黄砂岩三轴压缩变形的破坏特征

蒋元男， 迟学海， 周凤燕

(1.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨150022; 2.吉林省龙家堡矿业有限责任公司，长春130505)

黄砂岩三轴压缩变形的破坏特征

蒋元男1， 迟学海1， 周凤燕2

(1.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨150022; 2.吉林省龙家堡矿业有限责任公司，长春130505)

针对黄砂岩破坏引起的工程安全问题，采用岩石全自动伺服流变仪对黄砂岩进行三轴压缩实验，研究不同围压下黄砂岩的变形、强度及破坏特征。实验结果表明:随着围压增加，弹性变形阶段的应力应变曲线呈线性特征;塑性变形阶段，随着围压增大屈服强度增加，应力差和应变差随围压增大而增大，应力差最大增加123.68%，应变差增加152.60%，塑性变形特征明显;三轴抗压强度随着围压增大且呈线性增长;黄砂岩的破坏方式低围压时表现为剪胀破坏，高围压时表现为单一剪切破坏。该实验成果可以为解决黄砂岩工程问题提供基础数据。

围压;三轴加载;变形特征;强度特征

0 引言

黄砂岩是我国华中、华北、西部等地区分布比较广泛的岩体之一，也是公路、隧道及边坡等工程建设过程中常遇到的工程岩体。很多地区的公路路基、隧道围岩及边坡基岩多由黄砂岩构成，由于黄砂岩破坏引发路基塌陷、隧道围岩破裂及边坡基岩滑移的问题日益增多，直接影响了工程安全。为此，国内学者对黄砂岩的物理力学性能已经开展了研究。任巍杰［1］研究发现黄砂岩单轴抗压强度、残余强度、变形受尺寸效应影响显著。戴俊、吴涛等［2－3］研究不同功率微波照射下黄砂岩试件抗冲击性能，经冲击作用后岩石抗冲击性能随微波照射功率的增大而逐渐降低。倪敏等［4］对黄砂岩进行I型和I－II型复合动态断裂实验，得到动态断裂韧度尺寸效应规律。纪维伟等［5］采用数字图像相关法对黄砂岩进行半圆盘三点弯曲断裂实验，分析结果表明黄砂岩的峰值强度随着预制裂纹数量增加而降低，随着裂纹长度增加刚度降低、塑性流动增加。卢高明等［6－7］对黄砂岩试样进行了不同围压的常规三轴压缩实验和周期轴向荷载疲劳实验，得到了黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向及体积变形特性。肖福坤等［8－9］研究黄砂岩循环加卸载条件下的弹性应变能特性和拉压剪应力条件下的声发射特性。

目前，黄砂岩三轴压缩过程中的变形和强度特征的研究尚需深入，笔者试图利用岩石全自动伺服流变仪开展不同围压下三轴压缩实验，研究黄砂岩三轴压缩过程中塑性变形、峰值强度和破坏方式与围压的关系等物理力学特性，为黄砂岩的工程应用提供基础参数。

1 实验方法与原理

1.1 实验试样与设备

选用云南昆明黄砂岩作为实验样品，主要矿物成分为:石英、长石、方解石及黏土矿物。按照国际岩石力学学会ISRM建议的实验室规范要求加工圆柱形标准试件，尺寸为50 mm×100 mm。采用Sonic Viewer－SX岩样超声波速测试系统检测试件，挑选波速相近试件开展三轴实验，避免试件波速、密度异常而影响实验结果。从制作的标准试样中分别挑选出15个试样作为研究对象，对其进行编号。

三轴压缩实验在黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室 TOP INDUSTRIE Rock 600－50型岩石全自动伺服流变仪上进行，如图1所示。该系统由轴压、围压和渗流压力伺服装置构成，采用2支线性位移传感器(LVDT)采集轴向应变，通过放置在岩样高度中心的环向电子应变计采集环向应变。

