岩石壓縮變形試驗

Ⅰ 岩石力學試驗機剛度對岩石壓縮試驗結果有什麼影響

首先先明白剛度這個概念剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力.
涉及三個問題:1試驗機力的准確性,2;試驗機在壓縮岩石的時候的一個變形
3:試驗機對岩石變形的採集精度
一般是這三個元素影響實驗結果,有不明白的可以再次詢問

Ⅱ 大理岩試樣不同圍壓壓縮卸載後的單軸壓縮試驗

為了理解岩樣延性變形階段塑性變形對內部材料力學特性的影響，在岩樣不同圍壓下壓縮後卸載，進行超聲波測試和單軸壓縮試驗。超聲波速度、單軸壓縮的強度和楊氏模量從不同側面反映了岩石內部的損傷情況。

圖7-29 a是A31、A30、A34、A28和A29共5個岩樣在圍壓20MPa下壓縮至不同軸向變形後卸載的應力-應變曲線。岩樣A31尚未達到其承載極限，其餘4個岩樣的強度各相差10MPa。圖7-29b是岩樣卸載後單軸壓縮的曲線，強度和楊氏模量都不相同。其中A28和A29由於初次壓縮已經超過峰值，塑性變形局部化，因而強度明顯偏低，與另3個試樣的變形特徵不同。

試樣A31、A30、A34隨著高圍壓下壓縮變形的增加，單軸壓縮的強度降低，楊氏模量降低，但達到峰值應力的應變增加，增加量主要來自於壓縮初期的非線性變形。這具有普遍性。顯然，岩樣弱化斷面越多，屈服面滑移增加，卸載後裂隙張開也會相應增加，再次進行單軸壓縮時初期的非線性變形量也就增大。

圖7-30 a是4個岩樣（A37、A7、A8和A38）在圍壓30MPa下壓縮至不同軸向變形後卸載的應力-應變曲線。4個岩樣的強度各相差7.5MPa。圖7-30b是岩樣卸載後單軸壓縮的曲線，強度和楊氏模量都不相同。其中A38 由於初次壓縮已經超過峰值，塑性變形局部化，因而強度明顯偏低，與另3個試樣的變形特徵不同。

圖7-29 細晶大理岩A圍壓20MPa壓縮及卸載後單軸壓縮的應力-應變曲線

圖7-30 細晶大理岩A圍壓30MPa壓縮及卸載後單軸壓縮的應力-應變曲線

共有8個試樣進行了圍壓40MPa下軸向壓縮卸載後的單軸壓縮試驗。因試樣強度差異較大，將其分為兩組。圖7-31是強度較高的一組，A1、A9、A21和A12共4個岩樣，峰值強度約為310MPa。與A1相比，岩樣A9初次壓縮量稍大，但強度也較高，因而二者單軸壓縮時強度相當。

圖7-32a是強度較低的4個岩樣（A27、A26、A25 和A13）在圍壓40MPa下壓縮後卸載應力-應變曲線，峰值強度約為290MPa；圖7-32b是岩樣卸載後單軸壓縮的曲線。A25比A26初次壓縮量稍大，單軸壓縮的平均模量稍低，強度有所降低；A13初次壓縮量較大已經明顯超過峰值，單軸壓縮的平均模量較低，強度降低許多，這與初次壓縮的變形局部化有關。

圖7-33是前述試樣在圍壓20MPa、30MPa和40MPa壓縮卸載後，再次進行單軸壓縮的楊氏模量、強度與塑性變形關系。塑性應變ε_P就是岩樣卸載至主應力差為零時各圖中的殘余應變。此時岩樣具有靜水壓力下的彈性變性，可以繼續恢復；不過載入初期也有相應的變形，可以抵消。又A30和A26存在明顯的初期非線性變形，這與試樣端部不平整以及內部裂隙的閉合等有關。圖7-33中的塑性變形是岩樣延性變形階段的數值，即對圖7-29中A30和圖7-32中A25的兩個岩樣，其塑性變形將不包括初期的非線性變形。作為參考，圖中給出了5個完好岩樣單軸壓縮的強度和楊氏模量。

