三軸循環(huán)荷載下巖石動態(tài)特性參數(shù)研究

黃興建，付小敏，沈　忠，賓婷婷

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

三軸循環(huán)荷載下巖石動態(tài)特性參數(shù)研究

黃興建，付小敏，沈忠，賓婷婷

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

利用MTS815 Flex Test 40巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)。研究兩種巖石在三軸循環(huán)荷載作用下，動剪切模量和動泊松比參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：1）在相同軸向振動荷載和振動次數(shù)作用下，兩種巖石的動剪切模量隨著圍壓的增加呈現(xiàn)出先增加再減小的變化規(guī)律，動泊松比沒有明顯的變化規(guī)律。2）在相同圍壓和軸向振動荷載作用下，兩種巖石的動剪切模量隨著振動次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律，動泊松比呈現(xiàn)逐漸增加的變化規(guī)律。3）在相同圍壓和振動次數(shù)下，兩種巖石的動剪切模量與動泊松比隨著軸向振動荷載的增加都無明顯規(guī)律。試驗(yàn)成果對研究巖土工程地基巖石的地震反應(yīng)和邊坡工程的安全穩(wěn)定性評價(jià)可提供參考依據(jù)。

粉砂質(zhì)泥巖；泥質(zhì)粉砂巖；三軸循環(huán)荷載；動剪切模量；動泊松比

0　引　言

近年來，地震成為我國最主要的自然災(zāi)害之一。在油田開采前，進(jìn)行地震后油田下巖芯的地震反應(yīng)分析及巖體的穩(wěn)定性評價(jià)工作至關(guān)重要，有必要對巖石動力學(xué)特性進(jìn)行研究。目前巖石在單軸循環(huán)荷載下的研究已取得了很多成果。楊春和，劉建鋒等［1-3］關(guān)于巖石在單軸循環(huán)荷載下巖石的變形特性、阻尼參數(shù)、變形參數(shù)進(jìn)行了研究，分析了循環(huán)荷載周次和動應(yīng)力幅值對細(xì)砂巖的動彈性模量、動泊松比、阻尼比和阻尼系數(shù)的影響。葛修潤等［4］通過單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)，對巖石疲勞破壞和不可逆變形問題進(jìn)行了研究，得出巖石的疲勞壽命主要由巖石本身結(jié)構(gòu)、幅值荷載和荷載差決定；當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到某一“門檻值”后，循環(huán)周次增加將促使不可逆變形加速增長，最終導(dǎo)致整個(gè)試件破壞。周家文等［5］研究了單軸循環(huán)荷載下脆性巖石斷裂損傷力學(xué)特性，給出了一種根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算損傷變量的方法。魏元龍等［6］對含天然裂隙脆性頁巖變形及破裂特征進(jìn)行了研究，得出單軸循環(huán)荷載和裂隙對巖石屈服應(yīng)力、破裂壓力和峰值強(qiáng)度的影響及裂隙頁巖的破壞模式主要呈拉剪貫通模式和拉貫通模式。張媛［7］研究了單軸循環(huán)荷載下巖石變形損傷及能量演化的試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著單軸循環(huán)周次的增加，巖石應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)曲線呈現(xiàn)由疏變密的特征，且殘余應(yīng)變量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。馮春林等［8］研究了單軸循環(huán)荷載下巖石臨界荷載和疲勞強(qiáng)度的新方法，以全應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行不同高，低應(yīng)力水平疲勞試驗(yàn)。結(jié)果表明，巖石的臨界強(qiáng)度不僅受巖石固有性質(zhì)影響，而且受控于應(yīng)力水平，特別是應(yīng)力振幅。徐建光等［9］研究得出了單軸循環(huán)荷載下斷續(xù)裂隙試樣疲勞變形演化規(guī)律與完整巖石、完全離散的節(jié)理化巖體一致，均可劃分為初始變形、等速變形、加速變形3個(gè)階段，斷續(xù)裂隙巖體疲勞變形除受加載頻率及荷載水平的影響之外，還受到裂隙空間位置的明顯影響。所以目前對于巖石在單軸循環(huán)荷載下的力學(xué)參數(shù)和變形特性研究比較成熟。在三軸循環(huán)荷載下付小敏等［10］對巖石的變形及阻尼特性進(jìn)行了研究，得出了相同軸向振動荷載作用下，動彈性模量和動阻尼比隨著圍壓的增加逐漸增加的變化趨勢，相同圍壓和軸向振動荷載下，動彈性模量隨振動周次的增加逐漸增加，動阻尼比與振次沒有明顯的變化規(guī)律。馬林建等［11］利用三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同荷載波形參數(shù)和不同圍壓下的鹽巖試驗(yàn)的循環(huán)加、卸載試驗(yàn)，分析了三向狀態(tài)下循環(huán)荷載作用對鹽巖變形、強(qiáng)度及損傷特性的影響。宮鳳強(qiáng)等［12］研究了圍壓、應(yīng)變率與巖石的動態(tài)壓縮強(qiáng)度的變化規(guī)律。任浩楠等［13-14］探討了循環(huán)周次、圍壓以及不同應(yīng)力狀態(tài)對大理巖阻尼比和阻尼系數(shù)、動彈性模量的影響。但是三軸循環(huán)荷載下，圍壓、動應(yīng)力幅值、以及振動次數(shù)對于巖石的動剪切模量、動泊松比的影響還缺乏系統(tǒng)研究和探討。

