岩石压缩变形试验

Ⅰ 岩石力学试验机刚度对岩石压缩试验结果有什么影响

首先先明白刚度这个概念刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力.
涉及三个问题:1试验机力的准确性,2;试验机在压缩岩石的时候的一个变形
3:试验机对岩石变形的采集精度
一般是这三个元素影响实验结果,有不明白的可以再次询问

Ⅱ 大理岩试样不同围压压缩卸载后的单轴压缩试验

为了理解岩样延性变形阶段塑性变形对内部材料力学特性的影响，在岩样不同围压下压缩后卸载，进行超声波测试和单轴压缩试验。超声波速度、单轴压缩的强度和杨氏模量从不同侧面反映了岩石内部的损伤情况。

图7-29 a是A31、A30、A34、A28和A29共5个岩样在围压20MPa下压缩至不同轴向变形后卸载的应力-应变曲线。岩样A31尚未达到其承载极限，其余4个岩样的强度各相差10MPa。图7-29b是岩样卸载后单轴压缩的曲线，强度和杨氏模量都不相同。其中A28和A29由于初次压缩已经超过峰值，塑性变形局部化，因而强度明显偏低，与另3个试样的变形特征不同。

试样A31、A30、A34随着高围压下压缩变形的增加，单轴压缩的强度降低，杨氏模量降低，但达到峰值应力的应变增加，增加量主要来自于压缩初期的非线性变形。这具有普遍性。显然，岩样弱化断面越多，屈服面滑移增加，卸载后裂隙张开也会相应增加，再次进行单轴压缩时初期的非线性变形量也就增大。

图7-30 a是4个岩样（A37、A7、A8和A38）在围压30MPa下压缩至不同轴向变形后卸载的应力-应变曲线。4个岩样的强度各相差7.5MPa。图7-30b是岩样卸载后单轴压缩的曲线，强度和杨氏模量都不相同。其中A38 由于初次压缩已经超过峰值，塑性变形局部化，因而强度明显偏低，与另3个试样的变形特征不同。

图7-29 细晶大理岩A围压20MPa压缩及卸载后单轴压缩的应力-应变曲线

图7-30 细晶大理岩A围压30MPa压缩及卸载后单轴压缩的应力-应变曲线

共有8个试样进行了围压40MPa下轴向压缩卸载后的单轴压缩试验。因试样强度差异较大，将其分为两组。图7-31是强度较高的一组，A1、A9、A21和A12共4个岩样，峰值强度约为310MPa。与A1相比，岩样A9初次压缩量稍大，但强度也较高，因而二者单轴压缩时强度相当。

图7-32a是强度较低的4个岩样（A27、A26、A25 和A13）在围压40MPa下压缩后卸载应力-应变曲线，峰值强度约为290MPa；图7-32b是岩样卸载后单轴压缩的曲线。A25比A26初次压缩量稍大，单轴压缩的平均模量稍低，强度有所降低；A13初次压缩量较大已经明显超过峰值，单轴压缩的平均模量较低，强度降低许多，这与初次压缩的变形局部化有关。

图7-33是前述试样在围压20MPa、30MPa和40MPa压缩卸载后，再次进行单轴压缩的杨氏模量、强度与塑性变形关系。塑性应变ε_P就是岩样卸载至主应力差为零时各图中的残余应变。此时岩样具有静水压力下的弹性变性，可以继续恢复；不过加载初期也有相应的变形，可以抵消。又A30和A26存在明显的初期非线性变形，这与试样端部不平整以及内部裂隙的闭合等有关。图7-33中的塑性变形是岩样延性变形阶段的数值，即对图7-29中A30和图7-32中A25的两个岩样，其塑性变形将不包括初期的非线性变形。作为参考，图中给出了5个完好岩样单轴压缩的强度和杨氏模量。

图7-31 细晶大理岩A围压40MPa压缩及卸载后单轴压缩的应力-应变曲线

图7-32 细晶大理岩A围压40MPa压缩及卸载后单轴压缩的应力-应变曲线

图7-33 围压下压缩卸载后的塑性应变与再次单轴压缩的强度和杨氏模量的关系

在围压下压缩时强度较高的试样，同等塑性变形卸载后再次单轴压缩的强度也较高，如图7-31和图7-32的两组岩样。除个别岩样在围压下压缩达到承载极限，进入屈服弱化阶段而变形局部化，出现明显滑移面，再次单轴压缩的强度将明显偏低（如A38），以及个别岩样（如A1）由于三轴压缩变形较小，没有进入屈服平台外，损伤岩样的强度随塑性变形大致线性降低，低围压产生的塑性变形对强度的影响显着。或者说，在高围压下岩样延性变形阶段滑移面增多，屈服局部化不明显，因而强度降低也较少。

