大理岩高围压压缩卸载后的低围压压缩试验
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发布时间：2022-04-22 07:58
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时间：2023-06-27 01:15
岩石的变形承载特性与应力状态关系密切。较低应力时岩石呈脆性变形特征，而应力增加到一定数值后将转化为延性变形特征。矿物结构是影响岩石力学特性的根本因素。大理岩具有明显的脆性-延性转化特征，转化应力较低，且质地均匀、易于取得，得到了广泛研究［3，4，27～32］。笔者使用的南阳大理岩，转化围压在10MPa左右，而低孔隙的石英岩和花岗岩转化围压可能高达3GPa［33］。
圆柱状大理岩试样在室内常规三轴压缩试验中，围压较高时，应力-应变曲线出现明显的屈服平台，试样变形持续增加，或者说材料在不断产生损伤而承载能力大致维持恒定。试样在延性变形过程中产生剪切滑移，滑移迹线在周向对称；随着围压增大，滑移迹线在轴向逐步增密；在轴向压缩量充分大之后，试样承载能力降低，出现主控破裂面而剪切破坏。Coulomb强度准则的粘结-摩擦概念需要进行研究。
对大理岩试样进行高围压压缩后卸载，再进行低围压或单轴压缩试验，通过分析试样再压缩时的强度、杨氏模量来研究大理岩的损伤、承载特性。试验用大理岩购于河南省南阳市南召县采石场，主要矿物成分为方解石、白云石和菱镁矿，白色，均没有肉眼可见的明显缺陷，整体质地均匀。试样为直径49.6mm、长度100mm左右的圆柱体。
岩块A细粒变晶结构，粒径在0.5～1mm，未风化。5个试样在围压40MPa下压缩至轴向应变0.02后，完全卸载。岩样A3、A4、A5强度特性相同，卸载时轴向应力为314.5～316.2MPa；岩样A9、A11强度特性相同，卸载时轴向应力为304.2MPa和305.3MPa，强度比前3个试样低10MPa，杨氏模量也略低。图7-23是相应的轴向应力-应变曲线。
轴向压缩之前5个岩样的超声波纵波速度为3388～3590m/s，轴向压缩卸载后纵波的数度降低到2184～2420m/s。顺便指出，对于细晶大理岩块A，总计30个试样的纵波速度范围3162～3694m/s，但超声波速度与试样的强度、杨氏模量之间没有明显的相关性。
对上述5个试样，在围压40MPa压缩卸载后，进行不同围压的再压缩试验（图7-23）。作为参考比较，图7-24给出部分完好岩样不同围压下初次压缩的应力-应变曲线。最为明显的是，损伤岩样再压缩的峰值应变减小，峰值之前线性变形特征显著，没有屈服平台；损伤岩样的杨氏模量低于完好岩样，且随围压增大；但二者的强度大致相当。
图7-23 细晶大理岩A的5个试样围压40MPa压缩及卸载后低围压再压缩的应力-应变曲线
再压缩围压：A9—0MPa；A11—5MPa；A3—10MPa；A4—20MPa；A5—30MPa
图7-24 细晶大理岩A部分完好试样不同围压下压缩的应力-应变曲线
围压：A22—0MPa；A35—5MPa；A36—10MPa；A28—20MPa；A38—30MPa
图7-25是上述岩样强度、杨氏模量与围压的关系。本次试验中完好岩样在围压40MPa下压缩时，共有11个试样达到峰值应力，在294.5～316.2MPa之间，平均为306.1MPa；围压30MPa下压缩时有3个试样；20MPa下有4个岩样；单轴压缩有5个岩样，而围压10MPa、5MPa压缩的完整试样各有一个。完好岩样的强度与围压是非线性关系，其强度随围压增大的程度逐步降低。
从上面的试验结果可以看出，试样在较高围压下压缩产生塑性变形之后，在低围压下再次压缩时其强度并不降低，甚至有所增加。这可以认为，岩样达到强度或承载极限之前，内部材料必然产生损伤。承载能力由粘聚力和摩擦力共同构成，颗粒发生局部的相对滑移时粘聚力降低而摩擦力增加。高围压下压缩，粘聚力降低时摩擦力增加较快。当然，岩石将产生塑性变形，但只要压缩变形尚未使岩样达到极限承载能力发生局部破坏，试样卸载之后的再次压缩强度就不会受到明显影响。
大理岩试样在围压下压缩至延性变形阶段卸载后，内部产生损伤，出现分布的剪切滑移面。损伤岩样在同等围压或更高围压下再压缩时，这些剪切滑移面的承载能力与卸载前的承载能力相同或更高，不会产生新的滑移，因而杨氏模量可以保持恒定，或略有增加。围压相同的循环加载，岩样的杨氏模量并不降低。而在较低围压下压缩时，这些裂隙的承载能力较低，在轴向压缩变形作用下发生滑移，在此过程中摩擦系数增大以提高承载能力；围压越低，承载能力增加越慢，因而变形也越大，即围压越低杨氏模量越低。损伤岩样单轴压缩的杨氏模量与三轴压缩时产生的塑性变形呈线性关系降低，围压越低杨氏模量降低程度越大。
