粉砂质泥岩常规三轴压缩试验与本构方程研究.pdf

第42卷第13期
人民长江
Vol 42 No 13
2011年7月
Yangtze River
July, 2011
文章编号:1001-4179(2011)13-0056-05
粉砂质泥岩常拠三軸压缩试验与本构方程研
于怀昌,寺亚丽
(华北水利水电学院资源与环境学院,河南郑州450011
摘要:针对杭兰高速公路巫山至奉节段巴东组二段(T2b2)粉砂质泥岩地层中挖方高边坡易产生变形破坏的
河题,采用TAWA-2000微机控制岩石三轴压力试验机对T2b2粉砂质泥岩进行了常规三轴压缩试验,获取了
0~4MPa围压下岩石的应カー应变全过程曲线。分析了岩石屈服强度、峰值强度以及残余强度与围压之间
的关系,得出了岩石峰值抗剪强度参数以及残余抗剪强度参数。依据塑性力学理论,建立了考虑岩石应变软
化的双线性禅性一线性软化一残余理想塑性四线性模型,并分段建立了本构方程,确定了各阶段方程的参数
研究成果可为高速公路挖方高边坡的变形破坏分析提供必要的资料。
关键词;粉砂质泥岩;三轴压编试验;应カー应变全过程曲线;抗剪强度参数;本构模型
中图法分类号:P558.212
文献标志码:A
国家重点工程杭州至兰州高速公路是连接我国模型,并确定了模型参数。
东、中、西部的重点干线公路,杭兰线巫山至奉节段贯
穿巫山全境和奉节东部,是其中重要组成部分。线路1试验设备与试验方法
区大面积分布着中三叠统巴东组二段(T2b2)粉砂质
粉砂质泥岩的常规三轴压缩试验在TAWA-2000
泥岩,是线路区出露的主要地层之一。T2b2粉砂质泥微机控制岩石三轴压力试验机上进行,仪器最大轴向
岩是一种软岩,强度低、遇水软化,在三峡地区的秭归、力2000kN,最大围压80MPa,系统测量精度在1%范
巴东、巫山、奉节等地大面积分布,是三峡地区的“易围内,可进行常规岩石单轴、三轴压缩试验,并可以进
滑地层”。高速公路建设过程中,在该套地层中挖行高、低温条件下岩石单轴、三轴压缩试验。
方形成的工程高边坡稳定性差,在开挖过程中以及开
试验所用岩石试样采自三峡库区巫山县龙井乡
挖后频繁产生滑塌,严重影响了工程的建设工期以及叠系中统巴东组第二段弱、微风化的粉砂质泥岩层,采
工程造价。
集后立即用石蜡密封。运抵实验室后,采用水钻法沿
边坡坡体开挖后,岩石主要处于三向受压的应力垂直层理面的方向钻芯取样,用锯石切割机将岩芯两
状态,因此,基于室内三轴压缩试验开展岩石破环机理端面切割平整,在磨石机上进行研磨,制成尺寸为%50
以及本构模型的研究,对于该段高速公路挖方高边坡mmx100mm的圆柱形试样。根据《公路工程岩石试
的变形破坏分析具有重要的意义。鉴于此,本文对验规程》(JTGE41-2005),试样的端面不平整度偏差
T2b2粉砂质泥岩进行了0~4MPa围压下的常规三轴控制在t0.05mm以内,端面对试件轴线的垂直度偏
应力应变全过程试验研究。基于试验结果,分析了围差控制在±0.25°以内。制备成标准岩样后,为减少岩
压对岩石力学特性的影响规律,建立了考虑岩石应变石试样的离散性,尽可能使不同试样物理力学性质保
软化的双线性弹性一线性软化一残余理想塑性四线性持一致,首先将表观上有缺陷的岩样剔除,再采用脉冲
收稿日期:2010-12-21
基金项目:国家科技支计划项目“973”计划(2008BAC47B01);河南省教育斤自然科学研究计划项目(2010B41000)
作者简介:于怀昌,男,讲师,博士,主要从事岩石力学试验研究方面的エ作。E-mail:yuhuaichang@ncwu.edu.com
