砂岩单轴三轴压缩试验研究_姜永东
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砂岩单轴三轴压缩试验研究X
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。
1 试件的加工与试验设备 为了研究砂岩的力学特性, 本次实验采用重庆
市云阳县寨坝滑坡体下盘的砂岩, 将所取岩芯加工 成为圆柱体 试件, 试件直 径 ª 为 50mm, 高 h 为 10 0m m 。
应变都在增大, 试件体积不断缩小, 过了屈服点之 后, 试件的横向变形迅速增加, 体应变开始减小, 试件体积增大, 到峰值时, 体应变趋于零, 试件又 恢复原来的体积。
212 强度特性 从图 1、图 2、图 3 可以看出: 水对岩石强度
有明显的影响, 不同含水量下岩石的强度不同, 含 水量越高, 强度就越低, 反之则含水量越低, 强度 就越高, 而且水对软岩如砂岩的影响很明显。
劳和裂纹扩展试验, 轴向载荷最大 1000kN, 围压 最大 50MPa, 可采用载荷控制、位移控制进 行加 载, 加载过程中还可以保持载荷不变。本次试验采 用载荷控制, 加载围压控制在 0~ 15M Pa, 在试件 上粘贴应变计测试件的纵向变形和横向变形。
2 砂岩的单轴压缩特性 211 应力应变关系特性
密度Q ( g/ cm3)
21 54
表 3 砂岩的物理性质
重度 C ( k N/ m3)
251 26
吸水率 X (%)
21 63
软化系数 G ( c)
01 64
5结 论 ( 1) 砂岩单 轴压缩试验再 次表明: 岩石 在饱
图 5 砂岩在等围压下的实验结果
68
莫尔- 库仑强度准则在实际工程中广泛应用,
通过砂岩的三轴压缩实验, 根据最小二乘法, 采用
回归分析得出了砂岩的强度参数 C、 ª 值, 其 C= 5198MP a, ª = 58191b, 强 度 准 则 表 达 式 见 式
( 1) 。
I= 1166R+ 5198
考虑含水量对强度的影响, 其影响原因是水从试件
表面的裂隙进入岩石内部, 润湿了岩石全部自由面
上的每个矿物颗粒, 水分子加入改变了岩石的物理
中国矿业 2004 年第 13 卷第 4 期
状态, 削弱了颗 粒之间的联系, 使得抗压强 度降 底, 试验表明: 在饱和状态下岩石强度最小, 风干 状态下岩石强度最大。
501 60
01 62
1111 50
761 00
621 30
401 40
Hale Waihona Puke 01 651211 90
801 80
01 66
1261 30
801 80
Rc/ Rs 01 63 01 68 01 64
砂岩单轴三轴压缩试 验研究
67
3 砂岩的三轴压缩特性 311 应力应变关系特征
从图 4 可以看出: 砂岩在不同围压下的轴向应 力应变全过程曲线形状是类似的, 可以划分为 4 个 阶段: 压密阶段、弹性变形阶段、塑性阶段和破坏 阶段15, 62。第 1 阶段在开始施加轴向压力时, 试件 体应变增加体积 缩小, 岩石被 压密, 部分裂 隙闭 合, 应力应变曲线微向上弯曲。第 2 阶段体应变继 续增加, 岩石表现出明显的线弹性, 随围压增大, 线弹性部分长度增长, 第 3 阶段内体应变有一个极 值, 这个极值对应的应力就是屈服应力, 屈服应力
10M Pa Rs/ M Pa
1101 9
Rc/ Rs 01 64
图 4 砂岩在不同围压下的全应力应变曲线
图 6 莫尔圆包络线及强度准则
312 强度特性 砂岩在不同围压下的强度特征表现为: 随围压
增大, 抗压强度明显提高, 塑性变形明显增大, 其 变形不仅与围压 R3 大小有关, 而且与 R1 - R3 的大 小有关, 当 R1- R3 在一定范围内, 变形符合 线弹 性变形规律, 当 R1- R3 超过一定 范围时, 变 形才 具有塑性变形, 见图 5。
Rs 约为峰值应力 Rc 的 2/ 3112, 表 2 可以说明。屈服 点以前试件的体应变都在 增大, 试件 体积不断缩 小, 过了屈服点之后, 试件的横向变形迅速增加, 体应变开始减小, 试件体积增大, 到峰值时, 体应 变趋于零, 试件又恢复原来的体积。这个阶段岩石 内部开始产生微裂隙, 裂隙随加载载荷增加加速扩 展, 最终裂隙汇合贯通使岩石破坏。第 4 阶段试件 破坏后, 岩石的承载能力没有完全丧失, 还具有一 定的承载能力, 强度减弱到残余强度, 而且残余强 度随围压增大而增大。
关键词 砂岩 单 轴压缩试验 三轴压缩试验 应力应变 强度准则 中图分类号 T U 459 文献标识码 A 文章编号 1004- 4051 ( 2004) 04- 0066- 04
A RESEARCH ON SANDSTONE UNIAXIAL AND TRIAXIAL COMPRESSION TESTS
Rc/ M Pa 601 88
0M Pa Rs / M Pa 401 59