图1 岩石全自动伺服流变仪Fig.1 Rock servo-controlled rheology testing machine

1.2 实验方法

实验设置了5组围压(5、10、20、30、40 MPa)条件下的三轴压缩实验方案，为了更客观分析实验结果，每组围压条件下重复三次实验。实验采用先以缓慢的速度加载围压 σ3至预定值，再施加1 MPa/min的轴向应力加载至试件破裂的方法。试件用热缩管包裹，以免漏油影响实验结果。表1为黄砂岩三轴压缩实验结果，其中，Δσmax(Δσ=σ1－σ3)为峰值强度、ε0为峰值应变、σs为屈服强度、εs为屈服应变。

表1 黄砂岩三轴实验结果Table 1 Triaxial compression test results of yellow sandstone

2 实验结果分析

2.1 应力应变曲线

黄砂岩三轴压缩实验应力－应变曲线如图2所示，图中5～40 MPa的数字标注为围压强度。黄砂岩在三轴载荷作用下经历了弹性变形、塑性变形及破坏三个阶段。应力应变曲线没有明显的压密阶段，这是由于黄砂岩自身均质性较好，在围压加载到静水压力过程中，天然孔隙逐渐闭合。弹性变形阶段应力应变曲线随着围压增加而更加陡峭斜率逐渐增大且呈线性特征。塑性变形阶段试样内部裂隙开始产生、发育，黄砂岩内部结构发生屈服，产生塑性变形，随着围压增加屈服强度逐渐增大，应变增加明显加快;当轴向应力达到试样的极限载荷时发生破坏，三轴抗压强度随着围压增大而逐渐增强。

图2 黄砂岩三轴压缩实验应力－应变曲线Fig.2 Triaxial compression stress-strain curves of yellow sandstone

2.2 强度特征

实验得到的三轴抗压强度如表1所示，将三轴抗压强度与围压进行拟合，拟合曲线如图3所示，拟合结果为

图3 黄砂岩峰值强度与围压曲线Fig.3 Relationship between peak strength of yellow sandstone and confining pressures

式中:σ3c——三轴抗压强度，MPa;

σ3——围压，MPa。

拟合结果的相关系数为0.970 2，拟合效果较好。图3中黑色方形块为三轴抗压强度的离散点，表明三轴抗压强度与围压呈线性增长关系，围压为5 MPa时三轴抗压强度为113.46 MPa，当围压升高后三轴抗压强度分别增加15.85%、54.21%、74.21%和90.89%，围压增强了试样抵抗破坏的能力，三轴抗压强度显著增强。

2.3 塑性变形特征

采用屈服强度A至峰值强度B的应力差和应变差［10］，见图4，描述不同围压下黄砂岩塑性变形特征。图5为不同围压下应力差、应变差变化情况，可知随着围压升高，应力差与应变差均呈上升趋势，围压为10 MPa时增长缓慢，围压为20～30 MPa时增长较快，40 MPa时增长趋于缓慢。具体表现为低围压(5MPa)时，应力差为36.79 MPa，围压升高后应力差分别增加了17.78%、81.16%、122.80%、123.68%;低围压(5 MPa)时，黄砂岩的塑性应变差为0.341× 10－2，当围压升高后，塑性应变差分别增加了13.59%、72.18%、125.84%、152.60%。这是由于随着围压增加，黄砂岩抵抗破坏的能力显著增强，试样从屈服到破坏所需要的应力增大，应变也随之增大，表现出明显的塑性变形特征。

图4 黄砂岩应力－应变曲线Fig.4 Complete curve of yellow sandstone

图5 不同围压下应力差、应变差变化情况Fig.5 Stress difference，strain difference of difference confining pressures

2.4 破坏特征

图6为黄砂岩不同围压三轴压缩实验后破坏形态。从图6可知，黄砂岩不同围压条件下实验破坏形态不同，具有以下特征:围压在5～10 MPa，试样在三轴压缩载荷作用下发生剪切滑移，试样破坏形成的断裂岩块搓动导致体积增大，发生剪胀破坏，同时部分区域也出现了多条张拉裂纹，发生拉伸破坏，破裂面较为复杂。

