第3章　砂岩三轴压缩试验研究

3.1　概述

地壳中的岩体处于三向应力状态下,因而研究三向应力状态下岩体的力学特性,对于岩土工程有十分重要的意义。近年来,随着试验设备和技术手段的提高,岩石力学的试验水平有了较大发展,常规岩石力学试验发展非常迅速,已取得了丰富的成果。关于砂岩在三轴压缩状态下的力学性能,已有很多学者通过大量的试验进行研究。所做力学试验主要有两类,真三轴试验和假三轴试验。真三轴试验能够更加真实的模拟岩体的三向受力状态,并且可以分析中间主应力的影响,但由于受到仪器的限制,目前,国内外所做的岩石真三轴压力试验还很有限,并且由于试件端面的摩擦约束问题,所得结果也有较大的差异。

陶振宇等(1993)进行了红砂岩真三轴压力试验,通过全应力应变曲线分析了中间主应力和第三主应力对岩体极限强度和变形的影响,并探讨了岩石的破坏形态和破坏机理。试验结果表明随着中间主应力的增大,最大主应力极限值先增大后减小,但破裂角受中间主应力影响规律不明显,不同类型的岩体中间主应力影响系数不同[57]。尤明庆(1997)采用花岗岩试件研究了三轴压缩过程中变形的发展规律,认为破坏过程中岩样的轴向和环向塑性变形之间具有线性关系[58]。孟召平等(2003)对砂岩的三轴压缩特性进行试验研究发现,砂岩弹性模量随围压增大而线性增加,泊松比受围压影响很小[27]。卢允德(2004)、王贵荣(2006)通过不同围压下岩体加载破坏应力-应变全过程曲线,分析了岩样屈服强度、峰值强度、残余强度和围压的关系,并基于试验结果提出了双线性弹性-线性软化-残余理想塑性四线性本构模型[30,59]。杨圣奇(2005)进行了中、粗颗粒大理岩常规三轴试验,认为低围压状态时岩样由于内部材料变形不均匀,而表现出应变软化特性;而高围压状态时,围压作用可使岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形均匀而呈现出塑性流动特性。岩石脆-延性转化点可由残余强度-围压关系曲线和围压-极限强度关系曲线的交点求得[60]。苏承东等(2008)研究了大理岩在不同偏压下损伤破坏后的单轴压缩强度、平均模量、能耗特征的变化规律,认为损伤岩样单轴压缩时的强度、平均模量随三轴压缩的塑性变形增大而线性降低[61]。于德海等(2009)进行了绿泥石片岩在干燥和饱水状态下的三轴压缩试验,对岩石的破坏类型及机制、峰值强度、残余强度、软化系数、峰残差、峰残强降率、弹性模量及变形模量等强度变形指标进行了研究[62]。

对于围压对岩体力学性质的影响,目前研究已取得了很多成果,很多学者在围压对岩体强度的影响方面结论比较一致,认为强度随围压的增大而增大,二者之间满足库仑强度准则;但在围压对岩体变形性能的影响方面,不同的学者得出了不同的结论,有些认为围压对岩体泊松比和弹性模量没有影响,有些认为岩体泊松比和弹性模量随围压变化并不是一个常数,并且不同的岩石得出结论亦不同。要对岩体工程稳定性进行正确的计算和分析,必须对岩体在不同围压作用下的变形、强度及破坏特征做进一步的研究。