单轴压缩情况下软岩的动态力学特性试验研究

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摘要：本文对软岩(砂浆模拟材料)进行了应变速率范围为10-5到101s-1的动单轴压缩实验。实验结果表明，试样的抗压强度随应变速率的增加有较明显的增加趋势，增加幅度大于硬岩。同时，试样的弹性模量以及泊松比随着应变速率的增加均有增加的趋势，但幅度小于强度的增加幅度。本文还根据不同应变速率下试样破裂面的SEM实验结果，初步分析了软岩动态力学特性机理。

关键词：动单轴压缩 软岩 力学特性

mechanical properties of soft rock under dynamic uniaxial compression

Abstract: The present paper introduced the experimental study on soft rock (analogized with mortar) under dynamic uniaxial compression at the strain rates from 10-5 to 101 s-1. It is indicated that the compressive strength of the soft rock increase with the increasing strain rate and the rising rates are higher than that of soft rock. The Young’s moduli and Poisson’s ratio of the soft rock increase with the increasing strain rate, but the rising rates are less than that of compressive strength. In addition, based on the SEM results, the mechanism of the strain rate effect of the soft rock is primarily analyzed.

Key words: Dynamic uniaxial compression / soft rock/ mechanical properties

一、前言

岩石材料在动载荷作用下的力学特性是研究爆炸以及地震载荷在岩石结构中传播与衰减规律的基本参数。应用动载实验机等试验系统，国内外研究人员对不同的岩石特别是硬岩(花岗岩、石灰岩等)进行了大量的实验，如文[1-9]的研究工作。这些研究结果表明，在中等应变速率范围内(10-5s-1-101s-1)，硬岩(如花岗岩、石灰岩等)的抗压强度随应变速率的增加由增加趋势，但增加幅度不大，同时，硬岩的变形参数如弹性模量、泊松比随应变速率的变化较小。例如，吴绵拔和刘远惠[8]对花岗岩进行的中等应变速率下的实验结果表明，当应变速率从10-5s-1增加到10-1s-1时，花岗岩的单轴抗压强度增加25%，变形模量增加19%，试样的泊松比基本上与应变速率无关。Olsson[2]用两种实验设备对凝灰岩进行的应变速率为10-6到103s-1的单轴抗压实验结果表明，当应变速率小于76s-1时，岩石试样的强度随应变速率的变化不大(当应变速率由10-6增加到101s-1时，岩石的抗压强度增加约10％，而当应变速率大于约76 s-1后，岩石试样的强度随应变速率的增加而大幅度增加。Zhao 等人[4]对Bukit Timah花岗岩进行的动单轴压缩实验结果表明，当应变速率由10-5增加到101s-1时，花岗岩的抗压强度增加约20％，同时，花岗岩的弹性模量和泊松比随应变速率的变化影响较小。

值得指出的是，现有的研究工作主要针对硬岩，很少有涉及到软岩动态力学特性的实验研究工作。因此，本文以砂浆为模拟材料，研究软岩材料在动载荷作用下的强度、变形特性同应变速率的关系。同时，结合不同应变速率下试样破裂面的SEM实验结果，初步分析了软岩动态力学特性机理。

二、试样制备与实验设备

实验采用试样为砂浆材料，材料的配合比(重量比)为：水泥：砂：水＝1：1.2：0.44。砂的粒径范围为0.5－1.2mm，水泥为普通525#硅酸盐水泥。试样制作过程中，先浇注成大试件，在室温下养护至少28天，然后在大试件上用套钻钻取，制作成f30´60mm的圆柱体试样。试样的两端磨平(不平行度小于0.02mm)，没有宏观缺陷。

所有实验均在中国科学院武汉岩土所自行研制的RDT-10000型岩石高压动三轴实验系统上进行，图1为该系统的照片，该系统的主要性能指标如下：最大轴力：220kN，试样尺寸：f30´60，最快加载时间：8ms；围压范围：0－1000MPa。该设备的详细性能指标见文[10]。

图1 RDT-10000型岩石高压动三轴实验系统

Fig.1 RDT-10000 type rock dynamic triaxial compression system

三、实验结果及分析

实验过程中，试样的轴向应力由安设在试样上部的压力传感器测量，试样的强度取为试样破坏时的最大轴向应力。试样的应变速率为试样轴向破坏应变除以加载时间。试样的轴向、环向应变、分别由粘贴在试样中部的应变片量测得到，试样的体应变由轴向应变和环向应变计算由下式得到：

(1)

根据文[11]，试样的弹性模量(E)以及泊松比(g)按如下方法确定：

(2)

(3)

代表性应力－应变曲线见图2。图3为是实验得到的试样强度随应变速率的变化规律。可以看出，当应变速率从10-5s-1增加到101s-1，试样强度增加60％左右。而对于硬岩(如花岗岩)，在相同的应变速率范围，试样强度增加20％左右[4]，因此，软岩强度随应变速率的增加幅度要高于硬岩。