图6 不同围压下破坏形式Fig.6 Damage forms under different confining pressures

随着围压的逐渐增加，试样破坏方式趋于简单，围压在20～40 MPa条件下均为单斜面剪切破坏，剪切破坏面不存在张拉裂纹，破坏面形态较为规整。

3 结论

(1)黄砂岩三轴压缩应力－应变曲线没有明显的压密阶段，经历了弹性变形、塑性破坏及峰后破坏三个阶段，其三轴抗压强度与围压呈线性增长关系。

(2)围压对塑性变形影响显著。塑性变形阶段的应力差、应变差随着围压增大呈增长趋势，应力差最大增加123.68%，应变差增加152.60%，黄砂岩抵抗外载荷能力逐渐增大，塑性变形特征明显增强。

(3)黄砂岩破坏方式随着围压增加趋于简单，低围压时表现为剪胀破坏且局部存在拉伸破坏，围压逐渐增大后破坏方式转变为单一剪切破坏。

［1］ 任巍杰.基于微型试件的煤岩力学与渗流规律研究［D］.太原:太原理工大学，2015.

［2］ 戴 俊，师百垒，吴 涛.微波照射对岩石抗冲击性能的影响［J］.河南科技大学学报(自然科学版)，2016(01):64－67，8.

［3］ 吴 涛.微波照射引起岩石抗冲击性能变化的实验研究［D］.西安:西安科技大学，2015.

［4］ 倪 敏，汪 坤，王启智.SHPB冲击加载下四种岩石的复合型动态断裂实验研究［J］.应用力学学报，2010(04):697－702，848.

［5］ 纪维伟，潘鹏志，苗书婷，等.基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究［J］.岩土力学，2016(08):2299－2305.

［6］ 卢高明，李元辉.围压对黄砂岩疲劳破坏变形特性的影响［J］.岩土力学，2016(07):1847－1856.

［7］ 卢高明，李元辉，张希巍，等.周期荷载作用下黄砂岩疲劳破坏变形特性实验研究［J］.岩土工程学报，2015(10): 1886－1892.

［8］ 肖福坤，申志亮，刘 刚，等.循环加卸载中滞回环与弹塑性应变能关系研究［J］.岩石力学与工程学报，2014(09): 1791－1797.

［9］ 肖福坤，刘 刚，秦 涛，等.拉–压–剪应力下细砂岩和粗砂岩破裂过程声发射特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2016(S2):3458－3472.

［10］ 汪 泓，杨天鸿，于庆磊，等.不同围压条件下榆横矿区砂岩力学特性和本构关系［J］.煤炭学报，2015(S2): 320－327.

(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Experimental study on deformation failure of yellow sandstone under triaxial compression

Jiang Yuannan1， Chi Xuehai1， Zhou Fengyan2
(1.Heilongjiang Ground Pressure＆Gas Control in Deep Mining Key Lab，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China;2.Longjiabao Coal CoMPany Mining Jilin Province，Changchun 130505，China)

This paper aims to address the engineering safety problems due to the damage of yellow sandstone.The research is focused on performing uniaxial compression tests of yellow sandstones using the rock servo-controlled rheology testing machine and thereby investigating the characters of failure，strength and deformation for yellow sandstone subjected to different pressures.Results show that the increased confining pressure is associated with the linear stress-strain curve of the elastic deformation stage; there occurs an obvious plastic deformation in the plastic deformation stage at which the differences of stress and strain increase with the increase of confining pressure，the maximum stress differences increase by 123.68%，and the strain differences increase by 152.60%;the compressive strength of the three axis increases linearly depending on the confining pressure;and the failure mode of yellow sandstone behaves as dilative shear failure at low confining pressure while the failure mode of yellow sandstone at high confining pressure is marked by a single shear failure.The experimental results could provide basic data for solving the engineering problems of yellow sandstone.

confining pressure; triaxialcompressive strength; deformation characteristics; strength characteristics

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.014

TD315

2095－7262(2017)04－0392－04

:A

2017－05－01

国家自然科学基金项目(51574115;51374097)

蒋元男(1984－)，男，黑龙江省巴彦人，讲师，硕士，研究方向:岩石力学，E-mail:jiangyuannan@163.com。