數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件記錄數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、軸向應(yīng)力、軸向位移、圍壓、徑向膨脹量、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變，對(duì)上述有的數(shù)據(jù)作簡單計(jì)算，直接作圖。試驗(yàn)實(shí)行全程計(jì)算機(jī)控制與分析，保證試驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)和精確。

（四）試樣具體參數(shù)。詳見表1。

表1試樣參數(shù)

試塊參數(shù) 加砂比例 砂+泥比例 泥砂比例 溫度 圍壓1 圍壓2 圍壓3

1 69.40% 室溫 25MP 30MP 35MP

2 68.00% 室溫 25MP 30MP 35MP

3 64.50% 室溫 25MP 30MP 35MP

4 75.00% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

5 73.50% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

6 72.40% 0.054 室溫 25MP 30MP 35MP

7 71.20% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

8 70.2% 0.054 室溫 25MP 30MP 35MP

注：試塊1、2、3為減水劑的摻量為水泥的1.8%，試塊不加入泥的砂巖。試塊4、5、6、7、8、為減水劑的摻量為水泥的1.8%，試塊加入5%的含泥質(zhì)砂巖。

二、三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于每個(gè)試塊，鉆取3個(gè)巖芯，在不同圍壓條件下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，記錄軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變隨軸向載荷的變化規(guī)律，即得到巖芯的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€。對(duì)每塊巖芯的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行處理，可得出巖石的彈性模量、泊松比和峰值強(qiáng)度。對(duì)于不同摻量的巖心，在相同的圍壓下進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)記錄，對(duì)每一組彈性模量進(jìn)行對(duì)比。

人工取芯所得到的巖樣無論地理位置、應(yīng)力狀態(tài)等的影響都會(huì)造成巖樣的不均勻性差異，使得試塊在宏觀上具有非均質(zhì)性，從而出現(xiàn)試驗(yàn)的差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅與圍壓有關(guān)，而且還會(huì)隨著巖樣的差異而變化，有時(shí)巖樣的離散性還有可能會(huì)掩蓋圍壓的作用。

所以為了避免巖樣的離散性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)采用的是相同配比的人工巖心進(jìn)行多級(jí)圍壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

表2試塊1數(shù)據(jù)

巖心號(hào) 直徑（mm） 高度（mm） 密度（g／cm2） 圍壓mp 峰值強(qiáng)度MPa

1-1 25.14 54.22 2.10 25 90.961

1-2 25.24 53.68 2.11 30 92.965

1-3 25.28 55.16 2.14 35 98.095

圖1 試塊1在不同圍壓下應(yīng)力—應(yīng)變圖

表3 試塊2數(shù)據(jù)

巖心號(hào) 直徑（mm） 高度（mm） 密度（g／cm2） 圍壓mp 峰值強(qiáng)度MPa

2-1 25.2 51.66 2.03 25 92.109

2-2 25.2 51.2 2.00 30 93.350

2-3 25.16 53.8 2.03 35 104.422

圖2試塊2在不同圍壓下應(yīng)力—應(yīng)變圖

從圖1、圖2中可以看出，砂巖的彈性模量隨著圍壓的增大而相應(yīng)的增大，巖樣的峰值也不斷提高，其他6個(gè)試塊的實(shí)驗(yàn)也得出同樣的結(jié)論。主要是由于無論是天然巖心還是人工巖心，都會(huì)存在不同程度的內(nèi)部裂縫，圍壓的增大有助于巖樣內(nèi)部裂縫的閉合，增大了巖石的剛度，使得巖石不易發(fā)生變形。

從圖1、圖2中也可以明顯地看出，砂巖的彈性模量隨著圍壓的增大而增加，但是彈性模量隨圍壓增大的趨勢(shì)逐步變緩，其他6個(gè)試塊的實(shí)驗(yàn)也得出同樣的結(jié)論。

一般認(rèn)為圍壓增大有助于巖樣內(nèi)部裂隙、空隙的閉合，增大了巖石剛度，巖樣的彈性模量也就相應(yīng)增大。不過軸壓對(duì)巖樣內(nèi)的裂隙也應(yīng)該具有閉合作用，但恒定圍壓下巖樣在初期壓密之后，其后有一段很好的線性變形，其斜率隨圍壓增加、而不隨軸向應(yīng)力的增加而增加。作者認(rèn)為圍壓對(duì)彈性模量的影響機(jī)理主要分為兩個(gè)方面:

第一，由于圍壓的作用導(dǎo)致裂縫的密度變小，而裂縫密度的變化對(duì)彈性模量的影響可由前人研究的細(xì)觀損失理論中的Taylor 模型方法表示：

（1）

式中為含裂紋的基體材料的有效彈性模量、E為基體材料的彈性模量、V為材料的泊松比、f為材料的裂隙密度參數(shù)。從公式可明顯看出，裂縫的密度越大巖石的彈性模量越小，反之越大。

第二，裂紋的不斷閉合與裂紋面間的摩擦滑移作用影響了巖石的彈性模量，除了水平裂縫，圍壓可以促進(jìn)巖石內(nèi)部裂縫不斷閉合，在軸向壓縮過程中，巖石可能發(fā)生摩擦滑移，裂縫的承載能力與圍壓成正比。

三、結(jié)論

通過研究分析可以得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

第一，在一定范圍內(nèi)，圍壓的增加有助于巖石裂縫的閉合，增大巖石的剛度。

第二，巖石的彈性模量隨著圍壓的增加而增加，達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)增加趨勢(shì)量逐漸平緩。

第三，巖石彈性模量的增加是由于巖石內(nèi)部存在微小裂縫，因圍壓增大，使裂隙的承載能力提高，其滑移因受到摩擦力的抑制而減小，巖樣的彈性模量得以提高。

【參考文獻(xiàn)】

［1］尤明慶.巖石試樣的楊氏模量與圍壓的關(guān)系［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（1）

［2］尤明慶，蘇承東.巖石的非均質(zhì)性與楊氏模量的確定方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（5）

［3］Nelson R A. 關(guān)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)近似模擬地下埋藏的應(yīng)力狀態(tài)的討論［G］//卡特N L ．地殼巖石的力學(xué)性狀.北京：地質(zhì)出版社，1989:162-170

［4］孟召平，彭蘇萍，張慎河.不同成巖作用程度砂巖物理力學(xué)性質(zhì)三軸試驗(yàn)研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2003（2）

［5］尤明慶.巖樣三軸壓縮的破壞形式和Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2002（2）

［6］張流，王繩祖，施良騏. 我國六種巖石在高圍壓下的強(qiáng)度特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1985（1）

［7］劉維國，單鈺銘，徐國盛，等. 加溫三軸試驗(yàn)中砂巖的微裂紋與橫波速度［J］. 成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（4）

［8］沈明榮，石振明，張雷.不同加栽路徑對(duì)巖石變形持性的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（8）

［9］耶格J C ，庫克N G W. 巖石力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，1981:404-422

［10］尤明慶，蘇承東，徐濤.巖石試樣的加載卸載過程及楊氏模量［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001（5）

［11］孟召平，彭蘇萍，凌標(biāo)燦.不同側(cè)壓下沉積巖石變形與強(qiáng)度特征［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000（1）

（責(zé)編黎原）

【摘要】彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)，可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。通過研究砂巖彈性模量，對(duì)不同摻量、不同圍壓對(duì)砂巖的彈性模量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，找出其規(guī)律和特征，為巖土工程的結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】砂巖彈性模量三軸實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）06C-0185-02

彈性模量工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子和分子之間鍵合強(qiáng)度的反映，是巖石材料的重要參數(shù)，通常利用圓柱試樣的單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線確定，但是巖石是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的固體材料，巖體在自然界一般處于三維應(yīng)力狀態(tài)，因此三軸試驗(yàn)是研究巖石力學(xué)性質(zhì)的重要手段。

隨著大量復(fù)雜巖土工程的建設(shè)，對(duì)巖土工程的強(qiáng)度與安全穩(wěn)定的要求越來越高，本文將對(duì)不同摻量、不同圍壓下的砂巖進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)，分析了圍壓與砂巖彈性模量關(guān)系，期望為今后巖土工程的結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)指導(dǎo)。

一、實(shí)驗(yàn)概況

（一）主要儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)儀器采用HSZY-80型巖石三軸試驗(yàn)儀，儀器由以下組成：

