蒲 誠(chéng)，陳蘊(yùn)生，周 沖，李光明

(西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)具有能夠嚴(yán)格控制試驗(yàn)環(huán)境的條件、排除次要的影響因素、花費(fèi)耗材相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn)，因此是了解巖石力學(xué)特性的重要途徑。隨著科技的發(fā)展，巖石室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與儀器設(shè)備也在不斷的更新?lián)Q代。

我國(guó)巖石力學(xué)的室內(nèi)試驗(yàn)起步較晚，20世紀(jì)50年代以后，巖石力學(xué)首先在水利水電系統(tǒng)引起了重視。1964年，由長(zhǎng)江科學(xué)院與長(zhǎng)春材料試驗(yàn)機(jī)廠共同研制成長(zhǎng)江—500型巖石三軸試驗(yàn)機(jī)。到80年代，長(zhǎng)沙礦冶研究院在普通液壓材料試驗(yàn)機(jī)通過加上剛性組件制成剛性試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行了巖石單軸壓縮試驗(yàn)全過程。但是，由于剛性試驗(yàn)機(jī)不能夠控制變量，人們很難得到準(zhǔn)確的巖石曲線。20世紀(jì)80年代中期至90年代，地質(zhì)力學(xué)研究所以及中科院武漢巖土所分別研制出電液剛性伺服性試驗(yàn)機(jī)[1]。隨著剛性伺服試驗(yàn)機(jī)的普及，人們意識(shí)到，最合適的試驗(yàn)方法應(yīng)該是控制巖石變形速率，對(duì)于不同強(qiáng)度的巖石，只有在同一個(gè)應(yīng)變速率下進(jìn)行試驗(yàn)，才具有真正的可比性[2]，于是，巖石室內(nèi)試驗(yàn)的加載方式也由負(fù)荷加載逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰萍虞d與位移-負(fù)荷加載。眾多學(xué)者[3-11]的研究成果表明，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與加載速率有關(guān)，加載速率越大，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度越大，但是，相關(guān)規(guī)范[12-15]中僅指出巖石的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)以0.5 MPa/s～1.0 MPa/s的負(fù)荷速度加載直至試件破壞，并未給出明確的位移加載速率，且對(duì)于巖石室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)位移加載速率的研究也較為少見，僅有李蕊等[16]通過對(duì)秭歸縣馬家溝滑坡中粉砂質(zhì)泥巖開展三軸壓縮試驗(yàn),分析了在位移加載和負(fù)荷加載兩種加載方式下巖石的變形破壞特征。

本文通過控制負(fù)荷加載速率不變，改變位移加載速率的方式，通過比較不同位移加載速率與規(guī)范中規(guī)定的負(fù)荷加載速率對(duì)類巖石試件峰值強(qiáng)度、破壞方式的影響，提出了巖石力學(xué)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)位移加載速率的合理范圍，對(duì)于工程以及科學(xué)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

圖1 類巖石試件圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載條件

如圖2所示，采用WDT—1500大型多功能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)；采用軸向引伸計(jì)量測(cè)試件軸向變形，環(huán)向引伸計(jì)量測(cè)試件環(huán)向變形。位移加載速率分別為0.005 mm/s、0.01 mm/s、0.02 mm/s、0.05 mm/s、0.1 mm/s、0.2 mm/s，負(fù)荷加載速率為0.5 MPa/s。試件兩端涂抹少量潤(rùn)滑油減少端部摩擦力的影響。

圖2 WDT—1500大型多功能材料試驗(yàn)機(jī)

同時(shí)，為了保持試樣的均一性，利用圖3所示的RSM-SY5智能聲波檢測(cè)儀選取波速相近的類巖石試件，每種加載速率進(jìn)行5個(gè)平行試驗(yàn)，去除最大值和最小值，取剩余3個(gè)類巖石試件峰值強(qiáng)度的平均值為最終的峰值強(qiáng)度。

圖3 RSM-SY5智能聲波檢測(cè)儀

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖4、圖5顯示了負(fù)荷加載以及不同位移加載速率下的類巖石試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4、圖5可知，試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服以及峰后破壞這四個(gè)階段。在壓密變形階階段，試件中原有的孔隙被壓密，應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的速率較為緩慢；隨著應(yīng)力的增加，試件進(jìn)入彈性變形階段，在彈性變形階段，試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)符合廣義胡克定律的直線型增長(zhǎng)；隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，試件進(jìn)入屈服階段，在屈這一階段，試件的變形由彈性變形逐漸轉(zhuǎn)換為彈塑性混合變形，由于壓應(yīng)力導(dǎo)致的裂隙尖端的應(yīng)力集中超過了試件的起裂應(yīng)力，試件內(nèi)部本身存在的微裂隙之間逐漸貫通，最終導(dǎo)致試件的破壞。

