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岩石力学试验技术及三轴试验方法详解
发布时间:2023-12-13 浏览次数:6340 来源:欧美大地


岩石力学是一门研究岩石力学性质及其相关现象的科学,其应用范围广泛,涉及到国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾等多个领域。人类对岩石力学性质的认识始于试验,而岩石力学理论的形成和发展也与试验方法紧密相连。

岩石的力学性质包括强度、变形、动力学特性和渗透性等方面。这些性质会受到岩石所处的物理和化学环境的影响。研究岩石力学性质的方法主要是现场和室内试验。

现场试验包括三轴压缩试验、剪切试验和岩体渗透性试验等,可以测量岩体原位变形性能和强度性能。室内试验则包括单轴压缩、三轴压缩、单轴拉伸、直接剪切、渗透试验等,可以模拟不同条件下的岩石力学行为。


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通过这些加载方式,我们可以系统地测量岩石试样在各种应力作用下的应力、应变等力学性质。而且,改变加载条件,如压力大小、加载速率等,可以进一步研究岩石试样的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、变形特性以及破坏机制等关键参数。




岩石三轴实验原理

岩石三轴力学试验是一种综合性的研究方法,用于深入探究岩石材料的力学性质。通过分别模拟地壳中的水平地应力、垂直应力和侧向应力,该试验能够全面地揭示岩石在复杂应力状态下的变形和破坏过程。

在试验过程中,第一轴的径向加载通过施加垂直于岩石试样截面的压力,真实地模拟了地壳中的水平地应力作用。第二轴的轴向加载则通过施加垂直于岩石试样轴向的压力,成功地模拟了地壳中的垂直应力作用。而第三轴的背景加载在岩石试样周围施加恒定的侧向压力,使得岩石材料处于三向应力状态下,从而更准确地反映了地壳中的真实应力环境。



三维物体中的主应力(作用在剪应力为零的平面上的最大和最小正应力)为三(σ1> σ2> σ3)。实际上,主应力可能不同。但在实验室三轴试验中,中间应力σ2等于σ3。三轴试验中施加的主应力如图1所示。

三轴试验中施加在圆柱形岩石样品上的主应力(σ1> σ2= σ3)

围压是确定的,并在试验过程中保持不变。样品最初被各向同性地加载,直到主应力等于预定的围压。然后,轴向应力σ1以一定的速率增加,直到试样破坏,并记录最大σ1。



图1 岩石三轴加载原理图


见上述岩石三轴加载原理图中1-为密封装置、2-围压,3-底座,4-出液口,5岩石试样,6-乳胶膜,7-进液口

进行所有施加的主应力都不相同的实验室试验是有挑战性的,并且没有被广泛使用。这种方法被称为多轴或真三轴试验。(点击这里参见东北大学案例)

三轴试验中施加在方形岩石样品上的主应力(σ1> σ2> σ3)


GDSTTA真三轴



岩石三轴试样制作

在岩石三轴力学实验中,测试样品通过岩心钻探获得,并且必须选择能代表被检查岩层的样品。应在钻探日期后的30天内对试样进行测试,以保持其初始状态(如自然含水量)。

首要步骤是挑选满足要求的岩石试样,并将其切割、研磨至规定的几何形状,通常是圆柱体或立方体。这个步骤非常重要,因为试样的形状和尺寸会影响到试验的结果和数据的可靠性。

应该指出的是,饱和度或孔隙压力的增加在岩石力学中并不是一个关键问题,因为岩石的孔隙度比土壤的孔隙度低得多,因此测试干燥或饱和样品不会对结果产生显著影响。



在加工岩石试样时,需要使用精密的切割机和磨床等设备,以确保试样的表面平整、光滑,并且几何形状符合要求。同时,还需要对试样进行干燥处理,以消除水分对试验结果的影响。




在试样制备完成之后,需要进行测量,以确定其原始的几何尺寸和重量。这些数据将用于计算试样的力学性质,样品形状如为圆柱形,直径必须在38到54毫米之间。直径通过在样品的顶部、中部和底部进行测量得出,公差为0.1毫米。高度与直径(H/D)之比必须在2.0和3.0之间。高度应精确到毫米。此外,最大工装碎片的尺寸最大应为样品直径的10%。样品的末端必须平滑,以便顶部和底部表面平坦,公差为0.01 mm。这确保了施加的载荷均匀地传递到样品上,并且没有载荷偏心。样品的侧面必须光滑,且不存在0.3毫米公差范围内的不规则性。






