北山花崗巖短長期常規三軸力學特性試驗研究

朱其志,縱 躍*

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學 巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098)

甘肅北山花崗巖體已經被確定為我國高放廢物地質處置地下實驗室的推薦場址,開展預選區代表性硐室圍巖的巖體力學性質研究,對圍巖的時效力學行為的試驗研究是地下實驗室開工的重要準備工作之一[1-4]。田洪銘等[5-6]針對花崗巖開展力學特性試驗研究,深入分析了其力學行為、變形規律和破壞特征;陳亮等[7]使用聲發射定位系統,對北山深部花崗巖開展了單軸拉伸和三軸壓縮下的損傷演化特征試驗,為北山花崗巖損傷演化規律研究奠定了基礎;趙星光等[8-9]分析了北山花崗巖在單、三軸壓縮條件下的破裂過程和強度特性、全應力-應變曲線規律;李鵬飛等[10-16]對北山花崗巖進行三軸循環加、卸載試驗,建立強度參數隨塑性參數變化的數學模型,以上研究成果為研究和分析北山花崗巖力學特性提供了重要參考。

本文以甘肅北山花崗巖為研究對象,利用全應力巖石三軸試驗儀,開展如下研究:首先,進行一系列的常規三軸壓縮試驗得到巖樣的基本力學參數,為后面的流變試驗提供試驗依據。其次,進行相同圍壓不同偏應力等級下的單級蠕變試驗,得到試樣的蠕變曲線及變形特征;進行不同圍壓等級條件下的兩次多級蠕變試驗,得到試樣的多級蠕變曲線并研究試樣的蠕變變形特征。最后,進行相同圍壓不同初始偏應力等級下的單級松弛試驗,得到試樣的單級松弛試驗及變形特征;進行不同圍壓下的循環松弛試驗,得到試樣的循環松弛試驗曲線及變形特征。

1 試驗準備

1.1 試樣制備

用于實驗測試的巖石標本是從地下研究實驗室新昌遺址#BS28鉆孔取芯的。寄主巖為花崗巖,稱為北山花崗巖,其表面呈灰白色。所有三軸壓縮試驗都是在直徑50 mm、長度100 mm的圓柱形試樣上進行的。采用經典飽和法確定巖石的初始平均密度,測試巖石樣品的平均干容重約為2.72 g/cm-3。

1.2 試驗儀器

本實驗試樣在巖石三軸壓縮機的MTS815巖石力學試驗系統進行。試件被黑色橡膠夾套,然后放置在兩個鋼制塞之間。試驗在一個熱隔離的小房間中進行,實驗期間保持恒溫。軸向變形是用一對線性可變差動變壓器(LVDTs)測量的,橫向變形是用放置在試件中心部分的周向伸度計測量的。

1.3 試驗方案

在常規三軸實驗中,開展巖石三軸壓縮試驗,是為了得到如下所示的不同圍壓條件下的巖石試樣的應力-應變關系,北山花崗巖在低圍壓情況下和高圍壓的破壞形式明顯不同,因此對低圍壓實驗的圍壓進行加密實驗。本文的常規三軸壓縮試驗在9個圍壓等級(0、1、2、5、10、15、25、30和40 MPa)下進行。首先在軸向和橫向同時增加圍壓,直到達到規定的靜水應力狀態。然后沿軸向以0.02 mm/min的應變速率施加偏應力,直至試件破壞。為了排除試樣中偶然出現的試樣缺陷或較大的實驗誤差,在同一圍壓下進行了1至4組重復實驗,共25組實驗。

在蠕變試驗中,常規三軸蠕變試驗考慮了2個圍壓等級,即5和15 MPa。選擇圍壓等級為15 MPa的條件進行了3個不同偏應力等級下的單級蠕變試驗,分別為峰值偏應力的92%、93%、95%(225.7、228、232.5 MPa);分別進行了圍壓等級為5、15 MPa條件下的多級蠕變試驗,其中,對于圍壓5 MPa的情況,最終試驗的偏應力為5級,各級偏應力為130、140、145、150、155 MPa;對于圍壓 15 MPa 的情況,最終試驗的偏應力為7級,各級偏應力為180、190、200、210、220、230和235 MPa。表1為三軸蠕變試驗的具體試驗方案及對應試樣參數。

