岩石单轴压缩变形特征分析_闫顺玺.pdf

岩石单轴压缩变形特征分析闫顺玺1，2，刘铭哲1，2，常文帅1，2（1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；（2.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210）摘要：通过对竖直层理倾角玄武岩单轴压缩实验，研究其在失稳破裂过程中岩石变形特征。结果发现：竖直层理倾角玄武岩其应力时间曲线呈现出典型的脆性岩石破坏特征，依据其变化的特点可以将破坏过程共分为三个阶段，其中压密阶段岩石应变量基本大于弹性阶段岩石应变量，峰前峰后应变量成反比趋势；峰前岩石试件表面基本没有宏观现象产生，峰后的宏观现象较明显；岩石破裂形式以脆性劈裂破坏为主，主要沿着竖直层理方向发生，辅以次生剪切破坏。关键词：应变特征；应力曲线；破坏形式中图分类号：TP315文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0045-04Analysis of deformation characteristics of rock under uniaxial compressionYAN Shunxi1，2LIU Mingzhe1，2CHANG Wenshuai1，2（1.College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan063210,China；2.Hebei Province Key Laboratory of Mining Development and Safety Technique,Tangshan063210,China）Abstract：Through uniaxial compression experiment of vertical bedding dip basalt,the deformation characteristics of rock in the process ofinstability failure are studied.The results show that the stress time curve of vertically bedded basalt shows typical brittle rock failurecharacteristics.According to the characteristics of its change,the failure process can be divided into three stages,in which the strain variablesof rock in the compaction stage are basically larger than that in the elastic stage,and the strain variables before and after the peak are inverselyproportional.There are almost no macroscopic phenomena on the surface of rock specimens before the peak,but the macroscopic phenomenaafter the peak are more obvious.The fracture mode of rock is mainly brittle splitting failure,which mainly occurs along the vertical beddingdirection,supplemented by secondary shear failure.Key words：strain characteristics；stress curve；damage form0引言岩石是由一种或几种矿物和天然玻璃组成的，具有稳定外形的固态集合体，是一种不连续、非均质具有各向异性的地质体。广泛应用于建筑行业、水利行业、其他金属的提炼等。岩石在应用中由于载荷的不断变化，其内部可能产生节理面的破坏，进而失稳破裂，影响工程建设的安全，因此研究岩石在失稳破裂过程中变形特征，对工程的安全与稳定具有较大意义。目前有许多学者做过相关研究，杨小彬1等以砂岩为研究对象，开展不同加载方式的实验，结果表明不同加载方式岩石产生的变形不尽相同；郑蕾2与张志镇3等经试验证明层状岩石材料其强度、破坏模式随倾角变化而变化，具有较显著的倾角效应；孙清佩4等以层状岩石为研究对象，总结出岩石有 3 种破坏模式，具有较强的层理特征；谢玉晟5以煤岩为研究对象，结果表明煤岩受力变形方式复杂多样；姚吉康6等以花岗岩为研究对象，开展不同加载方式实验，探究其在循环荷载作用下的强度与变形特征；衣宏正7等以含孔洞岩石为研究对象，结果发现其峰值应变随倾角增大逐渐减小，且变形后裂纹形态受层理影响较显著。