含水砂岩在不同应变率下的三轴抗压强度分析

张　军，高富强，杨金金

(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作454000；2.洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳471023)



含水砂岩在不同应变率下的三轴抗压强度分析

张军1，高富强2，杨金金1

(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作454000；2.洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳471023)

对砂岩在不同含水率、应变率和围压条件下进行三轴压缩试验，试验统计了这3个因素耦合作用时砂岩抗压强度的平均值，并分析了含水率、应变率及围压对砂岩抗压强度的影响规律，结果发现砂岩强度的影响因素中含水率、应变率和围压之间，存在一定的相互影响关系。经过进一步试验研究表明：含水砂岩在低应变率下的围压硬化效应显著；围压的存在，使得含水率对砂岩强度的应变率强化效应和应变率对砂岩强度的含水弱化效应都没有明显的规律。

含水率；应变率；围压；耦合；抗压强度

长期以来，岩石力学试验研究多集中在含水率、加载速率、围压、温度及流体压力等单因素或双因素对岩石力学性能的影响上。如孟召平等[1]进行了砂岩含水率和围压两因素的独立力学试验，结果表明：砂岩强度与围压呈线性增大关系；代伟等[2-3]进行了风化砂岩单轴、三轴压缩试验，得出了相同的结论；而郭富利等[4]进行了炭质页岩在围压和饱水耦合作用下的力学性能试验，得出围压对软岩强度的影响规律不受饱水时间影响的结论。梁卫国等[5]对岩盐进行了3级不同应变率的单轴压缩试验，结果发现岩盐强度的应变率效应不明显。梁昌玉等[6-7]对花岗岩进行4级应变率的单轴压缩试验，经过分析得出：当应变率小于5×10-4s-1时，其强度的应变率效应不明显；大于5×10-4s-1时，其强度的应变率效应则比较显著。还有些应变率试验研究的同时考虑围压或含水率因素的影响，如田象燕等[8]对干燥和饱水砂岩进行了3级应变率的单轴压缩试验，研究发现砂岩的强度随应变率的增加而增加，且饱水砂岩的应变率效应比干燥砂岩的明显。然而，由于试验条件往往和实际工程环境相差较大，而且地下岩石处于复杂的地质力学环境中，会受到多种不同因素的共同影响。因此，考虑多因素对岩石力学性质影响，不仅能更进一步贴近实际，而且具有一定实用性。

综上所述，本次试验以研究多因素耦合作用下地下岩石力学性质的变化规律为目的，以常见的红砂岩为研究对象，进行了不同含水率、应变率及围压条件下砂岩的三轴压缩试验。

1　试验准备及方案

1.1岩样制备及试验装置

岩样选用四川红砂岩，按照国际岩石力学学会(ISRM)规定的高径比2.0～2.5要求，制成Ø50 mm×100 mm标准圆柱体岩样，如图1所示。由于真空抽气法能较好地实现快速制备不同含水率岩石试样，提高了实验室含水岩石相关试验的效率，故本次研究中含水率岩样制备采用真空抽气快速制备法。含水砂岩不同应变率下的三轴压缩试验在洛阳理工学院岩石力学实验室进行，采用RMT301岩石与混凝土力学试验系统，该设备是中国科学院武汉岩土力学研究所研制的最新产品。

图1　标准砂岩岩样

1.2试验方案

含水砂岩三轴试验主要考虑了含水率、应变率和围压对砂岩力学性能的影响，进行三因素耦合交叉试验，具体试验方案如下：

(1)红砂岩经含水率测试，最大饱和含水率为4%，试验含水率取干燥(0)、中等(2%)、和饱和(4%)三组；

(2)试验采用位移控制，仪器设置的参数为变形速率，因岩样为标准高度100 mm，故变形速率为应变速率的100倍。刚开始进行的应变率预备试验，发现应变率从1×10-5s-1升至1×10-4s-1时其强度变化不明显，另外仪器RMT301试验最大变形速率为1 mm/s，故应变率取1×10-5s-1、50×10-5s-1、100×10-5s-1三级。

(3)根据试验模拟的浅地层地应力大小，围压选0MPa、2MPa、4MPa和8MPa四组，其中围岩0MPa时的强度也即砂岩的单轴抗压强度。

2　试验结果统计与分析

为了使试验结果更具可靠性，试验中的岩样每组取5个，表1给出了不同含水率、应变率及围压三因素耦合条件下砂岩的抗压强度平均值。

表1　不同含水率、应变率及围压条件下砂岩的抗压强度

分析表1可以看出：在含水率和应变率相同的条件下，砂岩的抗压强度随围压的增加不断增大；在含水率和围压相同的条件下，砂岩的抗压强度随应变率的增加不断增大；在应变率和围压相同的条件下，砂岩的抗压强度随含水率的增加不断减小。