圖4 類巖石試件1應(yīng)力-應(yīng)變圖

圖5類巖石試件2應(yīng)力-應(yīng)變圖

觀察圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，位移加載和負(fù)荷加載兩種控制方式得到的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線均具有良好的線性特征，其主要區(qū)別在于壓密段和屈服段。對(duì)試件1采用負(fù)荷加載時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線型增長(zhǎng)，巖石的壓密區(qū)以及屈服階段都不能被很好的反映。對(duì)于試件1采用位移加載時(shí)，由于控制了應(yīng)變，試件的壓密階段以及屈服階段能被很好的反映，試件的破壞過程呈現(xiàn)明顯的彈塑性特征；對(duì)試件2采用負(fù)荷加載時(shí)，巖石的壓密段較為明顯，但巖石的屈服階段依舊不能被很好的反映，對(duì)試件2采用位移加載時(shí)，試件2的壓密階段以及屈服階段均被很好的反映。

2.2 峰值強(qiáng)度-加載速率關(guān)系

表2為類巖石試件位移加載得到的峰值強(qiáng)度。通過負(fù)荷加載得到的類巖石試件1、類巖石試件2的強(qiáng)度分別為12.18 MPa和18.43 MPa，定義通過不同位移加載得到的峰值強(qiáng)度與通過負(fù)荷加載得到的峰值強(qiáng)度的差值為強(qiáng)度差值。圖6為類巖石試件的強(qiáng)度差值與位移加載速率之間的關(guān)系曲線。

表2 類巖石試件峰值強(qiáng)度

圖6類巖石試件1應(yīng)力-位移加載速率曲線

通過圖6可以觀察到，類巖石試件的峰值強(qiáng)度隨著加載速率的增大而增大，當(dāng)位移加載速率小于0.01 mm/s時(shí)，類巖石試件的通過位移加載得到的峰值強(qiáng)度小于通過負(fù)荷加載得到的峰值強(qiáng)度；當(dāng)位移加載速率在0.02 mm/s～0.10 mm/s時(shí)，通過位移加載得到的峰值強(qiáng)度與通過負(fù)荷加載得到的峰值強(qiáng)度極為接近，在這一區(qū)間內(nèi)，位移加載速率對(duì)試件峰值強(qiáng)度的影響較小，即隨著位移加載速率的增大，試件的峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢；當(dāng)位移加載速率超過0.05 mm/s之后，通過位移加載得到的類巖石試件的峰值強(qiáng)度大于通過負(fù)荷加載得到的類巖石試件的峰值強(qiáng)度，并且隨著位移加載速率的增大，這種差值越來越大。

2.3 不同加載速率的破壞模式分析

圖7是兩種類巖石試件破壞形態(tài)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用位移加載時(shí)，類巖石試樣的破壞主要以壓裂破壞為主，試件產(chǎn)生縱向的壓裂紋致使承載力喪失，試件破壞。當(dāng)位移加載速率為0.005 mm/s時(shí)，類巖石試樣的破壞以膠結(jié)物之間沿著內(nèi)部缺陷的微小錯(cuò)動(dòng)為主，試件表面并沒有形成顯著的裂紋，裂隙貫通較為緩慢，破壞后的試樣仍能保持其原有形狀。隨著加載速率的增大，當(dāng)位移加載速率在0.1 mm/s～0.2 mm/s時(shí)，裂隙貫穿極為迅速，試件表面形成顯著破壞裂隙，試件的破壞以塊體的相對(duì)滑動(dòng)為主，呈明顯的脆性破壞特征，破壞后的試件不能保持其原有形狀；相對(duì)于位移加載，負(fù)荷加載試件的初始破壞階段較為緩慢，但隨著負(fù)荷逐漸增大，裂隙迅速貫穿，到達(dá)峰值強(qiáng)度之后，試樣峰后強(qiáng)度迅速跌落，試件的破壞不僅有壓裂破壞，還有塊體滑移所產(chǎn)生的剪切破壞，試件的破壞較為劇烈，破壞后的試件不能保持其原有形狀。

圖7類巖石試件破壞圖

3 結(jié) 論

(1) 加載速率對(duì)巖石的峰值強(qiáng)度影響較大，當(dāng)加載速率較小時(shí)，類巖石試件巖石的峰值強(qiáng)度較小，隨著加載速率的增大，類巖石試件的峰值強(qiáng)度逐漸增大。

(2) 類巖石試件越是軟弱，用位移加載方式越能更好的反應(yīng)類巖石試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的壓密段、屈服階段以及峰后變形破壞階段。并且位移加載能更好的控制類巖石試件峰后段的加載速率，更清晰的反應(yīng)類巖石試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得到全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(3) 通過對(duì)不同位移加載速率下與《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)、《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5368—2007)等規(guī)范所規(guī)定的負(fù)荷加載速率下所得到的類巖石試件峰值強(qiáng)度、以及破壞模式的分析，發(fā)現(xiàn)位移加載速率在0.02 mm/s～0.05 mm/s之間時(shí)，位移加載得到試件的力學(xué)性能與規(guī)范規(guī)定的負(fù)荷加載速率最為接近。對(duì)于不同強(qiáng)度試件的位移加載速率可以做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，試件較軟時(shí)的位移加載速率應(yīng)適當(dāng)降低，約為0.02 mm/s，試件較硬時(shí)的位移加載速率應(yīng)適當(dāng)增高，約為0.05 mm/s。

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