表 2 砂岩 在不同围压下的强度 R c、屈服强 度 R s、R s/ R c 值
Rc/ Rs 01 66
Rc/ M Pa 1211 6
5M Pa Rs/ M Pa
811 1
Rc/ Rs 01 67
Rc/ M Pa 1721 4
从图 1、图 2、图 3 可以看出: 在单轴压缩试 验中, 砂岩在饱和状态、自然状态、风干状态下的 应力与纵向应变曲线的形状是一致的, 属于塑弹性 变形。峰值前可以分 为 3 个阶 段12, 32, 即: 压密、 弹性、塑性变形阶段。第 1 阶段随轴向应力增加纵 向变形、横向变形也增加, 但纵向变形大于横向变 形, 体应变增 大, 试件体 积变小, 曲 线微向上 弯 曲, 产生的原因是岩石试件中的微裂隙或节理面被 压密实的结果。第 2 阶段体应变继续增大, 试件体 积继续减小, 试件内部的微裂隙或节理面被压密实 闭合后, 应力与纵向应变曲线近似于直线, 但各曲 线性部分长度不同, 这是岩石中微裂隙或节理面的 宽度不一样产生的, 使得闭合程度不同。第 3 阶段 岩石内部开始产生微裂隙, 随加载载荷的增加, 试 件内部的裂隙扩展最终汇合贯通, 使试件破坏142。 这个阶段, 体应变有一个最大值, 这个最大值对应 的应力就是屈服应力, 屈服应力 Rs 约为峰 值应力 Rc 的 2/ 3112, 表 1 可以说明。屈服点以前试件的体
Keywords: Sandstone, U niax ial compression test, T riax ial compression test, Str ess- strain, Failure theor y
岩石在外载荷作用下能承受的最大应力称为岩 石的强度112, 影响 岩石强度的因素 有很多, 其 中 水对岩石强度有明显的影响, 特别是对软岩的影响 表现得更为突出, 所以研究岩石在饱和状态、自然 状态、风干状态下的强度特征和变形特性有重要的
66
中国矿业 2004 年第 13 卷第 4 期
为 0105M Pa/ s, 在试件上粘贴应变计测试件的纵向 变形和横向变形。
三轴 压 缩 试 验 采 用 英 国 英 斯 特 朗 公 司
( Inst ron) 生产的电液伺服式 Inst ron 1346 试验机, 该试验机可以进行拉伸、压缩、断裂韧性、低周疲
图 1 第 1 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
图 2 第 2 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
图 3 第 3 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
饱和状态 自然状态 风干状态
表 1 砂 岩在饱和、自然、风干状态下的强度 R c、屈服强度 R s、R s/ R c 值
Abstract: T he ex periment studies both the uniaxial compressive strength and tr iax ial compressive st rength of sandstone, respectively under air- drying, natural and satur atio n condit ions. T he relationship betw een stress and axial strain, tr ansverse strain & volume strain is obtained form the uniax ial and triax ial tests. T he result shows that unix ial stress-strain curv e can be devided into three staged before its peak v alue, w hile triaxial stressstr ain curve can be devided into five stag es. A n O1M ohr circle is gr aphed according to values of the tr iax ial strain and confining str ess. Mor eov er , failure theory and strength par ameters: c and ª are obtained throug h analyzing the curve fitting . F inally, resear ch analyzes the r ock streng th influenced by moisture content. T he whole research results can offer a r eference to r elated engineering projects.
