圆柱体岩石在不同围压下力学性能的研究

赵广臣 张永生 胡新萍

（山西工程技术学院，山西 阳泉 045000）

0 引言

岩石经历高温作用的情况通常在矿产资源开发、地下工程建设、放射性核废料处理等场合出现。高温作用会导致岩石内部矿物质的转化和矿物间结合变化，进而导致岩石宏观力学性能发生变化。很多专家都对经历高温作用的岩石进行了大量研究，刘石等[1]对经历不同温度的岩石进行了轴向压缩试验，发现特定的温度可以导致岩石单轴抗压强度提高，更高的温度才能造成单轴抗压强度急剧降低。薛凯喜等[2]分析了侧限条件对岩石的单轴压缩性能的影响，发现加载方式对受侧限岩石的单轴受压性能影响显著，位移加载模式可以导致岩石试样显著的蠕变现象。肖伟晶等[3]对渗透压力作用下的红砂岩进行了三轴压缩试验，研究表明渗透压增加会导致轴向峰值应力减小、破坏时的轴向应变减小，径向应变变化幅度增大；渗压的增加还会造成变形模量的减小；应力偏量的增加却会导致变形模量逐渐增大，并且变形模量及强度与轴向应变的相关性更强。温韬等[4]从能量和损伤的角度研究了不同围压下板岩的三轴受压，研究表明，不同变形阶段板岩的弹性应变能、耗散能的变化情况不同，弹性应变能先增加后减小，耗散能加载初期几乎为零，进入屈服段急剧增加。郝士云[5]对温度作用后岩石的动态压缩力学性能进行了实验和数值模拟，发现随着加载速度提高，岩石试样的应力峰值和应变峰值增大，破坏程度加剧。

上述研究从静态和动态方面，采用实验和数值方法，研究了高温作用后岩石的力学性能。虽然一些研究也关注到岩石的围压条件[3][4][6]，但仍需要进一步的研究。本文采用ABAQUS软件建立有限元模型对常温和高温热处理的圆柱体岩石试样在不同围压下的轴向受压力学行为进行了数值模拟，得到了不同围压下常温岩石试样和高温岩石试样的破坏模式及承载力位移曲线，并进行了对比分析，为工程设计和实施提供参考。

1 岩石力学性能实验方案

本文中的试样采用圆柱体试样，尺寸为d=50mm，h=100mm。将试样分别放入马弗炉中进行加热至1000℃，再缓慢降至室温25℃。

采用WES-1000B电液伺服万能试验机对试样进行轴向加载，直到破坏，加载速率为0.2mm/min。轴向应变通过电阻应变片测量。

实验得到了试样的破坏形态（图1、图2）。常温试样的破坏形态为加载端脆性破坏，高温处理试样最终的破坏形态均为沿斜截面的剪切破坏，岩石试样破碎严重。

图1 岩石试样的破坏形态

图2 热处理岩石试样轴向受压本构关系

通过岩石试样轴向受压本构关系得到热处理岩石试样的弹性模量、抗压强度及破坏塑性应变（见表1）。

表1 岩石试样的本构关系参数

2 有限元模型及其有效性验证

2.1 有限元模型

岩石试样模型通过上压盘和下压盘进行轴向加载，上下压盘采用解析刚体建立，岩石试样采用C3D8R减缩积分实体单元，单元尺寸为2mm。下压盘固定，在上压盘施加位移荷载。上下压盘与岩石之间法向采用硬接触，切向采用罚接触，摩擦系数取0.2。有限元岩石材料采用Drucker Prager本构关系，假设材料为各向同性，常温岩石试样的参数见表2[7]。有限元模型如图3所示，高温热处理岩石试样的内摩擦角、膨胀角和泊松比也按表2取值，其它参数按表1取值。

表2 岩石材料参数

图3 有限元模型

f b，其中f b为岩石试样的单轴抗压强度。围压为0主要是为了与实验结果对照验证有限元模型的有效性，有限元模型围压条件见表3。

表3 有限元模型名称及围压条件 MPa

2.2 有限元模型有效性验证

有限元模型C1、F1最终的损伤分布和破坏形态如图4，与图1中实验得到的破坏形态是相近的，说明有限元模型是有效的。常温试样发生脆性劈裂破坏是因为试样的刚度脆性较强，试样端面与试验机压盘接触不充分，导致压盘对试样的横向约束不强，破坏由横向应变导致的纵向裂缝开展控制，并且破坏先发生于试样上端或者下端。高温处理过的试样韧性增大，破坏由最大剪应力控制，表现为剪切破坏，破坏后的试样在上端和下端形成了一个锥体。

图4 有限元模型破坏形态

3 有限元模拟结果及分析

常温试样在不同围压下的破坏模式如图5所示，随着围压的增大，岩石的轴向抗压强度得到提高[3]，虽然围压对整个试样形成了良好的约束，但是由于常温试样具有极强的脆性，使得试样的破坏形式表现了端部的破坏。由高温热处理试样在不同围压条件下的破坏形态（图6）可以看出，经过较强热损伤的岩石的破坏形态对围压并不敏感，其破坏形态表明，破坏是由应力偏量引起的。常温试样不同围压下轴向加载力—位移曲线（图7）的破坏下降段陡峭程度也表明了围压条件下常温试样的破坏表现为典型的脆性。

图5 常温试样不同围压下的破坏形态

图6 荷载-滑移曲线

图6 高温热处理试样不同围压下的破坏形态

图7 常温试样不同围压下轴向加载力—位移曲线

高温处理试样不同围压下轴向加载力—位移曲线（见图8）显示，经历过高温的岩石在较大围压条件下，其轴向抗压强度可以得到提高，破坏位移增大，曲线与横坐标所围的面积增大表明在破坏过程中可以损耗更多的能量。常温试样也有类似的特点，但程度要比高温处理试样弱，这说明高温处理试样的韧性要比常温岩石试样强，常温试样破坏段对应的曲线下降段斜率比高温处理试样破坏下降段斜率小得多，也从另外一个角度说明高温热处理岩石试样的这个特点。

图8 高温处理试样不同围压下轴向加载力—位移曲线

4 结束语

（1）虽然围压会增强常温试样两端的约束条件，但是因为常温试样具有刚度大脆性高的特点，所以各种围压条件下的常温岩石试样的破坏形态都表现为端部脆性破坏。

（2）因为较高的处理温度造成岩石发生了较大损伤，破坏控制因素为应力偏量，所以高温处理试样破坏形态对围压条件不敏感。

（3）无论是常温试样还是高温热处理试样，较高的围压条件可以提高岩石的破坏耗能特性。