第13期
于怀昌,等:粉秒质泥岩常规三轴压缩试验与本构方程研究
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超声波对穿法对剩余的岩样进行检测筛选,从中挑选分为压密区OA段和弹性区AB段,压密点A为分界
出波速相近的岩石试样。选用饱和状态下的粉砂质泥点。在OA段,除了初始排列方向与轴向应力平行的
岩试样,将制备好的试样放入真空抽气饱和设备中在裂纹外,大部分原生微裂缝或节理面都被压密闭合,此
100kPa真空压力下饱和24h,作为饱和试样。为防止阶段明显与否,主要取决于原生裂纹的密度以及初始
湿度变化对试验结果的影响,将饱和过的试样用保鲜排列方向。宏观表现为应力增加较小,但应变增加较
膜包裹后放置在保湿缸内。
大,应力应变曲线呈现凹向应变轴的形态。由于这
试验加载采用轴向应变控制,加载速率控制为阶段的变形机理较复杂,目前难以用数学方程来描述
0.01mm/s,试验过程中计算机自动采集数据。由于这一阶段的力学特性,并且该阶段并不代表岩石的主
取样点属于低地应力区,故试验围压设置为5个级别,要力学特征,因此,在本构模型中通常不单独考虑这
分別为0,1,2,3MPa和4MPa。岩石三轴压缩应力
阶段,而将其一并考虑为弹性段I。AB段岩石的应力
应变全曲线如图1所示。
应变曲线基本成直线,该段可以用虎克定律来描述,为
弹性阶段。由于绝大部分原生裂纹在上一阶段已经被
压缩密实,而此阶段的应力水平虽然会使裂纹面之间
;-1M?a
10
产生相对滑动的趋势,但其大小并不足以使裂纹开始
0: 2 MP
扩展,因此岩石试样可视为线弹性变形体,轴向成变曲
线的斜率保持不变。此阶段系统内部没有宏观不可逆
过程,处于均匀的变形状态,因此是一种平衡状态,如
10
图3所示。OB段常用弹性模量E和泊松比ル来描述
0)0.20.40.6.81.01.21.41.61.82.02.22.4
其变形特性,B点对应的应力值称为屈服强度、。
图1粉砂质泥岩不同围压下三轴压缩全过程曲线
2试验结果及分析
2.1试验曲线特征分析
图2是从图1中概化出的典型粉砂质泥岩三轴压
缩应力应变全过程曲线,图中0点表示初始点,A点
(a)天然岩石(b)AB详性「段()C弹性段d)CD甌李代段
表示压密点,B点表示屈服强度,C点表示峰值强度,D
点表示残余强度。以C点为界可将应力应变曲线分
图3不同变形阶段微裂纹扩展示意
为峰前与峰后2个区域,峰前岩石产生弹性变形,峰后
(2)BC段,为屈服阶段,是岩石微裂隙开始产生
岩石产生塑性变形。
扩展、累积的阶段。岩石内部的裂隙开始逐渐扩展并
释放能量。随着应力的增加,当达到起裂应力后,一些
已经被压密闭合的裂纹开始张开为至扩展,在一些相
值强度
对较为软弱的颗粒边界之间会出现新的裂纹。无论是
已有裂纹的扩展还是新裂纹的出现,都是沿着平行于
屁服强度
(或近似平行于)最大主应力的方向进行。这些微裂
纹仍然是彼此独立互不关联的,如图3所示。这一阶
残余强度
段可以称之为屈服阶段,为非弹性变形段,一般把这
密点
阶段的应力应变曲线简化为直线或采用经验曲线,如
轴广
向应变C1
指数函数曲线或幂函数曲线来描述。本文从简化分祈
图2典型的粉砂质泥岩应力→应变全过程曲线
角度考虑,仍将该阶段视为弹性区,为与弹性段区
三轴压缩应力应变全过程曲线可以划分为弹性别,称之为弹性段Ⅱ,该段的弹性模量用F-来表示。由
段,屈服段,应变软化段以及塑性流动。各段的应力应于微裂纹的稳定扩展,弹性模量E-已发生劣化。试验
变特征如下。
表明,Er与围压之间的关系可以用函数来表