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三轴压缩下裂隙试样力学-变形特性的试验研究 　　摘要：利用WDT-1500多功材料试验机,对不同倾角的非贯通裂隙水泥砂浆试件进行三轴压缩变形试验研究，试验表明：岩石类材料的力学-变形特性在三向应力条件下受裂隙角度的变化而不同，即裂隙倾角效应。 　　关键词： 裂隙试样；三轴试验；强度：变形 　　 　　1引言 　　岩石做为一种运用广泛的工程材料，由于其内部裂隙、裂纹等缺陷的存在，其实际强度远小于其理论强度。为了弄清楚这一简单现象的背后原因，一些学者着手于单裂纹模型[1]，从不同的角度和方面对裂纹缺陷的扩展机制和破坏行为作了大量的研究工作[1-4]。陈蕴生[5]采用MTS、超声波监测仪及CT设备，运用岩石力学、损伤力学和分形几何理论对非贯通裂隙介质进行了破坏形态、破坏过程、裂隙强度效应、裂隙变形效应、细观机理研究等很有意义的研究。殷致武，王玉[6]等人对裂隙与力学参数的相互影响进行了研究，并建立了岩体强度参数与其断裂之间的互推关系式，文[7]用大理岩材料研究了预置裂纹的贯通机制，这是目前国内外较少用真实材料进行预置裂纹贯通的研究之一，文[8]运用试验与数值模拟相结合的方法研究了不同角度的预置单裂纹缺陷的花岗岩试样的裂纹扩展与破坏过程，这是目前比较流行的研究方法。随着研究方法的日趋成熟，裂隙岩体的模拟和研究也更加深入。 　　由于岩石组成结构的复杂性以及内部缺陷的程度不同，造成了试验结论的差异性，为了揭示内部缺陷对岩石本身力学性能的影响，也为了更接近工程岩体天然的三向应力状态,本文对不同裂隙倾角的水泥砂浆试件进行了三轴压缩试验,分析了其强度和变形特性的发展规律,并分别对其进行了拟合。 　　2试验总体设计 　　2.1 试验材料与试样制备 　　本试验用水泥砂浆制作含有不同角度的裂隙试样。试样制作选用两种粒径范围的河沙，其中0.09-0.15mm细沙含量为50%，0.15-0.30mm细沙含量为50%，水灰比采用水泥∶细沙∶水=1∶2∶0.5（重量比），水泥采用32.5R级普通硅酸盐水泥。裂隙制作采用宽度为2cm，厚度为0.2mm的铜片按照如图1所示的设计位置和角度插入试件，待试样浇注至初凝时12个小时以后将薄铜片抽出，然后放入标准养护室养护28天。设计的裂隙倾角分别为0°、30°、45°、60°、90°。根据岩石的常规力学性能测试要求制作成φ50mm×100mm标准圆柱体试件。 　　 　　 　　 　　图1 模具、裂隙位置和裂隙试样示意图 　　2.2 试验设备 　　试验采用WDT-1500多功材料试验机，该仪器是在MTS的基础上，结合国情得以改进，由西安理工大学岩土工程研究所与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制开发的一套大型、多功能的刚性材料伺服试验系统。 　　仪器的功能：试验机能完成动、静荷载条件下的单轴与三轴试验、全应力-应变试验、直剪试验、流变试验、国际标准岩石试件10Hz以下的疲劳破坏以及加载过程中的实时声波检测。仪器有应力、变形、位移三种伺服控制方式。本试验考虑到试验机的安全性、试验过程的可控性以及曲线的完整性，故在本次试验中，轴向加载（轴压）采用位移控制，径向加载（围压）采用应力控制。 　　试验机的主要技术指标：最大轴向试验力：1500KN； 轴向位移测量范围：100mm； 　　轴向变形测量范围：0-10mm；径向变形测量范围：0-5mm； 　　三轴室最大围压：80MPa； 最大剪切力：1000KN 　　动态指标：试验力：1000KN；振幅：0-0.5mm；频率：0-10Hz 　　2.3试验方案 　　对不同裂隙倾角的试样以同样的加载速率施加同样大的围压（本文采用0.5MPa/min，8MPa），然后以0.5mm/min的速度进行轴向压缩直至试样破坏为止。 　　3试验结果及分析 　　表1裂隙试样三轴压缩试验结果 　　 　　 　　 　　3.1裂隙试样的变形特性 　　3.1.1裂隙试样的应力-应变特性 　　 　　 　　 　　 　　图2三轴压缩下裂隙试样的q~ε1曲线 　　 三轴压缩下裂隙试样的应力 与轴向应变 曲线，如图2所示，可以看出：在三轴压缩应力状态下，不同倾角的裂隙试样的应力-应变关系都经历了裂隙压密阶段―弹性阶段―屈服阶段―破坏阶段，但其变化过程受裂隙角度的影响。在压密和弹性阶段，裂隙倾角对这两阶段的影响较小，受到围压和轴压共同作用，裂隙试样在轴向应力为8MPa内完成了压密。当 由0°增加为90°时，各试样对应的屈服应力分别为20、22、30、35、40MPa，可见屈服应力随裂隙倾角的增加逐渐增加。在轴向压缩过程中，裂隙角度 越高，裂纹的萌生、扩展受到的抑制越大，导致屈服应力越高，屈服过程越快，试样的脆性特征越明显。 　　3.1.2裂隙试样的环向应变-轴向