本文利用三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)，分析探討了圍壓、軸向振動荷載、振動次數(shù)對巖石的動剪切模量和動泊松比的影響，為巖石動態(tài)力學(xué)特性參數(shù)研究提供參考。

圖1　粉砂質(zhì)泥巖

圖2　泥質(zhì)粉砂巖

圖3　MTS815 Flex40巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)

1　試驗(yàn)測試

1.1試驗(yàn)樣品

試樣微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，取自一擬建構(gòu)筑工程地基，取樣深度約為30m，為了保證試樣天然含水量不變，試樣按照工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［15］制作，采用切割機(jī)和磨石機(jī)對鉆孔巖芯進(jìn)行干加工，試樣尺寸為65mm×130mm，圖1是選擇的18個(gè)粉砂質(zhì)泥巖試樣及編號，天然總平均密度為2.54g/cm3。圖2是取自同一地區(qū)的18個(gè)泥質(zhì)粉砂巖，試樣及編號，平均密度為2.55g/cm3。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

利用美國生產(chǎn)的MTS815 Flex40程控伺服巖石剛性試驗(yàn)機(jī)（見圖3）進(jìn)行測試。該系統(tǒng)具有加載框架剛度大、計(jì)算機(jī)伺服循環(huán)控制穩(wěn)定、傳感器測試精度高等特點(diǎn)，試驗(yàn)機(jī)軸向最大施加荷載3000 kN，圍壓最大值為100MPa，振動頻率達(dá)5Hz，振動波形可為正弦波、余弦波、三角波、方形波、斜波、隨機(jī)波。

1.3試驗(yàn)方法

由于粉砂質(zhì)泥巖取樣深度較淺，故施加1，2，3MPa三級圍壓對巖樣進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)個(gè)數(shù)6個(gè)，且每組施加不同的軸向振動荷載（通過施加不同振動荷載，求出軸向臨界破壞荷載）。泥質(zhì)粉砂巖以同樣方式分為3組進(jìn)行試驗(yàn)。振動波形采用正弦波，頻率為1Hz，振動周次到2000次或試樣在某一軸向振動荷載下破壞則停止試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過程如下：