综上所述，以上研究已经取得了许多有意义的成果，本文拟采用竖直层理玄武岩作为本次实验研究对象，分析其在压缩变形过程中的应变的变化规律，同时结合应力分析二者的关系，并根据破裂后的可见光图像，分析玄武岩的破坏形式，从以上角度探究其在失稳破裂过程中的变形特征。1试验方案1.1试样制备本次试验对象选择竖直层理倾角玄武岩，将其加工成 50 mm50 mm100 mm 的长方体。将长方体两端仔细打磨，使其表面平行度大于 0.02 mm。如图 1 所示为玄武岩试件可见光图片。1.2试验设备本次试验加载设备采用 TAW-3000 型刚性伺服试验机，实验过程中采用底座上升的方式对其进行施加载荷。场应变设备采用美国 CSI 公司 VIC-3D2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷基金项目：河北省高等学校自然科学研究基金项目（项目编号：QN2020125），河北省高等学校自然科学研究基金项目（QN2015041）。45DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.014全场应变测量系统，具有非接触性、环境要求低、无损测试的特点，能直接获得全场应变、位移、形貌等数据。试验开始时，调整加载设备的加载速率为0.02 mm/s。将加载设备与场应变设备时间调整一致，以便同时获取数据，便于后期处理。图 1竖直层理玄武岩试件2试验结果和分析2.1应变特征分析岩石受到外力作用会产生变形破坏，这种局部的变形破坏即称为岩石的应变，是一种能直观表现岩石形变程度的量。计算方法如下：=L/H式中：为应变量；L为场应变计算的位移；H为试件高。下表统计了岩石在失稳破裂过程中产生的应变量，为探究其在破裂过程中应变量大小变化规律，以大致 50 s 为间隔计算其应变量，结合岩石破裂的3 个关键阶段进行分析：表 1竖直层理玄武岩不同阶段应变量汇总由表 1 可知，竖直层理玄武岩应变量可根据其随时间变化的趋势分为三个阶段：第一阶段、第二阶段、第三阶段，各阶段应变量具有以下特点：图 2应变量随时间变化趋势图1）第一阶段应变量大于第二阶段应变量：岩石第一阶段形变要大于第二阶段形变，其原因可能是，岩石在加载初期，由于岩石内部存在的微裂隙与微孔洞受力挤压变实，是岩石在破裂前主要的应变产生方式。2）同时峰值载荷前的应变量与峰值载荷后应变量呈现反比例的关系，即初期岩石内部产生较大的形变量时，后期彻底失稳破裂产生的形变量就会相对较小。3）岩石发生形变的速度较为一致,每一阶段初始速度较小，当岩石破裂过程即将走向下一阶段时，产生形变的速度明显加快。2.2岩石应力曲线特征分析岩石失稳破裂产生变形是由受力引起的，由表1 与图 2 可知应变量的变化与其裂纹产生过程具有阶段性特征，观察其应力曲线图发现，其应力的变化也有阶段性的特点，下图是 XW-90-2 试件的应力随时间变化曲线：图 3竖直层理岩石应力时间曲线根据不同阶段应力随时间变化的不同特点，将应力的变化分为三个阶段：压密阶段、弹性阶段、峰后阶段。1）压密阶段：此阶段应力随时间缓慢增加，增速2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷时间/s应变量 10-3mm破裂阶段应变量 10-3mm00第一阶段3.8832500.963 41000.973 31500.983 12000.963 42500.983 1第二阶段2.91983000.983 13500.953 6第三阶段2.65434000.983 14500.983 14890.688 246由慢变快，曲线微微向下弯曲。此阶段随着载荷增加，岩石内部气孔、缝隙逐渐闭合、压实，因此应力增速逐渐变快。由于加载初期，应力较小，气孔与缝隙的闭合缓冲了外部压力的施加，因此试件表面没有宏观现象。2）弹性阶段：随着载荷增加，岩石内部开始出现了自身的变形，此时应力随时间线性增加，增速达到最快，此阶段岩石变形属于弹性变形，即与弹簧类似，撤去外力后能够马上恢复原状，试件表面依然没有显著现象出现。3）峰后破坏阶段：载荷持续增加直至达到峰值，岩石承载力达到限度，开始失稳破裂，岩石宏观表面出现裂纹，应力曲线出现骤降，产生大幅应力降，随着载荷持续增加，裂纹逐渐扩大，最后承载力完全消失，岩石彻底失稳破裂。结合图 4 所示的可见光图片，可以发现压密阶段对应图 3（a），弹性阶段对应图 3（b），峰值点对应图 3（c），峰后阶段对应图 3（d）、（e）。竖直层理岩石大多数在峰值点处宏观现象较小或没有，峰后短时间出现瞬间剧烈破坏，产生较大的应力降，表现出较强的脆性破坏特征。