表1 三軸蠕變試驗方案及試樣參數Tab.1 Triaxial creep test scheme and parameters of samples

在松弛實驗中,試驗圍壓選擇為15 MPa,進行了不同偏應力等級下的單級松弛試驗,初始偏應力等級設置為4個等級,分別為峰值偏應力的70%、80%、90%、95%(171、196、221、233 MPa);進行了一組循環松弛,初始偏應力等級設置為200 MPa,共進行了6次循環。表2為應力松弛試驗的具體試驗方案及對應參數。

表2 應力松弛試驗方案及試樣參數Tab.2 Stress relaxation rest scheme and parameters of samples

表3 常規三軸壓縮試驗力學參數Tab.3 Mechanical parameters of conventional triaxial compression tests

2 實驗結果與分析

2.1 常規三軸實驗

2.1.1 常規三軸實驗結果

按照前文的試驗方案對北山花崗巖進行常規三軸壓縮試驗,得到不同圍壓下的應力應變曲線如圖1所示,軸壓為σ1,圍壓為σ3,軸向應變為ε1,側向應變為ε3,則偏應力為σ1-σ3,體應變為εv=ε1+2ε3。從偏應力-應變曲線可以看出,花崗巖在加載過程中經歷了壓密階段、線彈性階段、裂紋擴展階段、應變軟化階段。根據應力-應變曲線,確定花崗巖試樣的彈性模量E、泊松比v、峰值強度σc、峰值軸向應變εc、峰值側向應變εd等力學參數。

從圖1中可以看出,隨著圍壓的增加,試樣的峰值強度逐漸增大,說明北山花崗巖的峰值強度對圍壓的變化很敏感。隨著圍壓的增加,峰值強度對應的應變也隨之增大。需要指出的是,隨著圍壓的增加,北山花崗巖峰前非線性行為增強,并且該趨勢隨圍壓的增大而逐漸增強?？紤]到壓縮應力條件下,花崗巖塑性變形的主要原因是由于微裂紋之間的相互滑移、搓動導致,可認為不可恢復變形是巖石損傷演化的結果,反過來非彈性變形又對損傷的演化趨勢產生影響。

2.1.2 常規三軸實驗結果分析

從上述試驗的偏應力-應變曲線可以看出,所有試樣在加載過程中均經歷了以下4個階段:壓密階段、線彈性階段、裂紋擴展階段、應變軟化階段。

試樣的體積應變在試樣的加載過程中不斷變化,隨著偏應力逐漸增大,在壓密階段體積應變不斷增大,且增大速率逐漸減小。當試樣變形進入線彈性階段時,體積應變同樣線性增大。當試樣變形進入裂紋擴展階段時,體積應變增大速率逐漸變緩,當偏應力達到裂紋損傷應力時,體積應變達到最大值,之后體積應變逐漸減小,試樣開始發生擴容,逐漸由壓縮變為膨脹,直到試樣破壞。

在低圍壓等級下,北山花崗巖試樣表現出明顯的脆性,試樣破壞主要以劈裂為主;而隨著圍壓的繼續增大,試樣的脆性特征減弱,延性逐漸增強,在圍壓等級較高的條件下,試樣的破壞形式主要以剪切破壞為主。

在試樣的破壞形式方面,北山花崗巖在低圍壓下主要以劈裂為主;在圍壓等級較高的條件下,試樣的破壞形式主要以剪切破壞為主。結果表明,北山花崗巖為一種典型的脆性巖石,巖石破壞時的不可恢復變形較小,且隨著圍壓增大沒有出現脆-延性轉變現象。

2.2 蠕變試驗結果與分析

2.2.1 單級蠕變試驗結果與分析

圖2至圖4為單級蠕變試驗的試驗曲線,偏應力等級分別為峰值強度的92%、93%和95% (225.7、228和 232.5 MPa)。試驗結果可以明顯觀察到典型蠕變過程的三個階段:初始蠕變階段、穩定蠕變階段及加速蠕變階段。初始蠕變階段從試樣的偏應力剛達到預設值開始,該階段持續時間較短,期間試樣的蠕變速率會很快降低并逐漸趨近于一個穩定值,在蠕變速率達到穩定值時試樣進入穩定蠕變階段;穩定蠕變階段持續時間最長,該階段試樣應變持續增長,蠕變速率基本保持不變;試樣進入加速蠕變階段后,試樣蠕變速率在較短時間內迅速變大,最終試樣破壞。