1.巖石軸向加載系統(tǒng)。

2.巖石引伸計(jì)、高低溫系統(tǒng)、數(shù)字式聲波分析系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

（二）實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1.試塊準(zhǔn)備：對(duì)不同砂率的制作70mm×70mm×70mm的試塊。

2.試樣制備：采用人工試塊通過人工取芯，加工成2.5cm×5.0cm的小巖芯，兩端面在磨平機(jī)上磨平。

3.試樣安裝：將試樣放入壓力機(jī)三軸室后，用橡膠套密封，防止液體浸入巖樣內(nèi)部。然后安裝壓力板和壓機(jī)的其他部件。為了保證壓力板向試樣表面的均勻加載，在壓力板與試樣之間放置一個(gè)橡膠墊片。

4.試樣加載：試樣安裝完畢后，由液壓穩(wěn)壓源施加三向圍壓。

在不同圍壓水平下加載直到試樣破壞，從而測(cè)定巖芯在不同圍壓條件下的縱橫向應(yīng)變、峰值力，計(jì)算出巖石靜態(tài)彈性力學(xué)參數(shù)。

（三）數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件記錄數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、軸向應(yīng)力、軸向位移、圍壓、徑向膨脹量、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變，對(duì)上述有的數(shù)據(jù)作簡單計(jì)算，直接作圖。試驗(yàn)實(shí)行全程計(jì)算機(jī)控制與分析，保證試驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)和精確。

（四）試樣具體參數(shù)。詳見表1。

表1試樣參數(shù)

試塊參數(shù) 加砂比例 砂+泥比例 泥砂比例 溫度 圍壓1 圍壓2 圍壓3

1 69.40% 室溫 25MP 30MP 35MP

2 68.00% 室溫 25MP 30MP 35MP

3 64.50% 室溫 25MP 30MP 35MP

4 75.00% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

5 73.50% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

6 72.40% 0.054 室溫 25MP 30MP 35MP

7 71.20% 0.055 室溫 25MP 30MP 35MP

8 70.2% 0.054 室溫 25MP 30MP 35MP

注：試塊1、2、3為減水劑的摻量為水泥的1.8%，試塊不加入泥的砂巖。試塊4、5、6、7、8、為減水劑的摻量為水泥的1.8%，試塊加入5%的含泥質(zhì)砂巖。

二、三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于每個(gè)試塊，鉆取3個(gè)巖芯，在不同圍壓條件下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，記錄軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變隨軸向載荷的變化規(guī)律，即得到巖芯的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€。對(duì)每塊巖芯的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行處理，可得出巖石的彈性模量、泊松比和峰值強(qiáng)度。對(duì)于不同摻量的巖心，在相同的圍壓下進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)記錄，對(duì)每一組彈性模量進(jìn)行對(duì)比。

人工取芯所得到的巖樣無論地理位置、應(yīng)力狀態(tài)等的影響都會(huì)造成巖樣的不均勻性差異，使得試塊在宏觀上具有非均質(zhì)性，從而出現(xiàn)試驗(yàn)的差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅與圍壓有關(guān)，而且還會(huì)隨著巖樣的差異而變化，有時(shí)巖樣的離散性還有可能會(huì)掩蓋圍壓的作用。

所以為了避免巖樣的離散性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)采用的是相同配比的人工巖心進(jìn)行多級(jí)圍壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

表2試塊1數(shù)據(jù)

巖心號(hào) 直徑（mm） 高度（mm） 密度（g／cm2） 圍壓mp 峰值強(qiáng)度MPa

1-1 25.14 54.22 2.10 25 90.961

1-2 25.24 53.68 2.11 30 92.965

1-3 25.28 55.16 2.14 35 98.095

圖1 試塊1在不同圍壓下應(yīng)力—應(yīng)變圖

表3 試塊2數(shù)據(jù)

