大理巖三軸試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)分析

大理巖三軸試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)分析

在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，雖然可以得到巖石破壞后的應(yīng)力畸變曲線（或廣義上的壓力變形曲線），但這是近10年的問題。電液環(huán)壓機(jī)的出現(xiàn)是可以預(yù)測的。目前將巖石力學(xué)、超聲學(xué)、巖石儲層等諸參數(shù)同時測試、高精度傳感器的應(yīng)用和被測量的記錄數(shù)字化等技術(shù),使巖石力學(xué)研究更加深入。近年來,已有大量很有價值的有關(guān)巖石本構(gòu)、彈性參數(shù)、應(yīng)力路徑等力學(xué)成果發(fā)表;因人工開挖工程引起巖體內(nèi)發(fā)生的應(yīng)力重新分布現(xiàn)象的研究,巖石三軸加載卸荷實(shí)驗(yàn)也是非常的豐富,;新技術(shù)、新方法的探索成果更值得關(guān)注。巖石力學(xué)性質(zhì)的研究就是研究變形與載荷之間的關(guān)系,本文對巖石三軸試驗(yàn)中極限強(qiáng)度前的應(yīng)力路徑及應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行討論,是基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)分析。1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理1.1巖石力學(xué)和超聲采用“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的“MTS巖石物性測試系統(tǒng)”,可在不同溫度條件下的組合式三軸加載方式試驗(yàn)中,同時測試巖石力學(xué)參數(shù)(抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€等),聲學(xué)參數(shù)(縱、橫波的波速、頻譜),儲層參數(shù)(滲透率、孔隙體積變化率)等。該設(shè)備上配置有已經(jīng)校正過的高精度壓力、位移、體積變化、溫度等傳感器和耐高溫超聲波換能器,以及多種計(jì)算機(jī)加載控制模式和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用美國ASTME132-61,79標(biāo)準(zhǔn)。軸向位移引伸計(jì)是A和B兩對卡針安裝在巖樣兩側(cè),環(huán)向位移引伸計(jì)是鏈條型。1.2dy、砂巖和角礫大理巖巖樣共28個,分8組,其中包括大理巖(簡稱DY)、砂巖(簡稱SY)和角礫大理巖(簡稱JD)。樣品加工成圓柱狀(?25mm或?50mm),長度與直徑之比約為2。1.3各節(jié)點(diǎn)應(yīng)變的計(jì)算試驗(yàn)時同時運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件記錄數(shù)據(jù),包括時間、軸向應(yīng)力、軸向位移、圍限應(yīng)力、軸向應(yīng)變(分A和B)、環(huán)向應(yīng)變,對上述有的數(shù)據(jù)作簡單計(jì)算,直接作圖。2應(yīng)力-時間關(guān)系分析巖石三軸實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了軸向壓縮應(yīng)力差(簡稱:軸壓或σ1-σ3)與圍限壓縮應(yīng)力(簡稱圍壓或σ2=σ3)的多種加載卸荷組合(簡稱:應(yīng)力路徑)實(shí)驗(yàn)方案。圖1是角礫大理巖(樣號:JD1-1)在1945s內(nèi)連續(xù)進(jìn)行了表1中四個應(yīng)力路徑段的軸壓和圍壓記錄值曲線,用表1對圖1作了說明,圖1中0—J段,即定圍升軸段,軸向應(yīng)力曲線包含了巖石本構(gòu)曲線的壓實(shí)和線性階段。雖然圖2中壓實(shí)階段顯示不太明顯,但圖1應(yīng)力-時間曲線上呈緩慢增加狀。說明樣品雖在40MPa靜水壓作用下,巖石孔隙后續(xù)壓實(shí)還需增大軸壓來完成。圖2是圖1全應(yīng)力路徑過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,軸向應(yīng)變(ε1)和環(huán)向應(yīng)變(ε2)在全程應(yīng)力路徑中總是增加的,且總是Δε1>Δε2,說明σ1-σ3比σ2=σ3對巖石變形特性的影響更大。