圖3 單級加載蠕變試驗曲線(228 MPa)Fig.3 Single stage loading creep test curve (228 MPa)

圖4 單級加載蠕變試驗曲線(232.5 MPa)Fig.4 Single stage loading creep test curve (232.5 MPa)

在蠕變前的瞬時加載過程中,試樣的軸向變形要明顯大于環向變形,軸向變形大小約為環向的3～4倍。試驗的體積應變的變化趨勢與軸向應變相同,在加載偏應力達到裂紋損傷應力σcd后,體積應變開始減小,試樣中出現軸向微裂紋,試樣開始擴容。

在蠕變過程中,試樣的環向應變會先于軸向應變進入初始蠕變階段,且其應變的改變量會更加明顯,這是由于在蠕變過程開始時,試樣中產生了許多豎向的細小裂紋,這導致了試樣的環向膨脹變形加劇。在流變進入加速蠕變階段時,試樣內部的軸向裂縫已經充分發展,且主破壞面的剪切裂縫已經成型,試樣的應變開始加速。試樣的環向應變先于軸向應變開始加速,且環向應變的變化趨勢明顯大于軸向應變,體積應變同樣開始加速的時間與環向應變相同,體積應變在蠕變階段的變化趨勢總體與環向應變一致。

2.2.2 多級蠕變試驗結果與分析

多級加載蠕變試驗過程中,偏應力按照多個不同等級進行加載。圍壓為5 MPa的多級加載蠕變試驗,最終實現的偏應力等級為5級,分別為130、140、145、150和 155 MPa;圍壓為15 MPa的多級加載蠕變試驗,最終實現的偏應力等級為7級,分別為 180、190、200、210、220、230和235 MPa。

圖5和圖6分別給出了圍壓為5、15 MPa條件下的蠕變曲線,從中可以看出,北山花崗巖蠕變變形具有明顯的三階段蠕變特征。分析試驗曲線,每一級蠕變的加載階段均導致了一定的瞬時變形,進入初始蠕變階段,蠕變速率逐漸降低,一段時間后蠕變速率達到一個穩定值,進入穩定蠕變階段。在穩定蠕變階段試樣的蠕變速率基本保持不變,在最后一級加載之前,試樣均未進入加速蠕變階段。在最后一級的蠕變過程中,試樣在經歷初始蠕變階段及穩定蠕變階段之后,蠕變速率急劇加速,進入加速蠕變階段,試樣迅速發生破壞。在該蠕變試驗中,試樣的軸向應變及環向應變有相同的應變規律,但環向應變相較于軸向應變的變化出現的更早,且更為顯著,在最后的加速蠕變階段,環向應變曲線出現了明顯的加速現象。

圖5 多級加載蠕變試驗曲線圖(圍壓5 MPa)Fig.5 Multistage loading creep test curve under confining pressure of 5 MPa

圖6 多級加載蠕變試驗曲線圖(圍壓15 MPa)Fig.6 Multistage loading creep test curve under confining pressure of 15 MPa

由圖5和圖6可以看出,在未達到發生破壞的偏應力等級時,蠕變量及蠕變速率隨偏壓的增大有增大的趨勢,但變化不顯著。當偏應力等級達到了足以發生破壞時,蠕變量及蠕變速率顯著增長。表4和表5為各級蠕變的蠕變量以及穩定蠕變速率的完整數據。

表4 多級蠕變試驗結果(圍壓5 MPa)Tab.4 Multistage creep test results under confining pressure of 5 MPa

表5 多級蠕變試驗結果(圍壓15 MPa)Tab.5 Multistage creep test results under confining pressure of 15 MPa

2.3 松弛實驗結果與分析

2.3.1 單級應力松弛實驗結果與分析

圖7為單級松弛試驗過程中偏應力隨時間變化的曲線。從曲線中可以看出,北山花崗巖存在著明顯的應力松弛現象,在應力松弛試驗進行的前30 min,巖石試樣的偏應力迅速降低,并在30 min左右出現拐點,偏應力的降低速度逐漸減緩。在12 h偏應力逐漸趨于平穩進入穩定階段,但曲線出現波動,分析原因是儀器伺服過程中產生的誤差。圖中虛線為試驗數據校正值。

