加载速率对石灰岩力学效应的试验研究_杨仕教

加载速率对石灰岩力学效应的试验研究 杨仕教１、２，曾　　晟１，王和龙３　

（１．南华大学　建筑工程与资源环境学院，湖南　衡阳　４２１００１；２．中南大学　资源与安全工程学院，湖南　长沙　４１００８３；　　　　　　　　　　　　　　　　　

３．中国建筑材料工业地质勘查中心　湖南总队，湖南　株洲　４１２０００）　

摘　　要：采用RMT－150B岩石力学电液刚性伺服控制试验系统对石灰岩标准试件进行４级不同加载速率的单轴压缩变形室内试验，定量的分析了加载速率对石灰岩试件单轴抗压强度、峰值强度以及对应的应变、破坏后的性态、破裂形式及应力–应变关系等物理力学性态的影响。得出该石灰岩试件单轴压缩破坏的全过程曲线及一些重要特性和参数，为该矿山开采设计提供重要依据。　

关键词：加载速率；岩石力学；全应力–应变曲线；石灰岩　

中图分类号：TU 458 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2005)07–0786–03

作者简介：杨仕教(1964– )，男，湖南浏阳人，南华大学副教授，博士。主要从事矿山工程地质和灾害预测及岩土工程可靠性等方面的研究。　

Experimental analysis on mechanical effects of loading rates on limestone

YANG Shi-jiao1, 2, ZENG Sheng1, WANG He-long3

(1. School of Architecture Resources and Environment Engineering, Nanhua University, Hengyang 421001, China; 2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Hunan Brigade of Geological Surveying Center for Chinese

Building Material Industry, Zhuzhou 412000, China)

Abstract: The experimental tests for limestone specimens in uniaxial compression were carried out to study the mechanical effects of loading rates on limestone using electro-hydraulic and servo-controlled testing machine (RMT-150B), in which loading rate was treated as a variable. Mechanical characteristics of rock influenced by the loading rates, such as a uniaxial compressive strength, deformation, mode of failure as well as the post-failure behaviour and complete stress-strain curve, were analyzed quantitatively. The complete uniaxial compression failure curve and some important characteristics and parameters of the limestone were obtained and offered on important basis for the exploitation and design of the mine. Key words: loading rates; rock mechanics; complete stress-strain curve; limestone

０　　引　　　　言　

理论和试验证明，岩石在承受动、静载荷时，其本构关系和力学特性有很大差异。目前在岩石力学领域中，对岩石在静载作用下破坏的研究较多，而对动载作用下特别是不同应变率下岩石破坏研究不足，而这正是研究岩体爆破机理、破坏判据以及岩体工程参数优化等的理论基础[1]。加载速率是一个变化幅度很大的参数，在一般岩体工程中，如采矿爆破卸载速率为每秒几分之一量级，但对于地下采矿的巷道和矿柱，其变形增量每年仅为0.10~0.15 mm。在差异如此之大的加载方式下，岩石材料的力学性能不仅在量上，在质上也发生变化，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力学基本研究课题之一。在国内，蔡跃军、陈升强等曾做过相关的试验，得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和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的状况的结论。在国外，Bien-iawshi，Peng，Okubo，Lajtai，Chong等人对不同的加载应变速率下的岩石力学性质有较深的研究。如Okubo等对第二类岩石进行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。Lajtai等将应变速率效应的研究扩展到对脆性石灰岩利延性盐岩等观测分析中[2]。

本文选择完整性和均匀性相对较好，中等强度的浙江富阳灰良岗矿区水泥原料矿山石灰岩，对28个标准试件进行了单轴压缩变形试验，观测全过程应力–应变曲线，通过分析，探讨了加载速率对岩石强度、变形、峰值后性态，以及破坏形式的影响规律，为灰

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收稿日期：　２００４–０９–２１

第7期 杨仕教，等. 加载速率对石灰岩力学效应的试验研究 787

良岗矿区石灰石矿开采设计提供依据。

１　　岩石试件与试验方法　

本次试验是由中国建筑材料工业地质勘查中心湖南总队测试研究所提供的直径为42 mm的岩芯，根据《岩石物理力学性质试验规范》，按测试研究所的要求，分别对ZK1301、ZK1302、ZK31、ZK32 4个钻孔同层位的石灰岩岩芯加工高为100 mm的试件进行单轴压缩试验。采用单一岩石材料进行验观测的目的是尽可能排除岩性差异引起的离散性影响，所得到的分析结果能够方便地应用。

