冻结状态多级应变速率下凝灰岩力学特性试验研究.pdfVIP

·330· 矿山建设工程新进程——2006全国矿山建设学术会议文集(下册) 冻结状态多级应变速率下凝灰岩力学特性的试验研究 王开林1杨圣奇2苏承东3 (1河南理工大学土木工程学院河南焦作454000； 2河海大学岩土工程研究所 江苏南京 210098； 3河南理工大学能源科学与工程学院 河南焦作454000) 摘要：本研究采用北海道登别凝灰岩为研究对象，利用MTS312．21型电液伺服试验机在五级不同 的应变速率下，对冻结状态下自然干燥岩样和水饱和岩样进行了单轴压缩试验，研究了应变速率对冻结状 态下的岩样强度、变形等力学参数的影响规律，建立了冻结状态下反映应变速率的水饱和岩样单轴抗压强 度的经验公式。结果表明，冻结状态下应变速率的变化对自然干燥岩样的单轴抗压强度没有太大的影响； 而水饱和岩样的峰值强度随应变速率的增大有明显增大的趋势。 关键词：岩石力学f凝灰岩；冻结状态；单轴压缩；应变速率 引言 岩石力学中的加载速率是一个变化幅度很大的参数。在一般岩体工程中，如煤炭和采矿 爆破卸载速率为每秒几分之一量级，但对于巷道矿柱，其变形量却很小。在不同的加载方式 下，岩石材料的力学性能不仅在量上，而且在质上发生变化。因而有关岩石材料在不同应变 速率作用下的力学效应分析，一直被视为岩石流变力学基本研究课题之一[1]。蔡跃军等曾于 1983年利用300 出岩石峰值强度及其应变、弹性模量均随应变速率的增加而增大的结论。陈升强通过采用刚 性加荷技术进行岩石变形全过程观测后指出，应变速率较高时岩石的峰值后卸荷刚度明显 小于应变速率较低时的状况。国外有关岩石的加载速率研究是与20世纪60年代刚性试验 对油页岩进行了应变速率从lo_4／s～10／s的室内试验，另外又对裂隙岩体含水量的影响进 不同应变速率作用下的试验，提出了峰值强度随应变速率增大而增大的经验公式。1991年， Lajtai等[6]将应变速率效应的研究扩展到对脆性石灰岩和延性盐岩等观测分析中。虽然前 人对自然状态下加载速率对岩石力学性质的影响进行了各种各样的试验研究和理论分析， 但是对于冻结状态下加载速率对岩石力学性质影响规律的研究尚未见到任何报道。本研究 着重对冻结状态下自然干燥岩样和水饱和岩样进行单轴压缩试验，讨论了冻结状态下加载 速率的变化对岩石强度、变形等力学参数的影响规律。 1岩性描述及试件制作 试验以北海道登别溶结凝灰岩(以后统称登别凝灰岩)为供试岩石。登别凝灰岩是由火 山灰和火山砂经固结形成的，属于沉积岩的一种，主要矿物成分为斜长石(0．13～1．35 岩土工程 ·331· mm)、紫苏辉石(1．o～2．5mm)、普通辉石、浮石，安山岩和玄武岩片等，在这些矿物颗粒之 间有直径小于0．02mm的不透明矿物和火山玻璃被填埋。登别凝灰岩含有明显的流理面， mX40cmX80c 颜色为石褐色。从北海道登别采石场，采取大小为40c 121的凝灰岩岩块。岩 块取回后用彩笔描出流理面方向，单轴压缩试验用试件的钻孔方向沿着垂直于流理面的方 向，把钻出的岩芯的两端用钻石切割器切平整。然后，在磨石机上进行研磨，制成直径30 mm、长度60mm并且端面精度达到±1／20mm之内的圆柱形试件。试件做成后，在自然状 态下干燥一周以上，将全部试件放在温度为105℃的干燥炉中，经过24小时后，将其取出。 然后将一部分放在自然状态下干燥一周以上，得到了自然干燥岩样；再将剩下的另一部分试 件置于纯静水中，放置两周以上后，得到了水饱和岩样。在试验中，把自然干燥岩样和水饱和 岩样放置在温度为一20。C的温度控制箱中，这样就得到了冻结状态下的自然干燥岩样和水 饱和岩样。这里说的自然干燥岩样不是指在常温下。 2试验装置及控制 加载装置用的是MTS公司制造的伺服材料试验机(以下简称为材料试验机)。加载装 置所能加的最大荷载，单轴压缩下为100kN。材料试验机主要能实现对三种功能的控制，也 通过人工干预材料试验机的控制装置，可以实现要完成的试验。材料试验机左边有一个 自动温度控制箱，变温范围为一35℃～+100℃，通过程序设置可以达到所期望的