1）防油處理

利用焊塑槍將熱縮管套在試件表面，使試件在液壓缸中完全與油隔離，調(diào)整試樣并安裝環(huán)向引伸計(jì)后放到三軸壓力室底座中央。

2）施加圍壓和軸向靜態(tài)荷載

根據(jù)巖石的取樣深度，給試件施加預(yù)定圍壓σ3，通過分析其受力特點(diǎn)及動應(yīng)力大小，確定試件軸向加壓的初始靜荷載應(yīng)力值：σ=σ3+σs。加載方式采用荷載控制，加載速度為軸向荷載15 kN/min，當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到σ時(shí)停止加載。

3）施加動荷載

保持圍壓不變，以軸向應(yīng)力σ為振動中心值，給試件施加幅值為σd，頻率為1Hz的軸向振動荷載，直到試件變形穩(wěn)定或破壞。試驗(yàn)時(shí)取σs=σd，加載方式如圖4所示。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行加載試驗(yàn)可得出兩種巖石在某一圍壓下的軸向臨界破壞荷載如表1所示。當(dāng)巖石在側(cè)向均等壓力下，施加低于軸向臨界破壞荷載的等幅周期循環(huán)荷載作用時(shí)，由于巖石為非理想彈性體，巖石在每一級動應(yīng)力作用下，動應(yīng)力σd與相應(yīng)動應(yīng)變εd的曲線在時(shí)間上并不完全對應(yīng)，二者之間存在一定的時(shí)間差，使得一個(gè)循環(huán)周次的動應(yīng)力和動應(yīng)變曲線形成一個(gè)滯回環(huán)。卸載段曲線不沿原加載段曲線返回，卸載段低于加載段，從巖石循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，曲線與橫坐標(biāo)圍成的部分面積，可反映外荷載對試樣所做的功和卸載時(shí)巖石釋放的彈性能。滯回環(huán)的平均斜率可反映動彈性模量Ed的大小。通過動應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖5），根據(jù)式（1）、式（2）可求得動彈性模量Ed與動泊松比μd的值。根據(jù)動剪切模量與動彈性模量和動泊松比的關(guān)系，利用式（3）求出動剪切模量的值。

圖4　理論加載曲線

表1　不同圍壓下的軸向臨界破壞荷載　MPa

圖5　動應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)

式中：σdmax——滯回環(huán)軸向最大動應(yīng)力；

εdmax——滯回環(huán)軸向最大動應(yīng)變；

εdmin——滯回環(huán)軸向最小動應(yīng)變；

εtmax——εdmax對應(yīng)的環(huán)向最大動應(yīng)變；

εtmin——εdmin對應(yīng)的環(huán)向最小動應(yīng)變；

G——?jiǎng)蛹羟心Ａ俊?/p>

圖6是粉砂質(zhì)泥巖在22 MPa軸向振動壓力下對應(yīng)的動應(yīng)力-應(yīng)變曲線及滯回環(huán)示例。結(jié)合圖6，選擇每一圍壓下試樣分別振動10，20，30，100，500，1 000，2 000次對應(yīng)的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖，通過式（1）～式（3）計(jì)算每一個(gè)試樣的動剪切模量和動泊松比，結(jié)果如表2～表5所示。

表2　粉砂質(zhì)泥巖在不同圍壓、不同動應(yīng)力的動剪切模量計(jì)算表

表3　泥質(zhì)粉砂巖在不同圍壓、不同動應(yīng)力的動剪切模量計(jì)算表

表4　粉砂質(zhì)泥巖在不同圍壓、不同動應(yīng)力的動泊松比計(jì)算表

表5　泥質(zhì)粉砂巖在不同圍壓、不同動應(yīng)力的動泊松比計(jì)算表

圖6　粉砂質(zhì)泥巖在22MPa軸壓下的動應(yīng)力-應(yīng)變曲線及滯回環(huán)示例

圖7　粉砂質(zhì)泥巖在22MPa振動荷載下對應(yīng)不同圍壓的動剪切模量、動泊松比與振動次數(shù)曲線圖

圖8　泥質(zhì)粉砂巖在15MPa振動荷載下對應(yīng)不同圍壓的動剪切模量、動泊松比與振動次數(shù)曲線圖

2.1動剪切模量分析

從表2可以看出粉砂質(zhì)泥巖在相同軸向振動荷載（22 MPa）和振次下，隨著圍壓從1 MPa增加到3 MPa，動剪切模量呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢，2MPa達(dá)到最大平均值2.77GPa，變化情況如圖7（a）所示。