灰良岗矿区水泥原料矿山石灰岩主要分布在C2h3和C2h4两个矿层。本次试验的岩样取自C2h4层，该矿层呈北东—南西向展布在矿体的上部，岩石总体为灰—浅灰色，局部为深灰色灰岩夹少量云质灰岩。主要为泥晶—微晶结构，次为生物碎屑结构，致密块状结构，缝合线结构较为发育。矿物成份LoSS42.98%，CaO54.61%，SiO20.92%，Al2O30.17%，Fe2O30.12%，MgO0.47%等。

采用RMT-150B岩石力学试验机进行试验，加轴压最大1000 kN，围压最大50 MPa。本次单轴压缩试验采用位移控制方式，分0.0005，0.001，0.002，0.005 mm/s 4级加载，得出应力–应变全过程变化曲线。

的宽度不一样，则闭合的程度也不同，所以，各曲线的线性部分长度也不同；当轴向应变继续增加，且岩石中的应力超过了其最大承载力，试件就开始破裂，应力–应变曲线转向下降，其特点是试件在破坏初期仍保持一定的强度。有的试件在破坏后，应力还有部分回升的现象，这是因为破裂过程中，孔隙结晶的崩坍使某些裂隙闭合的缘故。

岩石材料力学性能受加载速率的影响主要表现在试件达到峰值强度前后的向塑性变形过渡直到破坏这个阶段，在压密阶段和弹性变形阶段各曲线基本按相同斜率线性增长。石灰岩是一种结构致密的脆弹性体，缓慢的加载速率使得材料内初始损伤和增生的裂纹具有充分的时间进一步地演化和发展，导致材料的峰值强度下降和破坏后变形曲线的陡峭跌落。从破坏后应力–应变的曲线形式看，缓慢应变速率下的试件往往出现台阶型分段跌落状，而较快应变速率下的试件则为光滑、陡峭和连续曲线。这一现象可以解释为加载速率的减缓使得试件组构来得及重新组合并形成一定的后继抗力，在下次跌落之前吸收一定的变形能量。 ２．２　　加载速率对峰值强度的影响　

峰值强度即为岩石的单轴抗压强度。按表1所示的4种不同速率加载测试，然后对同组试样所得峰值强度值进行平均，得出相应加载速率下的平均峰值强度。从总体上看，当加载速率从0.0005 mm/s增大至0.005 mm/s时，峰值强度从约90 MPa增大至约120 MPa，增长的幅度约为33.33％，即峰值强度受加载速率影响较为敏感，在试验加载速率区段中峰值强度呈跳跃性增长，图2可知加载速率与峰值强度的关系。图中每一个点子表示某一速率分组的平均值。由试验数据统计，灰良岗矿区水泥原料矿山石灰岩的抗压强度集中在90~120 MPa。

２．３　　加载速率对峰值强度对应的应变的影响　峰值强度对应的应变是隧洞、坝基和边坡工程设计和施工中直接量测和加以控制的物理量。图2可知石灰岩在不同加载速率作用下测得的峰值强度对应的应变关系。从测试结果看，岩石到达峰值强度所产生的应变与加载速率基本成线性关系。

２　　试验结果与分析　

２．１　　加载速率对应力–应变全过程曲线的影响　图1为不同加载速率下对应的应力–应变全过程曲线，由于每条曲线均是通过对同组加载速率中7个试件观测得到的曲线加以平均整理后绘制，因此具有一定的代表性。

由图1可见，岩石的应力–应变曲线的形状大体上是类似的，一般可分为压密、弹性变形和向塑性变形过渡直到破坏这3个阶段。加荷初期，轴向应力的增加量随轴向应变的增加而增加，曲线呈上凹形状，这是由于岩石试件中的微裂隙或节理面压密而产生的。随后，裂隙、弱节理面闭合，应力应变关系则具有近似于线弹性的性质，由于岩石中裂隙、节理面等