图2 代表性应力应变曲线

Fig.2 Typical stress strain curves

图3 强度随应变速率的变化规律

Fig.3 Change of compressive strength with strain rate

图4、5为试样的弹性模量和泊松比随应变速率的变化规律，可以看出，与硬岩(如花岗岩)的弹性模量和泊松比随应变速率的增加变化幅度不大相比，试样的弹性模量和泊松比随着应变速率的增加有较明显的增加趋势，但增加幅度要小于强度随应变速率的增加幅度，当应变速率从10-5s-1增加到101s-1，试样的弹性模量和泊松比增加幅度在20％以内。

图4 弹性模量随应变速率的变化规律

Fig.4 Change of Young’s moduli with strain rate

图5 泊松比随应变速率的变化规律

Fig.5 Change of Poisson’s ratio with strain rate

四、结论及讨论

本文对软岩(砂浆模拟材料)进行了动态单轴压缩实验，结果表明，试样的抗压强度随应变速率的增加有较明显的增加趋势，增加幅度大于硬岩(如花岗岩)。同时，与硬岩(如花岗岩)的弹性模量和泊松比随应变速率的增加变化幅度不大相比，随着应变速率的增加，软岩的弹性模量以及泊松比均有增加的趋势，但增加幅度小于强度的增加幅度。基于岩石动态力学特性实验研究，国内外研究人员作了大量的工作致力于揭示岩石材料的动态力学特性机理。例如，Grady[7]提出了一种假设。他认为，岩石材料内部存在的裂纹的扩展和聚合是岩石材料破坏的根本原因，在低应变速率下，仅仅那些能在低应力水平下被激活的裂纹发生扩展，这些裂纹的扩展和聚合使得岩石材料在应力水平达到能使其他裂纹扩展之前已经发生破坏, 因此岩石材料具有较低的强度；而在高应变速率下，在那些在低应力水平下被激活的裂纹聚合之前，应力已经达到一个较高的水平，这时需要很多裂纹参与扩展，消耗外力功，从而导致岩石材料的强度的增加。Grady[7]也认为，岩石材料的脆性会随着应变速率的增加呈现增加的趋势。

在Grady [7]的工作之后，Masuda[9]等人于1987年发现花岗岩材料在压缩载荷作用下的AE (Acousmic Emmision)率随加载速率的增加而增加。由于材料的AE率是材料破坏过程中裂纹扩展的直接结果，Masuda等人[9]的结果实际上也表明了在动载荷情况下多裂纹参与了材料的破坏。另外，Swan等人[12]对油页岩破坏后的SEM(Scanning Electronic Microscopy)观察结果表明，在低应变速率下，岩石试样的破坏面由大尺寸的裂纹构成，而在高应变速率下，破裂面由许多细小的裂纹构成，因此，Masuda和Swan的观察结果也Grady的假设相符。

图6、7为代表性试样破坏后的式样破裂面的SEM实验照片(应变速率分别为：10-5s-1和101s-1)，可以看出，随着应变速率的增加，试样的破碎程度和裂隙发育程度增加。表明，随着应变速率的增加，更多裂纹参与扩展，导致软岩强度随应变速率的增加。因此，在动载荷作用下，软岩的应变速率效应机理与硬岩是一致的。

参考文献

Janach W. The role of bulking in brittle failure of rock under rapid compression. Int J Rock Mech Min Sci 1976, 13: 177-186.

Olsson.WA. The compressive strength of Tuff as a function of strain rate from 10-6 to 103 /sec Int J Rock Mech Min Sci, 1991;28(1):115-118,

Lajtai EZ, Scott Duncan EJ, Carter BJ. The effect of strain rate on rock strength. Rock Mech Rock Eng, 1991,24:99-109.

Zhao J, Li HB, Wu MB and Li TJ. Dynamic uniaxial compression tests on granite. Int J Rock Mech Min Sci, 1999,36(2): 273-277.

Chong KP, Hoyt PM, Smith JW and Paulsen BY. Effects of strain rate on oil shale fracturing. Int J Rock Mech Min Sci,1980,17:35-43.

Blanton TL Effect of starin rate from 10-2 to 10 sec-1 in trxaila compresion tests on three rocks. Int J Rock Mech Min Sci, 1981,18:47-62.

Grady DE. The mechanics of fracture under high-rate stress loading. Mechanics of geomaterials (edited by Z.Bazant),1985, 129-155.

吴绵拔,刘远惠. 中等应变速率对岩石力学特性的影响. 岩土力学, 1980, (1): 51-58.

Koji Masuda et al.,. Experimental study of strain-rate dependence and pressure dependence of failure properties of granite. J.Phys.Earth. 35,37-66,1987

王武林, 刘远惠 ,陆以璐 ,张杰. RDT-10000型岩石高压动力三轴仪的研制 .岩土力学,1989, 10(2),69-82.

Brown ET. Rock Characterization testing & Monitoring, ISRM Suggested Method. 1987.

Swan G, Cook J, Bruce S and Meethan R. Strain rate effect in Kimmeridge Bay Shale. Int J Rock Mech Min Sci, 1989, 26(2), 135:149.

图6 试样破裂面SEM照片(应变速率：10-5s-1、试样编号: 45)

Fig6 SEM photo of the sample failure surface (strain rate: 10-5s-1, sample No:45)

图7 试样破裂面SEM照片(应变速率：101s-1、试样编号:17)

Fig.7 SEM photo of the sample failure surface (strain rate: 101s-1, sample No: 17)