（a）0s（b）278s（c）466s（d）486s（e）488s图 4 XW-90-2 破裂过程可见光图片绘制应力与应变随时间变化的曲线，如下图，同时结合可见光图片（如图 4），综合分析应力与应变在岩石破裂过程中的变化规律。分析发现岩石破裂过程有以下特征：1）XW-90-2 试件在压密阶段与弹性阶段岩石试件内部产生较大的形变，但是在试件表面未有宏观的裂纹出现，即此时岩石处于可恢复阶段，当载荷达到峰值后，岩石开始出现微小裂纹，裂纹逐渐发育扩展贯通，在最后几秒内发出清脆的崩坏声，试件表面出现宏观肉眼可见的清晰的裂隙，破裂的岩石块体散落在试验台上。2）岩石应变量变化的三个阶段与应力变化的三个阶段大致对应，在应力变化的每一个阶段内，应变均呈现出先增大后减少的变化趋势，且下降幅度逐渐增大。图 5XW-90-2 应力与应变随时间变化曲线2.3岩石变形破坏形式特征分析结合图 4 与图 5 分析岩石的破裂形式，可以发现，竖直层理岩石的破坏是沿着其层理角度发生的，如图 6 所示：其裂纹形式为多条主裂纹沿载荷方向将岩石贯穿分割为多个岩石块体，同时在岩石边缘或角落处产生次生剪切裂纹。同时玄武岩在单轴载荷的条件下发生张拉破坏，即劈裂破坏。图 6竖直层理岩石破裂可见光图片分析以上破坏模式，可能是由于玄武岩形成过程中容易出现较多的层理面，且由于其是喷出岩的一种，层理面与两侧岩体结合相较于其他部分并不致密，因此在沿轴向载荷加载过程中，两侧岩体受外力作用，易最先剥离层理面，形成裂纹。同时玄武岩内部为致密结构，质地较硬，层理处含有的硬质矿物间接提高了岩石的硬度与强度，且载荷方向为沿着层理方向加载，因此初期载荷增加时岩石外部宏观并未产生变化，随着载荷持续增加，岩体瞬间破裂，发出清脆的崩坏声，发生张拉破坏。3结论1）竖直层理岩石受力产生的应变量，根据其随时间变化趋势共分为三个阶段，每一阶段均为先增大后减小，且岩石应变三个阶段与应力的三个阶段大致对应。2）应力的三个阶段分别为压密阶段、弹性阶段、（下转第 52 页）2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷47（上接第 47 页）峰后阶段，且压密阶段岩石应变量大于弹性阶段应变量，同时从整体破坏过程来看，压密阶段与弹性阶段应变量与峰后阶段岩石应变量成反比关系。3）岩石宏观破坏形式为沿层理面发生张拉破坏，试件表面分布着多条沿荷载方向的竖直主裂纹，将岩石分割为不同的岩石块体，同时在边缘处分布着短小的次生剪切裂纹，且在破坏瞬间发出清脆的崩坏声。参考文献：1 杨小彬，程虹铭，裴艳宇.不同加载方式下岩石变形及峰后能量演化特征研究 J.岩石力学与工程学报，2020，39（S2）：3229-3236.2 郑蕾.层状岩石倾角效应的试验研究D.重庆大学，2013.3 张志镇，高峰.单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究J.岩石力学与工程学报，2012，31（6）：1198-1207.4 孙清佩，张志镇，杜雷鸣，等.层理倾角对岩石力学与声发射特征的影响研究J.金属矿山，2017（2）：7-13.5 姚吉康，王志亮，何爱林，等.循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征J.水利水运工程学报，2018（2）：74-81.6 谢玉晟.煤岩受力损伤演化过程中的红外辐射响应特征D.中国矿业大学，2019.7 衣宏正，戚晓楠.含三圆形孔洞岩石强度与变形破坏特征分析J.工程技术研究，2021，6（5）：245-247.第一作者简介：闫顺玺（1981-），女，河北省河间市人，2006 年 6 月毕业于河北师范大学地图学与地理信息系统专业，获理学硕士学位，现就职于华北理工大学，主要研究方向:地图制图、农业GIS、矿山 GIS 等。（收稿日期：2022-8-17）2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷急恢复的重要性分别为 25%、44.44%、16.98%，9.26%、4.32%。二级评价因素中排在前三位的是：隐患排查与治理、应急队伍建设、应急教育与培训。3）通过建立一级、二级模糊评价模型得到被评价煤矿模糊评价总评分为 80.0591，应急能力为较强，应急准备、应急预防、应急监测、应急救援、应急恢复模糊评价评分为：81.8340、78.5560、79.0150、83.5170、83.8355，应急评估结果为：较强、一般、一般、较强、较强，该企业需要在应急预防和应急监测方面狠下功夫，克服短板，以期提高企业的应急救援能力。参考文献：1 许鹏飞.2000-2021 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