圖7-31 細晶大理岩A圍壓40MPa壓縮及卸載後單軸壓縮的應力-應變曲線

圖7-32 細晶大理岩A圍壓40MPa壓縮及卸載後單軸壓縮的應力-應變曲線

圖7-33 圍壓下壓縮卸載後的塑性應變與再次單軸壓縮的強度和楊氏模量的關系

在圍壓下壓縮時強度較高的試樣，同等塑性變形卸載後再次單軸壓縮的強度也較高，如圖7-31和圖7-32的兩組岩樣。除個別岩樣在圍壓下壓縮達到承載極限，進入屈服弱化階段而變形局部化，出現明顯滑移面，再次單軸壓縮的強度將明顯偏低（如A38），以及個別岩樣（如A1）由於三軸壓縮變形較小，沒有進入屈服平台外，損傷岩樣的強度隨塑性變形大致線性降低，低圍壓產生的塑性變形對強度的影響顯著。或者說，在高圍壓下岩樣延性變形階段滑移面增多，屈服局部化不明顯，因而強度降低也較少。

楊氏模量同樣隨塑性變形的增加而線性降低，且規律更為顯著，

E=a-bε_P （7.11）

系數b在圍壓20MPa時為1.76，30MPa時為0.92，40MPa時為0.49。當然，試驗數據仍較少，試樣的原始力學特性存在差異，系數b的具體數值可能不夠准確，但所體現的定性關系是肯定的。

圖7-34是前述圍壓20MPa、30MPa和40MPa壓縮試樣卸載後的塑性變形與超聲波縱波速度的關系。不考慮個別岩樣，縱波速度大致隨塑性變形增大而降低。表明岩樣在圍壓下壓縮進入屈服階段，岩樣內部滑移面的數目和尺寸隨塑性變形的增加逐步增多和加大，使得聲波速度降低。在高圍壓下時，圍壓能夠抑制滑移面的產生和發展，即聲波速度較高。總計30個完好岩樣的縱波速度范圍為3162～3694m/s，平均為3424m/s，但圖7-34中沒有給出。

圖7-34 圍壓下壓縮卸載後的塑性應變與縱波速度

圖7-35是所有細晶大理岩的損傷岩樣縱波速度與再次單軸壓縮的強度、楊氏模量的關系。從總體上看，縱波速度降低，岩樣的強度和楊氏模量降低。但就具體兩個岩樣而言，縱波速度與強度、楊氏模量沒有確切的關系。就圖7-35a的數據而言，試樣在圍壓下壓縮時發生局部剪切滑移，那麼岩樣的承載能力將顯著降低；但只要剪切滑移面處於閉合接觸狀態，對波的傳播影響不大，則縱波速度仍能維持較高的數值（如A38）。

圖7-36是完好岩樣和損傷岩樣單軸壓縮的強度與楊氏模量的關系。毫無疑問，強度與楊氏模量具有正相關性，但不能用正比關系σ_S=ε₀E來回歸。

岩樣強度較低時，內部材料整體質量尚可，只是最弱斷面的承載能力較低；強度提高主要是最弱斷面承載能力的提高，因而楊氏模量隨強度增加較小。強度較高時，增加強度意味著岩樣內各處的承載能力都得到相應提高，因而楊氏模量增加較多。

從圖7-36的數據離散性可以知道，大理岩試樣強度和楊氏模量的不同關系都是岩體內部非均勻變形的表現。

圖7-35 損傷岩樣的縱波速度與單軸壓縮的強度和楊氏模量的關系

圖7-36 單軸壓縮的強度和楊氏模量的關系

在圖7-16b和圖7-21中圍壓10MPa以上壓縮的粉晶大理岩試樣沒有破裂，表面平整光滑，只是產生了傾角約58°的滑移跡線。壓縮變形較大的試樣明顯呈鼓狀。其中C12試樣經過兩次壓縮，最大直徑已達到52mm左右。對這些試樣再次測試縱波速度

，與原始試樣的超聲波速度υ_P相比，一部分增大，另一部分降低（表7-2）。其原因是，試樣在三向應力作用下內部裂隙閉合，但軸向壓縮又會產生新的裂隙和滑移面。具體的變化特徵在下面給出。需要說明的是，粉晶大理岩中超聲波的傳播衰減很快，橫波測量結果也不可靠，故表中沒有給出。

對所有三軸壓縮後沒有破裂的試樣，再次進行單軸壓縮，圖7-37是6個試樣的應力-應變全程曲線。作為比較，對4個完好試樣進行單軸壓縮，相關參數在表7-2上部給出，圖7-37中給出C3、C4兩個試樣的應力-應變曲線；C1、C2 兩個試樣曲線已在前面的圖7-15中給出。

粉晶大理岩在圍壓30MPa下壓縮至不同變形處完全卸載，再進行單軸壓縮（圖7-38）。大理岩進入延性變形階段之後，盡管承載能力大致保持恆定，但卸載後的單軸壓縮強度、楊氏模量隨塑性變形的增加而不斷降低，這表明在圍壓下壓縮時材料的強度在不斷喪失。粉晶大理岩試樣C27因進行了一次預壓縮（進入屈服階段但未達到峰值強度），再載入時楊氏模量明顯提高，從28.3GPa增大到33.1GPa。這是一個普遍現象。作為參考，C3是完好試樣單軸壓縮的全程曲線，C28、C29由於初次壓縮變形較大，卸載後的單軸壓縮強度、楊氏模量均有不同程度降低。