杨氏模量同样随塑性变形的增加而线性降低，且规律更为显着，

E=a-bε_P （7.11）

系数b在围压20MPa时为1.76，30MPa时为0.92，40MPa时为0.49。当然，试验数据仍较少，试样的原始力学特性存在差异，系数b的具体数值可能不够准确，但所体现的定性关系是肯定的。

图7-34是前述围压20MPa、30MPa和40MPa压缩试样卸载后的塑性变形与超声波纵波速度的关系。不考虑个别岩样，纵波速度大致随塑性变形增大而降低。表明岩样在围压下压缩进入屈服阶段，岩样内部滑移面的数目和尺寸随塑性变形的增加逐步增多和加大，使得声波速度降低。在高围压下时，围压能够抑制滑移面的产生和发展，即声波速度较高。总计30个完好岩样的纵波速度范围为3162～3694m/s，平均为3424m/s，但图7-34中没有给出。

图7-34 围压下压缩卸载后的塑性应变与纵波速度

图7-35是所有细晶大理岩的损伤岩样纵波速度与再次单轴压缩的强度、杨氏模量的关系。从总体上看，纵波速度降低，岩样的强度和杨氏模量降低。但就具体两个岩样而言，纵波速度与强度、杨氏模量没有确切的关系。就图7-35a的数据而言，试样在围压下压缩时发生局部剪切滑移，那么岩样的承载能力将显着降低；但只要剪切滑移面处于闭合接触状态，对波的传播影响不大，则纵波速度仍能维持较高的数值（如A38）。

图7-36是完好岩样和损伤岩样单轴压缩的强度与杨氏模量的关系。毫无疑问，强度与杨氏模量具有正相关性，但不能用正比关系σ_S=ε₀E来回归。

岩样强度较低时，内部材料整体质量尚可，只是最弱断面的承载能力较低；强度提高主要是最弱断面承载能力的提高，因而杨氏模量随强度增加较小。强度较高时，增加强度意味着岩样内各处的承载能力都得到相应提高，因而杨氏模量增加较多。

从图7-36的数据离散性可以知道，大理岩试样强度和杨氏模量的不同关系都是岩体内部非均匀变形的表现。

图7-35 损伤岩样的纵波速度与单轴压缩的强度和杨氏模量的关系

图7-36 单轴压缩的强度和杨氏模量的关系

在图7-16b和图7-21中围压10MPa以上压缩的粉晶大理岩试样没有破裂，表面平整光滑，只是产生了倾角约58°的滑移迹线。压缩变形较大的试样明显呈鼓状。其中C12试样经过两次压缩，最大直径已达到52mm左右。对这些试样再次测试纵波速度

，与原始试样的超声波速度υ_P相比，一部分增大，另一部分降低（表7-2）。其原因是，试样在三向应力作用下内部裂隙闭合，但轴向压缩又会产生新的裂隙和滑移面。具体的变化特征在下面给出。需要说明的是，粉晶大理岩中超声波的传播衰减很快，横波测量结果也不可靠，故表中没有给出。

对所有三轴压缩后没有破裂的试样，再次进行单轴压缩，图7-37是6个试样的应力-应变全程曲线。作为比较，对4个完好试样进行单轴压缩，相关参数在表7-2上部给出，图7-37中给出C3、C4两个试样的应力-应变曲线；C1、C2 两个试样曲线已在前面的图7-15中给出。

粉晶大理岩在围压30MPa下压缩至不同变形处完全卸载，再进行单轴压缩（图7-38）。大理岩进入延性变形阶段之后，尽管承载能力大致保持恒定，但卸载后的单轴压缩强度、杨氏模量随塑性变形的增加而不断降低，这表明在围压下压缩时材料的强度在不断丧失。粉晶大理岩试样C27因进行了一次预压缩（进入屈服阶段但未达到峰值强度），再加载时杨氏模量明显提高，从28.3GPa增大到33.1GPa。这是一个普遍现象。作为参考，C3是完好试样单轴压缩的全程曲线，C28、C29由于初次压缩变形较大，卸载后的单轴压缩强度、杨氏模量均有不同程度降低。