圖2中的應(yīng)變值存在累加關(guān)系,即后應(yīng)力路徑段起點(diǎn)是從前應(yīng)力路徑段終點(diǎn)值上累加的,圖中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處呈尖狀是應(yīng)力路徑段轉(zhuǎn)換時造成的,表1中應(yīng)力路徑段簡稱和字母標(biāo)記與后文中相同。3各巖體的力學(xué)特征應(yīng)力路徑?jīng)Q定了同組巖石樣品的整體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,而不同巖性、結(jié)構(gòu)和缺陷的巖樣又呈現(xiàn)出各自的力學(xué)特征。下面將分析不同應(yīng)力路徑段、不同巖性等因素下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。3.1圍壓對巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的討論首先分析定圍升軸段砂巖和角礫大理巖樣品的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(圖3～圖6),然后進(jìn)行了二組巖樣的結(jié)果對比,圖中的數(shù)字是圍壓值。圖3和圖4是同一組砂巖的4個樣品按圍壓從20MPa到50MPa間隔10MPa的順序(編號SY1-1～SY1-4)進(jìn)行0-J段方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖,圖3中的軸壓與ε1關(guān)系曲線中線性段優(yōu)于圖4中的軸壓與ε2關(guān)系曲線。這是因?yàn)檩S向應(yīng)變主要受σ1-σ3控制,影響因素單一,而巖樣側(cè)面在靜水壓下加載軸壓,一方面受到軸壓的作用而膨脹,另一方面受到圍壓的壓縮作用而收縮,二重作用使其脫離線性比ε1早些。將應(yīng)力看成自變量進(jìn)行曲線擬合,選其中之一公式如下:圖3:y=0.0028x-0.0371,R2=0.9928圖4:y=4E-06x2-0.0001x+0.0037,R2=0.9961圖3的線性方程和圖4的非線性方程的自變量系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)均隨圍壓的改變而存在微小的數(shù)值差別。圖3中線性階段4條直線的斜率從大到小按樣品所處圍壓從20MPa到50MPa順序排列,顯示“圍壓越高其極限強(qiáng)度越高”的規(guī)律,圖3和圖4是較均勻巖石的典型定圍升軸段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。圖4中樣品SY1-1與SY1-2,在軸壓50MPa以下,經(jīng)放大觀察,表現(xiàn)出其壓實(shí)特征明顯,曲線在軸壓50MPa處相交;圍壓超過40MPa,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的壓實(shí)作用即消失。可以認(rèn)為該組砂巖樣品中孔隙和微裂紋要完全壓實(shí),粗略估計(jì)需40MPa的靜水壓。圖5和圖6表示的是同組的三個角礫大理巖樣品與砂巖一樣實(shí)驗(yàn)條件的應(yīng)力-應(yīng)變測試結(jié)果。角礫大理巖角礫不均勻,但膠結(jié)好,其單軸平均抗壓強(qiáng)度高。按圍壓從小到大樣品編號為JD5-1,JD5-2,JD5-3,兩個圖上的曲線擬合均為二次曲線,但還是σ1-σ3與ε1曲線的線性階段長一些。各個樣品的應(yīng)力-應(yīng)變線性階段斜率從大到小的排序與樣品所處圍壓從50～30MPa順序排列,這正好與砂巖排列順序完全相反。造成此現(xiàn)象與巖石的泊松比大小和角礫狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖6中高軸壓處根據(jù)環(huán)向應(yīng)變與應(yīng)力曲線的彎曲程度,可以推測JD5-1比JD5-2較早進(jìn)入巖石弱化。而JD5-3出現(xiàn)宏觀破裂的時間可能會更晚些。圖6中100MPa以前,樣品JD5-2出現(xiàn)了一段負(fù)ε2值,表明樣品側(cè)面出現(xiàn)了收縮,這勢必產(chǎn)生負(fù)泊松比現(xiàn)象。這是巖石角礫不均勻或其特殊缺陷造成的假象,因?yàn)橄嗤瑤r性的其他2個樣品均未出現(xiàn)此現(xiàn)象。