根据表1中统计的不同含水率、应变率及围岩三因素耦合条件下砂岩的抗压强度平均值，计算出三因素耦合条件下砂岩的抗压强度变化值，如表2～表4所示。

表2　不同含水率和应变率下砂岩的抗压强度随围压增大幅度值

分析表2可以看出：(1)在不同含水率和应变率下，随着围压的增加，砂岩抗压强度增大的幅度都超过了50%，这说明围压对砂岩的抗压强度有很显著的硬化效应。但是含水饱和状态的砂岩抗压强度增大的幅度最明显，基本上是干燥状态砂岩抗压强度增大幅度的2倍。(2)在应变率相同的情况下，随着含水状态从干燥到饱和，砂岩抗压强度增大的幅度不断加大，这说明砂岩的含水率越大，其围岩硬化效应越大。(3)在含水率相同的情况下，随着应变率成倍的增加，砂岩的抗压强度增大的幅度有所降低，但降低的不明显，这说明砂岩的应变率越大，其围岩硬化效应越小。

表3　不同含水率和围压下砂岩的抗压强度随应变率增大幅度值

分析表3可以看出：(1)在不同含水率和围压下，随着应变率的增加，砂岩抗压强度增大的幅度大部分都在10%～20%，这说明应变率对砂岩的抗压强度也有硬化作用，但没有围压的硬化效应明显。(2)在围压相同的情况下，随着含水状态从干燥到饱和，砂岩抗压强度增大的幅度没有明显的规律性。(3)在含水率相同的情况下，随着围压成倍增加，砂岩的抗压强度增大的幅度有所降低，但降低程度不明显。

表4　不同围压和应变速率下砂岩的抗压强度随含水率的减小幅度值

分析表4可以看出：(1)在不同围压和应变率下，随着含水率的增加，砂岩抗压强度减小的幅度基本都在35%左右，这说明含水率对砂岩的抗压强度有很显著的劣化作用。(2)在应变率相同的情况下，随着围压的增加，砂岩抗压强度也有一定降幅，这说明围压的增加会减小砂岩的含水弱化效应。(3)在围压相同的情况下，随着应变率成倍增加，砂岩抗压强度减小的幅度没有明显的规律性。

3　结论

本次试验主要分析了含水率、应变率及围压这三个因素对砂岩抗压强度的影响规律，总的来说，三因素对砂岩抗压强度的影响表现为围压硬化效应、应变率强化效应和含水弱化效应，具体有如下结论：

(1)在应变率相同时，砂岩的含水率越大，其围压硬化效应越显著；在含水率相同时，砂岩的应变率越大，其围岩硬化效应越不显著，也即含水砂岩在低应变率下的围压硬化效应更加明显些。

(2)由于围压的存在，使得砂岩强度的含水弱化效应和应变率强化效应之间的相互关系变得不具规律性。但整体来看，围压的增大，会减小含水弱化效应和应变率强化效应；含水率的增大，加强了围压硬化效应；应变速率的增大，削弱了围压硬化效应。

[1]孟召平，彭苏萍，傅继彤.含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨[J].岩石力学与工程学报，2002，21(1)：102-106.

[2]代伟，陈建宏，李志江.不同风化程度砂岩力学特性实验研究[J].武汉理工大学学报，2008，30(12)：140-142.

[3]张卫中，陈从新，余明远.风化砂岩的力学特性及本构关系研究[J].岩土力学，2009，30(z)：33-36.

[4]郭富利，张顶立，苏洁，等.地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(11)：2324-2332.

[5]梁卫国，徐素国，莫江，等.盐岩力学特性应变率效应的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(1)：43-50.

[6]梁昌玉，李晓，王声星，等.岩石单轴压缩应力—应变特征的率相关性及能量机制试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(9)：1830-1838.

[7]梁昌玉，李晓，张辉，等.中低应变率范围内花岗岩单轴压缩特性的尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(3)：528-536.

[8]田象燕，高尔根，白石羽.饱和岩石的应变率效应和各向异性的机理探讨[J].岩石力学与工程学报，2003，32(11)：1789-1792.

Analysis of three axis compressive strength of water bearing sandstone under different strain rates

ZHANG Jun1，GAO Fu-qiang2，YANG Jin-jin1

(1.CollegeofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.DepartmentofCivilEngineering,LuoyangInstituteofScienceandTechnology,Luoyang471023,China)

The three axial compression tests are carried out under different water content,strain rate and confining pressure,and count the average values of the compressive strength of sandstone during the coupling of these three factors.The influence of water content,strain rate and confining pressure on the compressive strength of sandstone is analyzed.The results show that the influence factors of sandstone strength,moisture content,strain rate and confining pressure have a certain mutual influence relationship.Further research shows that it is significant for the confining pressure hardening effect of aqueous sandstone at low strain rates.and there is no obvious law of the effect of strain rate strengthening effect and strain rate on the strength of sandstone under the confining pressure.

moisture content;strain rate;confining pressure;coupling;compressive strength

2016-01-21

张 军(1990—)，男，河南信阳人，硕士研究生。

1674-7046(2016)02-0037-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.02.007

TU452

A