表7-2 粉晶大理岩完好岩样及损伤岩样的力学参数

图7-37 粉晶大理岩C完好岩样和损伤岩样的单轴压缩应力-应变曲线

图7-38 粉晶大理岩C围压30MPa压缩及卸载后单轴压缩的应力-应变曲线

从表7-2可以看出，同一粉晶大理岩块加工的试样，单轴压缩的强度离散性较小，而变形差别较大，与图7-28三块细晶大理岩的特性相似。与前面细晶大理岩A的试验结果（图7-29至图7-32）不同的是，粉晶大理岩部分损伤试样的杨氏模量大于完好试样。这是因为粉晶大理岩风化严重，内部有大量裂隙，单轴压缩过程中应力-应变的斜率随应力持续增加就是裂隙闭合的体现。岩样加载、卸载之后，闭合裂隙并不会完全张开，因而再次压缩时杨氏模量会有所增加。这就是说，如果没有围压下延性阶段的损伤弱化，试样单轴压缩的杨氏模量将大于表7-2的数值。图7-38中3个试样的单轴压缩杨氏模量和强度随塑性变形增大而减小，表明塑性变形将引起材料弱化。

岩样经过围压下压缩后，内部孔隙已经闭合，颗粒间在接触应力作用下发生变形，接触状态也得到改善。岩样单轴压缩时峰后不再是脆性破坏。另外，围压下压缩产生的滑移迹线使其单轴压缩强度有所降低。从试样的破坏形式来看，完整试样单轴压缩时是单一断面的剪切破坏，破裂面倾角达到64.5°，而围压下压缩损伤的试样，滑移迹线或者说是弱面的倾角58.0°左右，在周向是多个方向，在轴向是多个位置分布。损伤试样再次进行单轴压缩时，弱面会相互影响，试样破坏形式复杂。

图7-39 单轴压缩的强度和杨氏模量的关系

图7-39是表7-2中13个试样单轴压缩的强度和杨氏模量。对于具体两个岩样而言，强度与杨氏模量没有确定的关系，但若不考虑杨氏模量偏低的完好岩样即C2、C3，其余试样的强度、杨氏模量大致满足线性关系

σ_S=ε₀E=2.60×10^-3E

粉晶大理岩完好试样的纵波速度为1868～2132m/s。岩样C7与C8在围压下压缩量相当，但前者在高围压下压缩，纵波速度比完好岩样增大；后者纵波速度降低（图7-16b）。岩样C6是在围压40MPa下压缩，C12在30MPa和40MPa下多次压缩（图7-21），变形较大，因而前者纵波速度略有增加，而后者速度降低。

完好试样由于风化严重，内部孔隙较多，孔隙在岩块内的分布并不是均匀的，因而单轴压缩时杨氏模量离散性较大。经过围压下的压缩后岩样内部孔隙闭合，强度、杨氏模量和超声波速度主要受到塑性变形的影响，因而具有较好的相关性。如前所述，就具体两个岩样而言，纵波速度与单轴压缩强度和杨氏模量之间没有明确的关系，但除个别岩样外，损伤岩样的纵波速度、强度和杨氏模量之间具有正相关性（图7-40）。

与其他试样相比，试样C8在围压10MPa下压缩卸载后（图7-16b）超声波速度明显偏低。对此可以作如下解释：围压10MPa下试样屈服破坏的正应力和剪应力仍较低，破坏面较为粗糙，卸载后裂隙张开，对超声波的传播影响较大；但再次加载时裂隙闭合后强度和杨氏模量仍可以维持较高的数值。除试样C8之外，其余试样的强度、杨氏模量之间大致呈线性关系。

岩块D粗晶变晶结构，粒径在5mm左右，结晶程度高，较新鲜。图7-41是粗晶大理岩试样不同围压下的全程曲线，在加载结束时进行了轴向卸载。

图7-40 损伤岩样和完好岩样的纵波速度与单轴压缩的强度和杨氏模量的关系

围压对岩样屈服之后的变形具有显着影响，但加载和卸载过程不随围压、试样而变化，其平均模量在55GPa左右，是一个确定的参数（参见1.8.2节平均模量的计算方法）。三轴强度随围压线性增加，满足Coulomb准则，围压影响系数为3.51。