在軸壓200MPa處JD5-1與JD5-2曲線交叉,結(jié)合JD5-2前面出現(xiàn)的負(fù)值,可以看出該巖樣中的裂紋和缺陷比其他2個樣更顯復(fù)雜。圖7是此組樣品的環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變比值對比圖。該比值不是嚴(yán)格意義(規(guī)范)上的泊松比,但還是可說明巖石的松散程度。圖中初始圍壓小于100MPa的JD5-2上比值出現(xiàn)負(fù)值,這與圖6中ε2出現(xiàn)的負(fù)值同理。當(dāng)軸壓升到320MPa時,三曲線相交,360MPa時,又開始分開,到450MPa,圖6上JD5-1和JD5-2比值曲線開始上翹,表明巖石開始了大量的擴(kuò)容(損傷),而這時JD5-3曲線出現(xiàn)在最下方,表現(xiàn)出該巖樣越來越致密,最后它的極限強(qiáng)度將會最大。此組樣品中的裂紋和缺陷完全被壓實(shí),則可能要在軸壓150MPa處或靜水壓起碼大于50MPa才行。如果要提取與圍壓無關(guān)的角礫大理巖的泊松比,應(yīng)選在三線相交處(圖7上的320MPa)最為合理,這時泊松比應(yīng)屬彈性泊松比。3.2軸壓保持的解釋對角礫大理巖進(jìn)行了保持不同軸壓和圍壓不同卸荷區(qū)間的定軸卸圍段的實(shí)驗(yàn)。軸壓分別選在線性段、擴(kuò)容初期階段、宏觀破裂前。圖8是JD4-1軸向壓力控制模式下圍壓卸荷區(qū)間為49～24MPa的應(yīng)變-時間曲線,軸壓應(yīng)力水平相當(dāng)于其極限強(qiáng)度的93%。曲線均存在明顯的線性段,時間與ε1及ε2曲線是非線性二次曲線,ε2的增加速率均大于ε1,表明圍壓的作用大于軸壓。該巖樣的軸壓保持在宏觀破裂前夕的巖石擴(kuò)容段,故ε1和ε2曲線彎曲歷害(軸壓保持在線性階段降低圍壓時曲線彎曲將不會出現(xiàn))。卸圍壓會增大σ1-σ3,但是,在壓力控制模式下為了完成軸壓恒定控制,壓機(jī)通過電液伺服控制軸向作動器活塞后退(增加圍壓,該活塞前進(jìn)),使σ1-σ3降低恢復(fù)到原來設(shè)定值,這時巖樣長度會有所變化,這是壓機(jī)瞬間自動完成的。ε1減小多少(或反之),取決于巖樣的力學(xué)性質(zhì),彈性特別好ε1值將減小較多。3.3確定過載區(qū)的電壓損失分析3.3.1卸荷起點(diǎn)的應(yīng)力圖9和圖10是角礫大理巖(JD3-2)和大理巖(DY2-2)定圍緩卸軸段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圍壓均控制在17.5MPa(圍壓壓力控制模式);軸壓平均卸載速率:1MPa/s。JD3-2和DY2-2軸壓卸荷范圍分別是208～12MPa和77～31MPa,二個樣品軸壓卸荷起點(diǎn)的應(yīng)力水平相當(dāng)于其極限強(qiáng)度的60%左右。圖9和圖10曲線均有一段ε1和ε2重合直線,過后曲線分開按各自的斜率發(fā)展,軸壓卸荷起點(diǎn)應(yīng)力水平低,故沒有由于軸壓卸載而出現(xiàn)明顯的擴(kuò)容特征。圖9中A和B平臺將曲線分成明顯的三段。對于軸壓卸荷初始時ε1與ε2重合的直線段,文獻(xiàn)認(rèn)為是軸壓卸荷小于巖石閉合孔隙的反向摩擦力。曲線過了A平臺后開始分開,σ1-σ3的繼續(xù)卸荷,使得ε1與ε2越來越分開,ε1增加速率比ε2快,這時ε1與ε2的曲線斜率發(fā)生了改變,文獻(xiàn)將此段稱為“巖石固有彈性模量”,它可以近似地認(rèn)為樣品沒發(fā)生過塑性變形(擴(kuò)容)狀態(tài)下的變形特性。認(rèn)為此與壓縮曲線的線性段相當(dāng),只是一個是孔隙被壓縮,一個是孔隙在應(yīng)力釋放過程中得到恢復(fù)。圖9中A和B平臺都顯示σ1-σ3不斷卸荷過程中而ε1和ε2基本不變,B平臺比A平臺需更大的σ1-σ3,這是否是巖石具有閉合孔隙的反向摩擦力不同(多級現(xiàn)象)所致值得進(jìn)一步研究。3.3.2軸向應(yīng)力下的2和2圖11和圖12是角礫大理巖JD1-3樣品的全程應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,圍壓保持在10MPa處,軸壓卸荷范圍359～172MPa。軸壓卸載速率:16.8MPa/S,圖12中K-L段軸壓卸荷開始,ε1和ε2均呈很好的線性段,ε1總是減小,在軸壓卸荷到350MPa后出現(xiàn)負(fù)值,該線性段240MPa后的斜率比此前斜率更小,說明隨著軸向應(yīng)力的降低,巖石的軸向彈性恢復(fù)較明顯;ε2增量較大且該曲線在軸壓卸荷到180MPa出現(xiàn)非線性特征,說明巖樣ε2表現(xiàn)出一定的韌性。