第 1 组试件
第 2 组试件
Rc/ M Pa
Rs/ M Pa
Rc/ Rs
Rc/ M Pa Rs / M Pa
Rc/ Rs
Rc/ M Pa
321 00
201 30
01 63
541 69
351 50
01 65
801 50
第 3 组试件 Rs/ M Pa 501 80
501 86
301 52
01 60
811 20
单轴压缩试验采用日本 SHIMADZU 公司生产 的伺服式刚性试验机, 该试验机可以进行拉伸、压 缩、剪切试验, 轴向载荷最大 250kN, 可采用载荷 控制、位移控制进行加载, 计算机自动采集数据。 本次进行的单轴压缩试验采用载荷控制, 加载速度
X 基金项目: 重庆市院土基金资助项目, 编号 6592
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。
1 试件的加工与试验设备 为了研究砂岩的力学特性, 本次实验采用重庆
市云阳县寨坝滑坡体下盘的砂岩, 将所取岩芯加工 成为圆柱体 试件, 试件直 径 ª 为 50mm, 高 h 为 10 0m m 。
应变都在增大, 试件体积不断缩小, 过了屈服点之 后, 试件的横向变形迅速增加, 体应变开始减小, 试件体积增大, 到峰值时, 体应变趋于零, 试件又 恢复原来的体积。
212 强度特性 从图 1、图 2、图 3 可以看出: 水对岩石强度
有明显的影响, 不同含水量下岩石的强度不同, 含 水量越高, 强度就越低, 反之则含水量越低, 强度 就越高, 而且水对软岩如砂岩的影响很明显。
劳和裂纹扩展试验, 轴向载荷最大 1000kN, 围压 最大 50MPa, 可采用载荷控制、位移控制进 行加 载, 加载过程中还可以保持载荷不变。本次试验采 用载荷控制, 加载围压控制在 0~ 15M Pa, 在试件 上粘贴应变计测试件的纵向变形和横向变形。
2 砂岩的单轴压缩特性 211 应力应变关系特性
密度Q ( g/ cm3)
21 54
表 3 砂岩的物理性质
重度 C ( k N/ m3)
251 26
吸水率 X (%)
21 63
软化系数 G ( c)
01 64
5结 论 ( 1) 砂岩单 轴压缩试验再 次表明: 岩石 在饱
图 5 砂岩在等围压下的实验结果
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莫尔- 库仑强度准则在实际工程中广泛应用,
通过砂岩的三轴压缩实验, 根据最小二乘法, 采用
回归分析得出了砂岩的强度参数 C、 ª 值, 其 C= 5198MP a, ª = 58191b, 强 度 准 则 表 达 式 见 式
( 1) 。
I= 1166R+ 5198
考虑含水量对强度的影响, 其影响原因是水从试件
表面的裂隙进入岩石内部, 润湿了岩石全部自由面
上的每个矿物颗粒, 水分子加入改变了岩石的物理
中国矿业 2004 年第 13 卷第 4 期
状态, 削弱了颗 粒之间的联系, 使得抗压强 度降 底, 试验表明: 在饱和状态下岩石强度最小, 风干 状态下岩石强度最大。
501 60
01 62
1111 50
761 00
621 30
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Hale Waihona Puke 01 651211 90
801 80
01 66
1261 30
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Rc/ Rs 01 63 01 68 01 64
砂岩单轴三轴压缩试 验研究
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3 砂岩的三轴压缩特性 311 应力应变关系特征
从图 4 可以看出: 砂岩在不同围压下的轴向应 力应变全过程曲线形状是类似的, 可以划分为 4 个 阶段: 压密阶段、弹性变形阶段、塑性阶段和破坏 阶段15, 62。第 1 阶段在开始施加轴向压力时, 试件 体应变增加体积 缩小, 岩石被 压密, 部分裂 隙闭 合, 应力应变曲线微向上弯曲。第 2 阶段体应变继 续增加, 岩石表现出明显的线弹性, 随围压增大, 线弹性部分长度增长, 第 3 阶段内体应变有一个极 值, 这个极值对应的应力就是屈服应力, 屈服应力
10M Pa Rs/ M Pa
1101 9
Rc/ Rs 01 64
图 4 砂岩在不同围压下的全应力应变曲线
图 6 莫尔圆包络线及强度准则
312 强度特性 砂岩在不同围压下的强度特征表现为: 随围压
增大, 抗压强度明显提高, 塑性变形明显增大, 其 变形不仅与围压 R3 大小有关, 而且与 R1 - R3 的大 小有关, 当 R1- R3 在一定范围内, 变形符合 线弹 性变形规律, 当 R1- R3 超过一定 范围时, 变 形才 具有塑性变形, 见图 5。
Rs 约为峰值应力 Rc 的 2/ 3112, 表 2 可以说明。屈服 点以前试件的体应变都在 增大, 试件 体积不断缩 小, 过了屈服点之后, 试件的横向变形迅速增加, 体应变开始减小, 试件体积增大, 到峰值时, 体应 变趋于零, 试件又恢复原来的体积。这个阶段岩石 内部开始产生微裂隙, 裂隙随加载载荷增加加速扩 展, 最终裂隙汇合贯通使岩石破坏。第 4 阶段试件 破坏后, 岩石的承载能力没有完全丧失, 还具有一 定的承载能力, 强度减弱到残余强度, 而且残余强 度随围压增大而增大。
关键词 砂岩 单 轴压缩试验 三轴压缩试验 应力应变 强度准则 中图分类号 T U 459 文献标识码 A 文章编号 1004- 4051 ( 2004) 04- 0066- 04
A RESEARCH ON SANDSTONE UNIAXIAL AND TRIAXIAL COMPRESSION TESTS