圖7 單級松弛試驗曲線Fig.7 Single stage relaxation test curve

引入應力松弛量、應力松弛度對試驗結果進行分析,描述試樣的偏應力衰減程度,定義應力松弛度λ為

(1)

式中,σ0為初始偏應力,σt為剩余偏應力,σ′為應力松弛量。

通過分析曲線得到松弛試驗進行12 h 時的應力松弛度λ12 h,對比最終應力松弛度λ,在σ<σs的條件下,λ12 h/λ隨著初始偏應力的增大而表現出增大的趨勢,表明初始偏應力越大,應力松弛過程發展的越快。單級松弛試驗的部分結果見表6。

表6 單級松弛試驗結果Tab.6 Single stage relaxation test results

在應力松弛試驗中,應力松弛過程的影響因素主要有初始偏應力以及加載速率。本文松弛試驗的軸向預應變加載速率均為0.03 mm/min。從表6中可以得出,剩余偏應力σt隨著初始偏應力σ0的增大而增大。

2.3.2 循環松弛實驗結果分析

循環加卸載試驗的試驗結果如圖8所示,圖中黑色虛線為松弛試驗曲線的修正曲線,循環松弛試驗每次循環的初始偏應力均為200 MPa,每次循環松弛過程時間為12 h,共進行6次循環。分析曲線可以得出,6次松弛過程中偏應力在一段時間后均未持續降低且逐漸趨于定值,屬于衰減松弛過程。表7為循環松弛試驗的部分試驗結果,6次松弛的軸向應變ε0分別為4.893×10-3、5.112×10-3、5.207×10-3、5.265×10-3、5.302×10-3、5.324×10-3,ε0隨著循環次數的增加不斷增加。12 h偏應力σ12 h分別為158.1、189.7、191.9、193.3、194.2、194.6 MPa,σ12 h隨著次數的增加不斷增加。

圖8 循環松弛試驗曲線Fig.8 Cyclic relaxation test curve

表7 循環松弛試驗結果Tab.7 Cyclic relaxation test results

可以看出,σ12 h隨循環松弛試驗的進行會逐漸趨于一個穩定值。隨著循環次數的增大,最終軸向應變的走向將會與蠕變試驗相似,這是因為從循環松弛試驗的整個過程看,其類似于進行了一次偏應力為200 MPa 的蠕變試驗,而本次循環松弛試驗結束時進行到對應蠕變試驗的穩定蠕變階段?？梢酝茰y,如果循環松弛試驗的循環次數足夠多,軸向應變會表現出與蠕變試驗相對應的三階段變化,即在初始蠕變階段,軸向應變隨循環次數的增加而逐漸增大,且其增大的速率會逐漸減小并趨近于定值;進入穩定蠕變階段,軸向應變會穩定增大,應變隨循環次數增大的速率為一穩定值;最后進入加速蠕變階段,軸向應變會迅速增大,且應變速率也隨之不斷增大,最終試樣破壞。

3 結論

1)北山花崗巖三軸壓縮過程中經歷了壓密階段、線彈性階段、裂紋擴展階段、應變軟化階段。在試樣的破壞形式方面,北山花崗巖在低圍壓下主要以劈裂為主;在圍壓等級較高的條件下,試樣的破壞形式主要以剪切破壞為主。北山花崗巖為一種典型的脆性巖石,巖石破壞時的不可恢復變形較小,且隨著圍壓增大沒有出現脆-延性轉變現象。

2)北山花崗巖主要經歷了三個典型蠕變階段:初始蠕變階段、穩定蠕變階段及加速蠕變階段,隨著試驗偏應力的增大,蠕變各階段的蠕變速率均會增大,且蠕變各階段的持續時間會逐漸減小。北山花崗巖的蠕變形式為非穩定蠕變,其應變曲線出現了典型的蠕變三階段特征。

3)北山花崗巖在應力松弛試驗中,試樣主要經歷了兩個階段,即衰減松弛階段和穩定松弛階段,隨著松弛應力隨著初始偏應力的增大而逐漸增大,且隨著初始偏應力繼續增大,其增大的速度也會增大。北山花崗巖在應力松弛過程的初始松弛階段,其偏應力下降速度很快,在較短時間內即能夠達到穩定狀態。