表7-2 粉晶大理岩完好岩樣及損傷岩樣的力學參數

圖7-37 粉晶大理岩C完好岩樣和損傷岩樣的單軸壓縮應力-應變曲線

圖7-38 粉晶大理岩C圍壓30MPa壓縮及卸載後單軸壓縮的應力-應變曲線

從表7-2可以看出，同一粉晶大理岩塊加工的試樣，單軸壓縮的強度離散性較小，而變形差別較大，與圖7-28三塊細晶大理岩的特性相似。與前面細晶大理岩A的試驗結果（圖7-29至圖7-32）不同的是，粉晶大理岩部分損傷試樣的楊氏模量大於完好試樣。這是因為粉晶大理岩風化嚴重，內部有大量裂隙，單軸壓縮過程中應力-應變的斜率隨應力持續增加就是裂隙閉合的體現。岩樣載入、卸載之後，閉合裂隙並不會完全張開，因而再次壓縮時楊氏模量會有所增加。這就是說，如果沒有圍壓下延性階段的損傷弱化，試樣單軸壓縮的楊氏模量將大於表7-2的數值。圖7-38中3個試樣的單軸壓縮楊氏模量和強度隨塑性變形增大而減小，表明塑性變形將引起材料弱化。

岩樣經過圍壓下壓縮後，內部孔隙已經閉合，顆粒間在接觸應力作用下發生變形，接觸狀態也得到改善。岩樣單軸壓縮時峰後不再是脆性破壞。另外，圍壓下壓縮產生的滑移跡線使其單軸壓縮強度有所降低。從試樣的破壞形式來看，完整試樣單軸壓縮時是單一斷面的剪切破壞，破裂面傾角達到64.5°，而圍壓下壓縮損傷的試樣，滑移跡線或者說是弱面的傾角58.0°左右，在周向是多個方向，在軸向是多個位置分布。損傷試樣再次進行單軸壓縮時，弱面會相互影響，試樣破壞形式復雜。

圖7-39 單軸壓縮的強度和楊氏模量的關系

圖7-39是表7-2中13個試樣單軸壓縮的強度和楊氏模量。對於具體兩個岩樣而言，強度與楊氏模量沒有確定的關系，但若不考慮楊氏模量偏低的完好岩樣即C2、C3，其餘試樣的強度、楊氏模量大致滿足線性關系

σ_S=ε₀E=2.60×10^-3E

粉晶大理岩完好試樣的縱波速度為1868～2132m/s。岩樣C7與C8在圍壓下壓縮量相當，但前者在高圍壓下壓縮，縱波速度比完好岩樣增大；後者縱波速度降低（圖7-16b）。岩樣C6是在圍壓40MPa下壓縮，C12在30MPa和40MPa下多次壓縮（圖7-21），變形較大，因而前者縱波速度略有增加，而後者速度降低。

完好試樣由於風化嚴重，內部孔隙較多，孔隙在岩塊內的分布並不是均勻的，因而單軸壓縮時楊氏模量離散性較大。經過圍壓下的壓縮後岩樣內部孔隙閉合，強度、楊氏模量和超聲波速度主要受到塑性變形的影響，因而具有較好的相關性。如前所述，就具體兩個岩樣而言，縱波速度與單軸壓縮強度和楊氏模量之間沒有明確的關系，但除個別岩樣外，損傷岩樣的縱波速度、強度和楊氏模量之間具有正相關性（圖7-40）。

與其他試樣相比，試樣C8在圍壓10MPa下壓縮卸載後（圖7-16b）超聲波速度明顯偏低。對此可以作如下解釋：圍壓10MPa下試樣屈服破壞的正應力和剪應力仍較低，破壞面較為粗糙，卸載後裂隙張開，對超聲波的傳播影響較大；但再次載入時裂隙閉合後強度和楊氏模量仍可以維持較高的數值。除試樣C8之外，其餘試樣的強度、楊氏模量之間大致呈線性關系。