图１　不同加载速率的应力–应变曲线　Fig. 1 The stress-strain curve with different loading rates

788 岩 土 工 程 学 报 2005年

表１　不同加载速率作用下的力学参数　

Table 1 The mechanical parameters of limeston under different loading rates

组号 1 2 3 4

加载速率/（mm・s-1）

0.0005 0.001 0.002 0.005

弹性模量/GPa

39.54 45.10 45.82 46.49 峰值强度/MPa

86.963 97.030 103.33 116.88

与峰值强度对应的应变/（×10-3）

2.611 2.704 2.751 2.876

泊松比 0.248 0.235 0.319 0.265

同时亦与加载板对岩样的约束条件有关。

３　　结　　　　语　

(1) 岩石的单轴压缩试验成果表明：应力–应变关系曲线总体上说可分为压密、弹性变形和向塑性过渡直到破坏这3个阶段。不同加载速率对石灰岩的力学效应主要表现在材料的峰值强度及其后续变形性态上。试件起裂前的压密和弹性阶段基本与加载速率的变化无关。

(2) 随加载速率的增大，石灰岩的峰值强度相应提高，且峰值强度时的应变值与所施加速率基本成线性增长规律。

(3) 灰良岗矿区水泥原料矿山石灰岩的抗压强度集中在90~120 MPa，属于中等强度的岩石，泊松比集中在0.25~0.32之间。

(4) 在一定范围内，较快的加载速率使得试件从峰值强度至残余强度之间的跌落曲线更为陡直，该过程延续的变形过程更为短暂。

(5) 试件的破坏形式主要受材料本身的构造、强度、岩样端头的平整度以及加载板的约束条件的影响，与加载速率之间不存在明显的对应关系。

本文的研究仅限于石灰岩材料，随岩石种类的改变，材料对加载速率的相关性必然发生很大变化。即使是同一种石灰岩材料，由于试件在物理性质方面的离散性和试件加工、试件数量上的不足，使得试验结果还难以把握研究对象的全貌。 参考文献：　

[1]　东兆星，单仁亮．高应变率下岩石本构特性的研究[J]．工程

爆破，1999,6(2):5–9.

[2] 李永盛．加载速率对红砂岩力学效应的试验研究[J]．同济大

学学报，1995,23(3):265–269.　

[3]　郭中华，朱珍德，花剑岚，等．灰岩强度特性的试验分析与数

学模拟[J]．地下空间，2001,12(4)280–286.　

图３　单轴压缩试验下的石灰岩破坏形式　

Fig. 3 The failure of the limestones in the uniaxial compresses test

[4] 国际岩石力学学会实验和现场试验标准化委员会．岩石力

学实验建议方法（上集）[M]．郑雨天，傅冰骏，卢世宗，等译．北京：煤炭工业出版社，1982,5–15.　

[5]　沈明荣．岩体力学[M]．上海：同济大学出版社，1999,12–16. [6]　陶振宇．岩石力学的理论与实践[M]．北京：水利出版社

1981,6–60．　

图２　加载速率与峰值强度对应的关系　

Fig. 2 Relation between the loading rates and the peak strength

２．４　　加载速率对峰值后性态的影响　

RMT-150B多功能岩石力学电液刚性伺服机试验可观测到岩石试件达到峰值强度至试件破坏时残余强度间的变形过程。将到达峰值强度所产生的应变和到达残余强度所产生的应变连成一直线，该直线斜率的绝对值即可定义为描述试件峰值后变形性态的后期割线模量。由图1应力–应变曲线可知：在峰值点后的曲线斜率的绝对值随加载速率的增大而增大。即加载速率的增大使岩样的后期变形与破坏过程更为迅速。 ２．５　　加载速率对破坏形式的影响　

不同加载速率作用下观测得到的试件破坏形式可以大致区分为以下3种类型：①单向剪切破坏，破坏面沿与轴线成45°－ϕ/2的角度开展，破裂面相邻区域存在较细的垂直分布裂缝；②双向剪切破坏，破坏面为由两个与轴线成45°－ϕ/2的对称面交汇切割而成，试件中段交叉面以外介质呈剥落状；③轴向劈裂破坏，破坏面沿与轴线平行方向展开。石灰岩在不同加载速率下的破坏形式如图3所示。

由试验知：该石灰岩矿岩的破坏形式与加载速率不存在明显的对应关系，表明岩石的破坏形式主要取决于材料自身强度、结晶颗粒以及初始缺陷等因素，