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常规三轴加载能量对岩石破坏过程的影响 1 轴向变形特征及量动效应 岩石屈服和破坏是一个由微裂缝产生、扩大和连接的过程。新裂隙面的产生需要吸收能量，裂隙面之间的滑移摩擦也将耗散能量。本文利用MTS 81.5伺服试验机对不同长度岩样进行了常规三轴压缩试验，得到围压、轴向应力、轴向变形以及环向变形的全程曲线，研究岩样轴向压缩破坏和卸围压破坏过程中的能量变化特征。岩样环向变形通过卡套在其中部的环状链条的伸长来测量。 试验机对岩样轴向压缩所作的功为 式中：A,L分别为岩样的截面积和长度；K1为试验机对单位体积材料所做的功，相当于轴向应力-应变曲线下方的面积，单位为MJ/m3，与应力的单位MPa实际上是相同的。对此，许多文献已经有所讨论，用来评价岩石破坏过程的稳定性或动态特征。 在单轴压缩时，试验机对岩样做的功也就是岩石材料吸收的能量。但岩样在常规三轴应力状态下变形时，围压也会对岩样做功。例如，围压恒定的轴向压缩试验，岩样是在环向膨胀对三轴缸中液压油做功，岩石材料实际吸收的能量小于试验机轴向压缩岩样所做的功。单位体积岩样实际吸收的能量为 这里，岩样的侧向应变(或环向应变)ε3也以压缩为正，即实际测得的环向变形为负值。不过在岩样破坏、产生宏观剪切滑移时，环向变形沿轴向是不均匀的。在这种情况下，即图1,2中C点之后，计算K2时，假设岩样的平均环向变形为试验测得的岩样中部数值的一半。 2 c点和df-4 图1是围压20 MPa时，2个不同长度岩样轴向压缩的全过程。试验程序是：加载初期，轴压与围压大致成静水压力增加，岩样在轴向和环向都产生压缩；围压达到预定值之后保持恒定，增加轴向压力，与此同时，岩样在环向产生膨胀。 经过峰值应力附近BC段的非线性屈服变形之后，岩样破裂，轴向承载能力在CD段快速降低，最后达到残余强度。残余强度是由剪切破坏面之间摩擦力维持的承载能力。在F点之后，由于包裹岩样的塑料薄膜破损，三轴缸的液压油进入岩样破裂面后，引起滑移面上的正应力减小，岩样轴向承载能力也就随着摩擦力降低而降低。G点以后，岩样处于静水压力状态，轴向应力与围压完全相同。 从峰后C点开始，岩样的环向变形随轴向变形线性增加，这一关系直至岩样破裂面进入液压油为止。这意味着CF之间岩样的屈服弱化以及产生的塑性变形，完全集中在单一断面，即最终的剪切破坏面。 在线弹性的AB阶段，试验机压缩岩样做功K1以及岩样实际吸收的能量K2大致都成抛物线增加。岩样开始屈服时，由于轴向应力增加变慢而环向变形增加较快，岩样实际吸收的能量K2增加速度变缓，BC之间大致成线性增加。在C点之后，岩样的变形发生改变，其吸收的能量K2随轴向变形也发生相应的变化，但仍是线性关系，而增加速度进一步降低。值得注意的是，在DF之间岩样已经完全破裂，产生宏观的剪切滑移，K2的变化就是剪切破坏面之间摩擦力所做的功。由此可以知道，C点之后，岩样吸收的能量也主要是用于内部材料之间塑性滑移做功。 F点之后，由于破裂岩块处于静水压力状态，剪切破坏面之间没有摩擦力，所以岩样也就不再吸收能量。试验机对岩样轴向压缩所做功与岩样环向膨胀对液压油所做功相同。这也表明在岩样产生宏观剪切滑移时，假设平均环向变形为中部测量数值的一半是合理的。 3 卸围压破坏的轴向应力全程曲线 岩体不仅是一种材料，而且还是一个复杂的应力-应变环境。地下工程、边坡工程的开挖实际上就是岩体在某一方面的应力或应变得到释放，破坏了原有的力学平衡状态，使岩体产生新的变形，甚至断裂、破碎；研究岩体在应力卸载过程中的破坏，对理解地震发生也具有重大的理论意义。在常规三轴压缩加载后，降低围压引起岩样屈服破坏的卸围压试验，不仅可以确定岩样的峰值强度、摩擦强度，还可以确定岩石的泊松比参数，值得推荐使用。图2是两个岩样卸围压破坏过程中的全程曲线。 试验所用的粉砂岩在围压40 MPa时的强度为280 MPa左右，因此图2(a)的两个试样在卸围压初期仍是线弹性变形。随着围压降低，岩样的承载能力降低而产生屈服。最初加载的轴向变形(应力)越大，岩样破坏时的围压越高，即岩样越容易破坏。如果得到大量岩样卸围压过程中的围压-轴向应力的全程曲线，其外包络线就是岩样的强度准则，即每一围压下岩样所能承载的最大的轴向应力。岩样破坏后的轴向应力曲线(图中D点之后)，是岩样失去材料强度之后的承载能力，相当于不同围压下岩样的残余强度，表现了屈服破坏面之间的摩擦力系数。对试验所用的粉砂岩而言，该值与峰值强度准则的内摩擦系数相同。文利用塑性变形和有效加载应力讨论了卸围压破坏的轴向应力全程曲线。需要说明的是，图2(a)的卸围压全程曲线只有在刚性试验机或响应速度较高的伺服试验机上才能得到，否则岩样会因试验机和岩样内储存的能量快速释放而发生脆断。 常规三轴加载后保持轴向变形降低围压，试验机不再对岩样压缩作功，岩