Rc/ M Pa 601 88
0M Pa Rs / M Pa 401 59
表 2 砂岩 在不同围压下的强度 R c、屈服强 度 R s、R s/ R c 值
Rc/ Rs 01 66
Rc/ M Pa 1211 6
5M Pa Rs/ M Pa
811 1
Rc/ Rs 01 67
Rc/ M Pa 1721 4
从图 1、图 2、图 3 可以看出: 在单轴压缩试 验中, 砂岩在饱和状态、自然状态、风干状态下的 应力与纵向应变曲线的形状是一致的, 属于塑弹性 变形。峰值前可以分 为 3 个阶 段12, 32, 即: 压密、 弹性、塑性变形阶段。第 1 阶段随轴向应力增加纵 向变形、横向变形也增加, 但纵向变形大于横向变 形, 体应变增 大, 试件体 积变小, 曲 线微向上 弯 曲, 产生的原因是岩石试件中的微裂隙或节理面被 压密实的结果。第 2 阶段体应变继续增大, 试件体 积继续减小, 试件内部的微裂隙或节理面被压密实 闭合后, 应力与纵向应变曲线近似于直线, 但各曲 线性部分长度不同, 这是岩石中微裂隙或节理面的 宽度不一样产生的, 使得闭合程度不同。第 3 阶段 岩石内部开始产生微裂隙, 随加载载荷的增加, 试 件内部的裂隙扩展最终汇合贯通, 使试件破坏142。 这个阶段, 体应变有一个最大值, 这个最大值对应 的应力就是屈服应力, 屈服应力 Rs 约为峰 值应力 Rc 的 2/ 3112, 表 1 可以说明。屈服点以前试件的体
Keywords: Sandstone, U niax ial compression test, T riax ial compression test, Str ess- strain, Failure theor y
岩石在外载荷作用下能承受的最大应力称为岩 石的强度112, 影响 岩石强度的因素 有很多, 其 中 水对岩石强度有明显的影响, 特别是对软岩的影响 表现得更为突出, 所以研究岩石在饱和状态、自然 状态、风干状态下的强度特征和变形特性有重要的
66
中国矿业 2004 年第 13 卷第 4 期
为 0105M Pa/ s, 在试件上粘贴应变计测试件的纵向 变形和横向变形。
三轴 压 缩 试 验 采 用 英 国 英 斯 特 朗 公 司
( Inst ron) 生产的电液伺服式 Inst ron 1346 试验机, 该试验机可以进行拉伸、压缩、断裂韧性、低周疲
图 1 第 1 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
图 2 第 2 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
图 3 第 3 组试件在三种状态下的应力与 纵向、横向、体应变曲线
饱和状态 自然状态 风干状态
表 1 砂 岩在饱和、自然、风干状态下的强度 R c、屈服强度 R s、R s/ R c 值
Abstract: T he ex periment studies both the uniaxial compressive strength and tr iax ial compressive st rength of sandstone, respectively under air- drying, natural and satur atio n condit ions. T he relationship betw een stress and axial strain, tr ansverse strain & volume strain is obtained form the uniax ial and triax ial tests. T he result shows that unix ial stress-strain curv e can be devided into three staged before its peak v alue, w hile triaxial stressstr ain curve can be devided into five stag es. A n O1M ohr circle is gr aphed according to values of the tr iax ial strain and confining str ess. Mor eov er , failure theory and strength par ameters: c and ª are obtained throug h analyzing the curve fitting . F inally, resear ch analyzes the r ock streng th influenced by moisture content. T he whole research results can offer a r eference to r elated engineering projects.
第 1 组试件
第 2 组试件
Rc/ M Pa
Rs/ M Pa
Rc/ Rs
Rc/ M Pa Rs / M Pa
Rc/ Rs
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321 00
201 30
01 63
541 69
351 50
01 65
801 50
第 3 组试件 Rs/ M Pa 501 80
501 86
301 52
01 60
811 20
单轴压缩试验采用日本 SHIMADZU 公司生产 的伺服式刚性试验机, 该试验机可以进行拉伸、压 缩、剪切试验, 轴向载荷最大 250kN, 可采用载荷 控制、位移控制进行加载, 计算机自动采集数据。 本次进行的单轴压缩试验采用载荷控制, 加载速度
X 基金项目: 重庆市院土基金资助项目, 编号 6592