破裂岩石的时效特性及其长期强度.pdfVIP

破裂岩石的时效特性及长期强度① 李晓王思敬 李焯芬 中国科学院地质研究所北京：00029 香港大学土丰及结构工程系番港 摘要破裂。苷石的时效特性及 毛期强度对于软弱破碎岩石工程的长期稳定性具有重要意义。本 文利用先进的MTS电液伺服试验机．对砂岩试降进行了一系列的峰后应力松弛。手蠕变试验，首 次获得丁破裂岩石在三轴压缩下的松弛曲线与蠕变曲线。研究表明．峰后区岩芒经一定时间的 应力松弛可以达到新的平衡状态．但这些平衡应方不能作为破裂岩石的长期强度。破裂岩石确 实具有长期强度，它们只能由不同围压下的峰后螭变试验获得． 关键词礤：裂岩石时敏特性 长期强厦 实验室试验 】 引言 破裂岩石或高度节理化岩体在实际岩石：[程中经常遇到，特别是在采矿工程和一些地 下工程中，尽管巷道周围的岩石或采空Ⅸ的矿柱已发：生破裂，但“破裂岩石9仍能支撑相当大 的负荷，尤其是当侧面有支护时更是如此。事实上，地下采矿工程都是在围岩破裂和破裂发 展中进行的。因此．对于破裂岩石或岩石破裂后力学行为的研究，一直是采矿和矿山岩石力 学工作者所关芷的课题。电液伺服试验讥的出现为这一研究提供了强大的试验手段。 乜存在一条长朗强度曲线，在这条曲线上，破裂试件可以长期支撑载荷“]。其它一些试验结 具也支持这一结论”]。然而，Pertg对大理岩和砂岩所做的试验表明，破裂岩石能维持常载荷 作用的时间非常短．均不足10分钟试件就完全崩溃o】。近来的试验表明，弼岩试件在产生宏 观破裂后仍能维持载荷达50天以上 “。可见逛今为止对二f破裂岩石长期稳定性问题所做的 ji多的一些试验中存在着较大的差异。 鉴于实际岩石工程周围的破裂岩体通常具有各种支护结构提供的侧向约束，因而对于 三轴压缩下破裂岩石的时效特性和长期稳定性研究就显得非常必要。对此，目前文献尚未见 诸报道。我们利用香港大学新近引进的先进的MTS815．04型电液伺服岩石力学试验系统， 对煤矿常见的砂岩试件连行了一系列三轴压缩下的峰后松弛与蠕变试验．研究了破裂岩石 在围压作j封下的时效特性：和长期强度．纠正了前人对于这一问题的一些不正确的结论。 试验用岩石取自徐州张小楼煤矿一i080ra运输巷道。岩石属石炭二叠纪粉砂岩，岩样 呈灰白色．质地均匀。其颗粒直径为e．zI 振动，在井下采羽人工手钻方式，截取约0．4”见方的 大岩块。在实验室，从这些岩块中沿 同一方向钻取岩芯，加工成直径SOmm、高度】20mm的标准圆柱体试件。试件具有良好的均 @菌象白j： ；科学基金资助_哽目座机电话号码。 214 心 质性和各向同性。试验重复性很好，平均离散系数小于9％。 2破裂岩石的松弛特性 松弛是变形保持为常数时，试件中应力随时间降低的特性。应力松弛现象在巷道围岩破 裂带中经常出现。峰后应力松弛试验由预加载、位移加载和固定变形三个阶段组成。首先对 试件施加静水压力到指定围压值。然后保持围压不变，以等应变率； 1×10“／s施加轴向 位移到峰后某一指定点。这时保持试件的变形不变，将其载荷降记录为时闯的函数，直到载 荷随时间不再降低为止。 图1分别给出了砂岩试件的全应力应变曲线和应力松弛曲线，图1 b 的每条松弛曲线 与图1 a 的各应力点相对应，括号中数字表示应力的松弛量。 亩m王一zo#vX5山正∞∞山正J_∞ STRAIN TIME M” E．洋 a b 固1砂岩试件的三轴应力松弛试验 吼 5MPa a 全应力应变曲线， b 应力松弛曲线 由图1可见，在峰前区 如图1中点A ，尽管试件已处于非弹性变形状态，但应力松弛 量很小，松弛曲线很快达到渐近值。而在峰后区，由于宏观裂纹的产生和扩展，破裂岩石表现 出明显的松弛特性。不同应力水平下的峰后松弛曲线基本相似，它们均由初始的瞬态松弛段 和后继的减速松弛段组成。在瞬态松弛段，应力下降的幅度大而时闻短，应力降约占整个松 弛量的80％以上，而所经历的时间约为3～5分钟。瞬态松弛段主要是因试件变形破裂的突 然受阻所造成。在减速松弛段，应力随时间按幂指数规律缓慢下降，直到趋于一些渐近值，试 验机与破裂试件系统达到了新的平衡状态。 比较图1 b 的各条松弛盐线发现，应力松弛量的数值与峰后应力应变曲线的负斜率成 正比。试件的峰后应力应变曲线呈现明显的台阶状，即峰后曲线由陡到缓交替变化 图la 。 在曲线较陡部分．应力松弛量较大 如点B、c和E ；而在曲线较缓部分，松弛量较小 如点 2]5 ‘， D、F 。试验表明。峰后应力应变曲线自 第一个陡峭段是宏观裂纹产生的阶段 如图1a的BC 段 ，第二个陡峭段是裂缝贯穿阶段l t]点E所在段L丽位于其间的平缓段则是裂纹稳定扩 展阶段 如点D所在段 。因此，峰后童力松弛与岩石宏观裂纹的形成、发展和