岩塊D粗晶變晶結構，粒徑在5mm左右，結晶程度高，較新鮮。圖7-41是粗晶大理岩試樣不同圍壓下的全程曲線，在載入結束時進行了軸向卸載。

圖7-40 損傷岩樣和完好岩樣的縱波速度與單軸壓縮的強度和楊氏模量的關系

圍壓對岩樣屈服之後的變形具有顯著影響，但載入和卸載過程不隨圍壓、試樣而變化，其平均模量在55GPa左右，是一個確定的參數（參見1.8.2節平均模量的計算方法）。三軸強度隨圍壓線性增加，滿足Coulomb准則，圍壓影響系數為3.51。

上述6個試樣卸載之後，中間稍粗，略呈鼓形（圖7-41），可以觀察到數量不等的滑移跡線，一些試樣已經產生明顯的剪切破壞面（如 D8），但都保持完整。對這些試樣進行超聲波測量之後（表7-3），進行單軸壓縮試驗。完好岩樣的縱波速度υ_p、損傷試樣的縱波速度

以及單軸壓縮的平均模量E_AV、變形模量E₅₀、強度σ₀等相關參數均在表7-3給出，應力-應變全程曲線如圖7-42所示。為了對比，對粗粒大理岩的4個完整試樣進行了單軸壓縮試驗，相關參數在表7-3上方給出，離散性較小，圖7-42中僅給出1個試樣的應力-應變曲線。

圖7-41 粗晶大理岩D試樣常規三軸壓縮的應力-應變曲線

經過圖7-41的圍壓下壓縮後，試樣的超聲波速度有不同程度的降低。D12卸載後的殘余變形與D11大致相同，但D12卸載後的超聲波速度較低；圍壓40MPa下壓縮的試樣D15超聲波速度最低。顯然，岩樣承載的最大軸向應力和塑性變形都會影響縱波速度。

損傷試樣的單軸壓縮強度和楊氏模量都低於完好試樣，並且具有很大的離散性，不過二者之間具有很好的相關性。這種相關性表明試樣內具有大量的裂隙或弱面。損傷後的試樣存在各種形式弱面，單軸壓縮時這些弱面會相互影響，不再沿單一斷面剪切破壞，因而峰值之後應力-應變曲線復雜。不過，損傷試樣在單軸壓縮下破壞所需的能量和壓縮變形降低。

D8與D9在圖7-41中都具有明顯的峰值點，卸載時軸向應力大致相同，但D8圍壓比D9高，峰後塑性變形也大，實際材料強度（扣除圍壓作用之後）應該較低，這在圖7-41中可以清楚地看出。其餘4個試樣三軸壓縮時都進入了塑性流動階段。圖7-41 中D11和D12卸載之後殘余變形相當，但再次單軸壓縮的強度、楊氏模量不等（圖7-42）。顯然，三軸壓縮時圍壓較高者，產生屈服滑移的斷面較多，每一斷面產生的弱化較低，因而強度較高。圖7-42中D15和D7的強度、楊氏模量的明顯差異進一步說明了圍壓對試樣弱化過程的影響。

表7-3 損傷和完整的粗晶大理岩試樣動態參數和單軸壓縮參數

圖7-42 粗晶大理岩損傷試樣單軸壓縮的應力-應變曲線

圖7-43 粗晶大理岩D不同長度試樣單軸壓縮的全程曲線

與上述粗晶大理岩試樣同一岩塊D加工的不同長度試樣，進行單軸壓縮試驗。圖7-43是部分應力-應變全程曲線。平均楊氏模量不隨長度變化；除長度為71mm和72mm的兩個試樣強度相差5.2MPa外，強度的離散性很小。盡管試樣強度隨長度減少而增加，但變化趨勢不大。粗晶大理岩試樣破壞形式比較復雜，一般缺少明顯的主控破裂面。毫無疑問，5mm晶粒之間的相互作用，將影響裂紋擴展方向，試樣不會沿單一斷面破裂。

從圖7-43的全程曲線也可以看出，對長徑比小於2.5的試樣，其峰後應力降低過程大體相似，表明試樣內部材料弱化具有一定的均勻性，並不是集中在單一斷面。這是與一般岩石材料不同的地方。此外，岩樣的強度尺寸效應根源於其端部與試驗機壓頭的摩擦；而圖7-43的粗晶大理岩試樣強度隨長度的變化並不顯著，這表明端部的摩擦力對破壞面的影響較小。

粗晶大理岩塊F 加工的試樣，同樣具有很好的一致性。單軸壓縮楊氏模量為41.5GPa，強度為60MPa；試樣F1、F2、F3和F4在圍壓30MPa下壓縮的楊氏模量為41.9GPa，強度為148.9～152.4MPa，差別不大（圖7-44a）。與前面的粗晶大理岩相比，其楊氏模量相同，單軸強度低4.5MPa，圍壓30MPa的強度低25MPa。4個岩樣圍壓下壓縮到不同應變卸載，再進行單軸壓縮，相關數據已在表7-3中列出。圖7-44 b是單軸壓縮的應力-應變全程曲線。圖中給出了一個完好岩樣的結果。