上述6个试样卸载之后，中间稍粗，略呈鼓形（图7-41），可以观察到数量不等的滑移迹线，一些试样已经产生明显的剪切破坏面（如 D8），但都保持完整。对这些试样进行超声波测量之后（表7-3），进行单轴压缩试验。完好岩样的纵波速度υ_p、损伤试样的纵波速度

以及单轴压缩的平均模量E_AV、变形模量E₅₀、强度σ₀等相关参数均在表7-3给出，应力-应变全程曲线如图7-42所示。为了对比，对粗粒大理岩的4个完整试样进行了单轴压缩试验，相关参数在表7-3上方给出，离散性较小，图7-42中仅给出1个试样的应力-应变曲线。

图7-41 粗晶大理岩D试样常规三轴压缩的应力-应变曲线

经过图7-41的围压下压缩后，试样的超声波速度有不同程度的降低。D12卸载后的残余变形与D11大致相同，但D12卸载后的超声波速度较低；围压40MPa下压缩的试样D15超声波速度最低。显然，岩样承载的最大轴向应力和塑性变形都会影响纵波速度。

损伤试样的单轴压缩强度和杨氏模量都低于完好试样，并且具有很大的离散性，不过二者之间具有很好的相关性。这种相关性表明试样内具有大量的裂隙或弱面。损伤后的试样存在各种形式弱面，单轴压缩时这些弱面会相互影响，不再沿单一断面剪切破坏，因而峰值之后应力-应变曲线复杂。不过，损伤试样在单轴压缩下破坏所需的能量和压缩变形降低。

D8与D9在图7-41中都具有明显的峰值点，卸载时轴向应力大致相同，但D8围压比D9高，峰后塑性变形也大，实际材料强度（扣除围压作用之后）应该较低，这在图7-41中可以清楚地看出。其余4个试样三轴压缩时都进入了塑性流动阶段。图7-41 中D11和D12卸载之后残余变形相当，但再次单轴压缩的强度、杨氏模量不等（图7-42）。显然，三轴压缩时围压较高者，产生屈服滑移的断面较多，每一断面产生的弱化较低，因而强度较高。图7-42中D15和D7的强度、杨氏模量的明显差异进一步说明了围压对试样弱化过程的影响。

表7-3 损伤和完整的粗晶大理岩试样动态参数和单轴压缩参数

图7-42 粗晶大理岩损伤试样单轴压缩的应力-应变曲线

图7-43 粗晶大理岩D不同长度试样单轴压缩的全程曲线

与上述粗晶大理岩试样同一岩块D加工的不同长度试样，进行单轴压缩试验。图7-43是部分应力-应变全程曲线。平均杨氏模量不随长度变化；除长度为71mm和72mm的两个试样强度相差5.2MPa外，强度的离散性很小。尽管试样强度随长度减少而增加，但变化趋势不大。粗晶大理岩试样破坏形式比较复杂，一般缺少明显的主控破裂面。毫无疑问，5mm晶粒之间的相互作用，将影响裂纹扩展方向，试样不会沿单一断面破裂。

从图7-43的全程曲线也可以看出，对长径比小于2.5的试样，其峰后应力降低过程大体相似，表明试样内部材料弱化具有一定的均匀性，并不是集中在单一断面。这是与一般岩石材料不同的地方。此外，岩样的强度尺寸效应根源于其端部与试验机压头的摩擦；而图7-43的粗晶大理岩试样强度随长度的变化并不显着，这表明端部的摩擦力对破坏面的影响较小。

粗晶大理岩块F 加工的试样，同样具有很好的一致性。单轴压缩杨氏模量为41.5GPa，强度为60MPa；试样F1、F2、F3和F4在围压30MPa下压缩的杨氏模量为41.9GPa，强度为148.9～152.4MPa，差别不大（图7-44a）。与前面的粗晶大理岩相比，其杨氏模量相同，单轴强度低4.5MPa，围压30MPa的强度低25MPa。4个岩样围压下压缩到不同应变卸载，再进行单轴压缩，相关数据已在表7-3中列出。图7-44 b是单轴压缩的应力-应变全程曲线。图中给出了一个完好岩样的结果。