巖心號(hào) 直徑（mm） 高度（mm） 密度（g／cm2） 圍壓mp 峰值強(qiáng)度MPa

2-1 25.2 51.66 2.03 25 92.109

2-2 25.2 51.2 2.00 30 93.350

2-3 25.16 53.8 2.03 35 104.422

圖2試塊2在不同圍壓下應(yīng)力—應(yīng)變圖

從圖1、圖2中可以看出，砂巖的彈性模量隨著圍壓的增大而相應(yīng)的增大，巖樣的峰值也不斷提高，其他6個(gè)試塊的實(shí)驗(yàn)也得出同樣的結(jié)論。主要是由于無論是天然巖心還是人工巖心，都會(huì)存在不同程度的內(nèi)部裂縫，圍壓的增大有助于巖樣內(nèi)部裂縫的閉合，增大了巖石的剛度，使得巖石不易發(fā)生變形。

從圖1、圖2中也可以明顯地看出，砂巖的彈性模量隨著圍壓的增大而增加，但是彈性模量隨圍壓增大的趨勢(shì)逐步變緩，其他6個(gè)試塊的實(shí)驗(yàn)也得出同樣的結(jié)論。

一般認(rèn)為圍壓增大有助于巖樣內(nèi)部裂隙、空隙的閉合，增大了巖石剛度，巖樣的彈性模量也就相應(yīng)增大。不過軸壓對(duì)巖樣內(nèi)的裂隙也應(yīng)該具有閉合作用，但恒定圍壓下巖樣在初期壓密之后，其后有一段很好的線性變形，其斜率隨圍壓增加、而不隨軸向應(yīng)力的增加而增加。作者認(rèn)為圍壓對(duì)彈性模量的影響機(jī)理主要分為兩個(gè)方面:

第一，由于圍壓的作用導(dǎo)致裂縫的密度變小，而裂縫密度的變化對(duì)彈性模量的影響可由前人研究的細(xì)觀損失理論中的Taylor 模型方法表示：

（1）

式中為含裂紋的基體材料的有效彈性模量、E為基體材料的彈性模量、V為材料的泊松比、f為材料的裂隙密度參數(shù)。從公式可明顯看出，裂縫的密度越大巖石的彈性模量越小，反之越大。

第二，裂紋的不斷閉合與裂紋面間的摩擦滑移作用影響了巖石的彈性模量，除了水平裂縫，圍壓可以促進(jìn)巖石內(nèi)部裂縫不斷閉合，在軸向壓縮過程中，巖石可能發(fā)生摩擦滑移，裂縫的承載能力與圍壓成正比。

三、結(jié)論

通過研究分析可以得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

第一，在一定范圍內(nèi)，圍壓的增加有助于巖石裂縫的閉合，增大巖石的剛度。

第二，巖石的彈性模量隨著圍壓的增加而增加，達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)增加趨勢(shì)量逐漸平緩。

第三，巖石彈性模量的增加是由于巖石內(nèi)部存在微小裂縫，因圍壓增大，使裂隙的承載能力提高，其滑移因受到摩擦力的抑制而減小，巖樣的彈性模量得以提高。

【參考文獻(xiàn)】

［1］尤明慶.巖石試樣的楊氏模量與圍壓的關(guān)系［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（1）

［2］尤明慶，蘇承東.巖石的非均質(zhì)性與楊氏模量的確定方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（5）

［3］Nelson R A. 關(guān)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)近似模擬地下埋藏的應(yīng)力狀態(tài)的討論［G］//卡特N L ．地殼巖石的力學(xué)性狀.北京：地質(zhì)出版社，1989:162-170

［4］孟召平，彭蘇萍，張慎河.不同成巖作用程度砂巖物理力學(xué)性質(zhì)三軸試驗(yàn)研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2003（2）

［5］尤明慶.巖樣三軸壓縮的破壞形式和Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2002（2）

［6］張流，王繩祖，施良騏. 我國六種巖石在高圍壓下的強(qiáng)度特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1985（1）

［7］劉維國，單鈺銘，徐國盛，等. 加溫三軸試驗(yàn)中砂巖的微裂紋與橫波速度［J］. 成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（4）

［8］沈明榮，石振明，張雷.不同加栽路徑對(duì)巖石變形持性的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（8）

［9］耶格J C ，庫克N G W. 巖石力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，1981:404-422

［10］尤明慶，蘇承東，徐濤.巖石試樣的加載卸載過程及楊氏模量［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001（5）

［11］孟召平，彭蘇萍，凌標(biāo)燦.不同側(cè)壓下沉積巖石變形與強(qiáng)度特征［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000（1）

（責(zé)編黎原）