图7-25 细晶大理岩不同加载路径下岩样的强度、杨氏模量与围压的关系
◆完好岩样；■损伤岩样；○A39；▲A2
4个试样（A39、A6、A2、A40）在围压40MPa下轴向压缩至不同位置卸载，A39尚未达到峰值，从其应力-应变曲线估计，强度可以达到305MPa（图7-26a）；A6、A2、A40强度在294.5～298.5MPa之间，比图7-23中岩样强度约低10MPa和20MPa。
岩样A39、A2在图7-26 a的卸载后再分别进行围压30MPa、20MPa、10MPa轴向压缩（图7-26b、图7-26c）。A40在进行围压30MPa和20MPa压缩后发生宏观破裂；试样A6仅进行围压5MPa的轴向压缩（图7-26d）。
A39在围压30MPa压缩时卸载应力为272.7MPa，尚未达到其承载极限；在围压20MPa下压缩的峰值应力为232.1MPa，已经进入屈服平台。这两个数值都大于相应围压下4个完好岩样一次压缩强度的最大值230.0MPa。A39在围压10MPa下压缩的峰值应力为168.0MPa，与完好岩样一次压缩的数值168.5MPa相当，但低于图7-23中A3围压40MPa压缩卸载后围压10MPa再压缩的强度175.1MPa。后者原始材料强度较高，且塑性变形是高围压下产生的。
与A40相比，试样A2在围压40MPa压缩的变形稍小，但强度也稍低，二者在围压30MPa时的强度为258.0MPa和258.8MPa，几乎相同，略低于完好岩样一次压缩的数值262.4～269.9MPa。在围压为20MPa压缩时，A2的强度为207.6MPa，已明显低于完好岩样的强度221.0～230.0MPa；A40仅为188.3MPa，已发生脆性破坏，峰值应变低于围压5MPa下压缩的A6。A39和A2不同围压下的强度、杨氏模量也在图7-25中给出。
图7-27是5个试样在围压5MPa时压缩的应力-应变曲线。A35是完整岩样，A6和A11是围压40MPa下压缩至应变0.02卸载，承载能力为297.7MPa和305.3MPa（图7-23，图7-26a），围压5MPa再压缩的强度为123.0MPa和133.0MPa，差距大致相当。A39和A2经历了图7-26的4次加载、卸载。完好岩样A35为初次加载，杨氏模量较高，其余试样的杨氏模量大致相同，但强度不等。即它们整体的弱化特征相当，但局部的最弱承载断面不同。
图7-26 细晶大理岩A试样逐次降低围压的轴向应力-应变曲线
圆柱岩样在围压下压缩至延性变形阶段，产生分布的滑移迹线，内部的塑性变性沿轴向是变化的。对于岩体而言，相同历史应力下各处的变性、弱化特征也不相同。就此可以理解为，细晶大理岩 A 的5个完好试样之间，单轴压缩的杨氏模量差别较大，而强度离散较小（图7-25）。岩样的强度取决于最弱承载断面，而变形却与整体的特性有关。
图7-27 加载历史不同的5个试样围压5MPa时压缩的应力-应变曲线
前面第4节讨论的粉晶大理岩和细晶大理岩，在围压15MPa以上具有大致相同的强度。而图7-25 中的11个试样，从同一细晶大理岩块加工所得，围压40MPa下强度在294.5～316.2MPa之间，变动范围达到22MPa。为此笔者又从同一中晶大理岩块加工了34个岩样，确认岩样加工质量均满足一般规程的要求：端面不平整度小于0.04mm，与中心轴的垂直度偏差小于0.5°。其中15个试样围压40MPa下强度在182.7～195.8MPa之间，变动范围为13MPa。显然，在相同围压下，岩样强度越高，离散性也越大。换句话说，对于图7-25中的细晶大理岩，消除试样之间的强度离散性所需围压要大于40MPa。
图7-28中晶大理岩试样围压40MPa压缩及降低围压再压缩的应力-应变曲线。试样B12和B14在围压40MPa下强度差异为8.3MPa，在围压20MPa下再压缩的强度差异减小为4.5MPa；试样B28和B29在围压40MPa下强度差异为12.5MPa，在围压30MPa下再压缩的强度差异减小为9.8MPa。
图7-28 中晶大理岩试样围压40MPa压缩及降低围压后再压缩的应力应变曲线
中晶大理岩完好试样的杨氏模量与围压没有关系，但在围压40MPa下压缩后进行围压0～30MPa常规三轴压缩，其杨氏模量随围压增大，与图7-23类似，不再给出。