从图7-44 b可以看出，岩样经围压下压缩之后，再次单轴压缩的强度和杨氏模量降低，但峰后弱化阶段的变形明显增加。或者说损伤岩样能够承载更大的变形。这与前述粉晶大理岩的情形类似。

图7-44 粗晶大理岩F试样围压30MPa下压缩及卸载后单轴压缩的应力-应变曲线

与试样F3相比，围压30MPa时F2压缩量较小，承载能力较低，其单轴压缩时杨氏模量稍大而强度略低。F3与D12在围压30MPa下的压缩量相同，再次压缩时的单轴强度仅相差4.8MPa，与完好岩样单轴压缩的强度差异相当，远小于其三轴压缩时承载能力差异的30MPa。这意味着，两块大理岩的摩擦特性不同，而塑性变形引起了材料强度降低的规律大致相同。

对于粗晶大理岩块F，试样在围压30MPa下轴向压缩卸载后，纵波速度随着轴向压缩变形的增大而降低。相关数据已经在表7-3给出。图7-45是两块粗晶大理岩的完好试样和损伤试样纵波速度与单轴压缩的强度、杨氏模量。显然，损伤岩样的纵波速度与单轴压缩的强度、杨氏模量都低于完好试样，但纵波速度与试样的强度、杨氏模量之间没有相关性。这与细晶大理岩（图7-35）和粉晶大理岩（图7-40）完全不同。

图7-45 损伤岩样和完好岩样的纵波速度与单轴压缩的强度和杨氏模量的关系

粉晶大理岩试样由于风化严重，内部孔隙较多。孔隙在岩块内的分布并不是均匀的，因而单轴压缩时的杨氏模量离散性较大。经过围压下的压缩后岩样内部孔隙闭合，强度、杨氏模量和超声波速度主要受到塑性变形的影响，因而具有较好的相关性。

对于粗晶大理岩而言，轴向压缩时试样内晶粒产生破裂，形成裂隙，应力较高时尤其明显。试样卸载后部分裂隙会因邻近材料的弹性恢复而张开，因而纵波速度将显着降低。就此可以理解D12在围压30MPa下和D15在围压40MPa下压缩（图7-41）卸载后超声波速度偏低的原因。另一方面，围压较高时屈服具有分布特征，因而最弱断面的弱化较低，再次单轴压缩的强度较高，剪切滑移也较少，杨氏模量也就较高。至于新产生的张开裂隙，其闭合后可以承载，并不显着影响杨氏模量。

而岩块F的4个试样在相同围压30MPa下压缩时承载的轴向应力相同，因而损伤试样的力学特性主要取决于卸载时产生的塑性变形，纵波速度、强度和杨氏模量具有较好的相关性。

将两块粗晶大理岩的完好试样和损伤试样单轴压缩的强度和杨氏模量总汇于图7-46。尽管试样经历了不同应力状态下不同的压缩变形，但其强度与杨氏模量具有大致相同的关系

σ_S=ε₀E=1.62×10^-3E

图7-46 单轴压缩的强度和杨氏模量的关系

对于砂岩类沉积岩，在强度较低时公式σ_S=ε₀E普遍成立。这意味着，岩样在达到峰值强度时，岩石材料本身的变形是相同的。这就是说，不管岩样内裂隙的滑移、扩展是如何发生的，只有岩石材料达到ε₀的变形时，岩样才达到峰值强度。或者说，尽管岩样内有许多裂隙，但存在一个完整的承载结构，该承载结构在应变达到ε₀时开始弱化，而此时裂隙是通过摩擦力承载的，已经达到自己的承载极限，于是岩样达到峰值应力。

Ⅲ 如何使用单轴压缩试验法测定岩石的变形曲线

当轴压缩试验法则定延时的一个变形的曲线的话，你根据它的一个外形扫描来进行确定。

Ⅳ 岩石在三轴压缩试验下表现的性质与在单轴试验中有何不同

砂岩的单轴压缩特性

Ⅳ 如何使用单轴压缩试验法测定岩石的变形性质

需要采集样本完成压力测试，然后根据单轴压缩试验进行压力调整。