從圖7-44 b可以看出，岩樣經圍壓下壓縮之後，再次單軸壓縮的強度和楊氏模量降低，但峰後弱化階段的變形明顯增加。或者說損傷岩樣能夠承載更大的變形。這與前述粉晶大理岩的情形類似。

圖7-44 粗晶大理岩F試樣圍壓30MPa下壓縮及卸載後單軸壓縮的應力-應變曲線

與試樣F3相比，圍壓30MPa時F2壓縮量較小，承載能力較低，其單軸壓縮時楊氏模量稍大而強度略低。F3與D12在圍壓30MPa下的壓縮量相同，再次壓縮時的單軸強度僅相差4.8MPa，與完好岩樣單軸壓縮的強度差異相當，遠小於其三軸壓縮時承載能力差異的30MPa。這意味著，兩塊大理岩的摩擦特性不同，而塑性變形引起了材料強度降低的規律大致相同。

對於粗晶大理岩塊F，試樣在圍壓30MPa下軸向壓縮卸載後，縱波速度隨著軸向壓縮變形的增大而降低。相關數據已經在表7-3給出。圖7-45是兩塊粗晶大理岩的完好試樣和損傷試樣縱波速度與單軸壓縮的強度、楊氏模量。顯然，損傷岩樣的縱波速度與單軸壓縮的強度、楊氏模量都低於完好試樣，但縱波速度與試樣的強度、楊氏模量之間沒有相關性。這與細晶大理岩（圖7-35）和粉晶大理岩（圖7-40）完全不同。

圖7-45 損傷岩樣和完好岩樣的縱波速度與單軸壓縮的強度和楊氏模量的關系

粉晶大理岩試樣由於風化嚴重，內部孔隙較多。孔隙在岩塊內的分布並不是均勻的，因而單軸壓縮時的楊氏模量離散性較大。經過圍壓下的壓縮後岩樣內部孔隙閉合，強度、楊氏模量和超聲波速度主要受到塑性變形的影響，因而具有較好的相關性。

對於粗晶大理岩而言，軸向壓縮時試樣內晶粒產生破裂，形成裂隙，應力較高時尤其明顯。試樣卸載後部分裂隙會因鄰近材料的彈性恢復而張開，因而縱波速度將顯著降低。就此可以理解D12在圍壓30MPa下和D15在圍壓40MPa下壓縮（圖7-41）卸載後超聲波速度偏低的原因。另一方面，圍壓較高時屈服具有分布特徵，因而最弱斷面的弱化較低，再次單軸壓縮的強度較高，剪切滑移也較少，楊氏模量也就較高。至於新產生的張開裂隙，其閉合後可以承載，並不顯著影響楊氏模量。

而岩塊F的4個試樣在相同圍壓30MPa下壓縮時承載的軸向應力相同，因而損傷試樣的力學特性主要取決於卸載時產生的塑性變形，縱波速度、強度和楊氏模量具有較好的相關性。

將兩塊粗晶大理岩的完好試樣和損傷試樣單軸壓縮的強度和楊氏模量總匯於圖7-46。盡管試樣經歷了不同應力狀態下不同的壓縮變形，但其強度與楊氏模量具有大致相同的關系

σ_S=ε₀E=1.62×10^-3E

圖7-46 單軸壓縮的強度和楊氏模量的關系

對於砂岩類沉積岩，在強度較低時公式σ_S=ε₀E普遍成立。這意味著，岩樣在達到峰值強度時，岩石材料本身的變形是相同的。這就是說，不管岩樣內裂隙的滑移、擴展是如何發生的，只有岩石材料達到ε₀的變形時，岩樣才達到峰值強度。或者說，盡管岩樣內有許多裂隙，但存在一個完整的承載結構，該承載結構在應變達到ε₀時開始弱化，而此時裂隙是通過摩擦力承載的，已經達到自己的承載極限，於是岩樣達到峰值應力。

Ⅲ 如何使用單軸壓縮試驗法測定岩石的變形曲線

當軸壓縮試驗法則定延時的一個變形的曲線的話，你根據它的一個外形掃描來進行確定。

Ⅳ 岩石在三軸壓縮試驗下表現的性質與在單軸試驗中有何不同

砂岩的單軸壓縮特性

Ⅳ 如何使用單軸壓縮試驗法測定岩石的變形性質

需要採集樣本完成壓力測試，然後根據單軸壓縮試驗進行壓力調整。