圖12的ε1與ε2曲線后段上翹,是L-M段軸壓卸荷速率降低為0.7MPa/s時的記錄,該段內(nèi)巖樣己開始擴(kuò)容。圖12中出現(xiàn)間斷點(diǎn),在軸壓卸荷較小范圍內(nèi),ε1突然增大,這意味著巖石出現(xiàn)了微裂紋的瞬間擴(kuò)展。ε1在定圍急卸軸段出現(xiàn)負(fù)值,應(yīng)該是巖樣彈性好的表現(xiàn)。但并不是所有的巖樣ε1在定圍急卸軸段都出現(xiàn)負(fù)值,如圖1的巖樣就沒有負(fù)值ε1。3.4張性巖樣峰前和峰后張性變化特征圖13是軸向位移控制(簡稱:LVDT)模式下軸加圍卸段JD3-3巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,曲線基本在巖石宏觀破裂前后區(qū)間,峰值強(qiáng)度:510MPa,峰前ε2曲線斜率大于ε1的斜率,峰后均平衡下降,且ε2比ε1下降得快些,說明巖樣在極限強(qiáng)度附近的擴(kuò)容以張性特征為主。圖13中峰值前巖樣局部損傷到宏觀破裂再到巖樣的進(jìn)一步弱化,峰前和峰后發(fā)生數(shù)據(jù)點(diǎn)間斷現(xiàn)象,軸壓變化很小但Δε1和Δε2同步突變現(xiàn)象,說明是由巖石膨脹局部化或結(jié)構(gòu)劣化造成的。圖13與三軸常規(guī)實(shí)驗(yàn)用環(huán)變控制軸壓加載速率等方式而得到的曲線是有區(qū)別的,圖中峰前軸壓與ε1有所增加,就是LVDT控制模式下軸加圍卸的結(jié)果。樣品測試中我們還做了軸圍同卸段與其他軸加圍卸段等雙應(yīng)力因素的應(yīng)力路徑實(shí)驗(yàn),分析起來更為復(fù)雜,此處從略。4其他問題的討論4.1軸向壓力傳感器和圍壓卸荷的影響有的文獻(xiàn)對人工開挖工程引起隧道圍巖產(chǎn)生應(yīng)力分異現(xiàn)象采用卸圍壓的同時以環(huán)向應(yīng)變控制軸壓加載速率的應(yīng)力路徑方法去研究(即3.4模式),我們認(rèn)為采用LVDT控制模式保持軸向位移下進(jìn)行圍壓卸荷的試驗(yàn)方式更合適。因?yàn)楸３州S向位移固定了壓機(jī)作動器活塞位置,圍壓卸荷時壓杌該軸向活塞沒有任何進(jìn)退,上、下壓頭之間的距離保持不變;軸向壓力傳感器是安裝在壓機(jī)立軸上的,顯示的是σ1-σ3值。因圍壓卸荷使σ1-σ3有所增加,這是因?yàn)閲鷫阂环矫孀饔糜趲r樣側(cè)面,同時又作用于立軸的端面積減去樣品端頭面積后的差面積上,σ3卸荷當(dāng)然σ1-σ3值增大。σ1-σ3增加多少,其決定因素有:(1)前述差面積的大小。立軸的端頭和樣品直徑(50mm或25mm)是已知的,那么差面積就是確定值;圍壓卸荷在差面積上將減少多少正應(yīng)力是可以計(jì)算出來的,也可采用高強(qiáng)度鋼樣直接測試、擬合計(jì)算求出,這樣可以減小試驗(yàn)機(jī)剛度等原因造成的系統(tǒng)誤差。(2)與巖石的極限強(qiáng)度、巖石內(nèi)部的擴(kuò)容程度、巖性、承載能力等力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。這里好像是軸壓加載和圍壓卸荷的綜合結(jié)果,但只有圍壓卸荷是根本原因。這與人工開挖工程引起隧道圍巖產(chǎn)生應(yīng)力分異現(xiàn)象完合相似,本文3.4中將單因素應(yīng)力問題變成了雙因素應(yīng)力問題,可能會得出不同的結(jié)果。4.2定圍急卸軸壓段圖14分別是大理巖和砂巖樣品的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,兩圖在全程應(yīng)力路徑中在K-L段都出現(xiàn)了曲線“間斷”現(xiàn)象,原因是數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)置(5s)不適當(dāng)造成的。如果這時巖樣“脆斷”,引伸計(jì)將變動位置或脫落,記錄將不連續(xù)或者沒法繼續(xù)采數(shù)。實(shí)驗(yàn)中還沒有出現(xiàn)文獻(xiàn)的沖程控制中試驗(yàn)機(jī)剛度引起的現(xiàn)象。圖11數(shù)據(jù)采樣間隔是軸向壓力間隔:0.5kN,同是定圍急卸軸壓段的應(yīng)力-應(yīng)變記錄是很完整的。因此,數(shù)據(jù)采樣間隔是整個實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)考慮的問題。5考慮巖樣與圍壓無關(guān)性的巖樣對比a.最大主應(yīng)力(軸壓或圍壓)方向的應(yīng)變(ε1或ε2)為最大,這是軸壓、圍壓、加截、卸荷不