岩石三轴实验过程

将一个圆柱形岩石标本放在一个专门设计的小室中(如Hoek小室)。一种特殊设计的薄膜贴在压力室上,使其保持密封。侧向压力是流体静力的,通过泵入膜中的液体(通常是油)施加。使用能够在1%精度内调节压力的液压泵或伺服马达。试样被钢制球形座轴向包围。为了获得样品的垂直和圆周变形,可以使用应变仪。然而,在进行三轴试验时,并不强制记录应变响应。下图B给出了Hoek压力室和组装在一起进行三轴试验的零件的示意图。



图2:用于三轴试验的Hoek压力室


然后将Hoek压力室放入加载装置中,该装置用于向样品施加垂直载荷。现代加载系统是以恒定速率施加液压的伺服控制装置。选择加载速率(kN/s ),使样品在大约10分钟(5-15分钟)内破坏。如果已经有关于常数σ3下的最大σ1的数据(从以前的测试中获得),则可以计算出该比率。否则,应根据对被测材料行为的现有知识做出合理的假设.侧向压力以与轴向载荷相同的速率施加,直到达到规定值。一旦达到该围压,其精度应保持在2%以内。

加载机器必须坚固,足以施加岩石样品破坏所需的最大压力。此外,应经常校准它,以正确得出负载测量值。


Controls岩石三轴仪



结果和计算

三轴试验的原始数据包括样品尺寸、侧压力σ3、轴向载荷P、试验持续时间(必须在要求的范围内),以及变形测量值(如果使用了应变仪)。

首先,样品的横截面积计算如下:


其中D是样品的直径。

轴向应力由轴向载荷除以试样的横截面积得出:

其中P是轴向载荷。

如果记录了变形测量值,则绘制样品的应力-应变响应图。轴向和周向应变eA和eC分别计算如下:


其中R是应变计的初始电阻,δR是变形引起的电阻变化,kis是应变计系数。经过一系列至少3次三轴试验后,得出岩石样品的破坏包络线。岩石力学中最常用的破坏标准是:

  • 莫尔-库仑破坏准则

  • 霍克-布朗(H-B)破坏准则

M-C破坏准则将剪切强度和作用在破坏面上的法向有效应力联系起来。它也可以用主应力表示为:

其中t是材料的剪切强度,c是内聚力,φ是摩擦角,σn是作用在破坏面上的正应力,σ1和σ3是主应力。

M-C准则因其简单性和在岩土工程中的普遍接受性而被采用。然而,H-B准则是基于许多岩石类型的一系列实验室试验发展起来的,这些试验表明,岩石脆性破坏中的主应力之间存在非线性相关性。

H-B准则中的主应力相关性表示为:

其中σci是单轴抗压强度,mi是基于岩石类型的常数,σ1和σ3是主应力。

在不同侧压力下进行至少3次三轴试验后,绘制出所选标准的最佳拟合包络线,并推导出每个包络线的参数(M-C中的内聚力、摩擦角和mi,H-B中的σci)。然而,在H-B准则中,大多数情况下σci已经由材料的单轴压缩试验确定。确保样品来自相同的岩心或岩块,并呈现相似的特性,这一点至关重要。这可以通过视觉观察来实现。



图3 基于实验室数据和M-C和H-B标准最佳拟合包络线的主应力图


推导M-C和H-B标准参数的示例

假设对特定类型的岩石试样进行了4次三轴试验。表1列出了预先确定的侧向应力和相应的轴向应力:



表1 三轴试验结果数据示例


结果用最佳拟合M-C和H-B包络绘制在图3中。

图3是基于实验室数据和M-C和H-B标准最佳拟合包络线的主应力图。

基于最佳拟合曲线,表2中给出了两个失效标准的参数。


表2:基于实验室测试数据的H-B和M-C标准的导出参数



结束语

岩石力学的研究不仅具有理论意义,还具有实际应用价值。例如,在土木工程、地质工程、采矿工程等领域中,岩石力学的研究成果被广泛应用于岩土工程设计、施工和监测等方面。此外,岩石力学的研究还可以为资源开发、环境保护、减灾防灾等方面提供重要的科学依据和技术支持。

随着科学技术的发展,岩石力学的研究方法和手段也不断更新和完善。例如,数值模拟技术、非接触式测量技术、X射线CT扫描技术等新技术的应用,使得岩石力学的研究更加精确和深入。同时,岩石力学研究领域也不断拓展,涉及到地质学、物理学、化学等多个学科领域,形成了多学科交叉的研究格局。


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参考文献

Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression: Revised version, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Volume 20, Issue 6, 1983, Pages 285-290, ISSN 0148-9062, doi.org/10.1016/0148-9062(83)90598-3.

https://www.geoengineer.org/education/laboratory-testing/triaxial-compression-test-in-rock


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