從表中還可以看出，粉砂質(zhì)泥巖在相同圍壓和軸向振動荷載下，隨著振次的增加，動剪切模量逐漸減小，減幅在3%～20%之間。這是由于隨著振動次數(shù)的增加，雖然巖樣在振動荷載作用下，內(nèi)部空隙越來越小，巖石越來越密實(shí)，表現(xiàn)的越來越穩(wěn)定，但是試樣在擾動作用下仍然有剪切變形存在，而剪應(yīng)力此時(shí)可認(rèn)為不變，故動剪切模量逐漸減小。并且粉砂質(zhì)泥巖在相同圍壓和振次下，隨著軸向振動荷載的增加，動剪切模量無明顯規(guī)律。

從表3可以看出泥質(zhì)粉砂巖在3種相同分析情況下，動剪切模量變化規(guī)律與粉砂質(zhì)泥巖一樣。動剪切模量變化情況如圖8（a）所示。

2.2動泊松比分析

從表4可以看出粉砂質(zhì)泥巖在相同軸向振動荷載（22 MPa）和振次下，隨著圍壓從1 MPa增加到3MPa，動泊松比呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢，2MPa達(dá)到最小平均值0.103，但變幅不大，在0.008～0.026之間波動，變化情況如圖7（b）所示。

從表4可以看出粉砂質(zhì)泥巖在相同圍壓和軸向振動荷載下，隨著振次的增加，動泊松比呈逐漸增加的趨勢，增幅在16%～31%之間。這是由于隨著振動次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部空隙越加密實(shí)，所以在振動后期變形幾乎穩(wěn)定，但環(huán)向約束相對軸向約束更弱，所以導(dǎo)致環(huán)向變形相對大于軸向變形，從而使動泊松比有所增加。

從表中還可以看出粉砂質(zhì)泥巖在相同圍壓和振次下，隨著軸向振動荷載的增加，動泊松比無明顯規(guī)律。

從表5可以看出泥質(zhì)粉砂巖除了在相同軸向振動荷載（15 MPa）和振次下，隨著圍壓從1 MPa增加到3MPa，動泊松比變化情況與粉砂質(zhì)泥巖不同，變化情況如圖8（b）所示。其余兩種分析情況，動泊松比變化規(guī)律與粉砂質(zhì)泥巖相同。

3　結(jié)束語

本次試驗(yàn)進(jìn)行了不同條件下巖石的三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)，得出了試驗(yàn)圍壓、軸向振動荷載、振動次數(shù)對巖石動剪切模量和動泊松比的影響規(guī)律。得出的主要結(jié)論：

1）巖石在相同軸向振動荷載和振次下，隨著圍壓的增加，動剪切模量呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢。

2）試驗(yàn)中若保持試樣圍壓和軸向振動荷載不變，隨著振動次數(shù)的增加，巖石的動剪切模量逐漸減小，而動泊松比逐漸增加。

3）巖石在相同圍壓和振次下，隨著軸向振動荷載增加，巖石的動剪切模量和動泊松比都無明顯規(guī)律。

4）巖石在試驗(yàn)中，由于用熱縮管隔油，熱縮管對試樣起到了一定約束作用，所以試件在變形過程中還要克服熱縮管的約束力，故試驗(yàn)結(jié)果還存在一定偏差性，具體偏差值值得進(jìn)一步研究。

5）巖石的三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)表明，對巖石的動態(tài)力學(xué)特性研究，除了設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)研究方案，巖石本身在動態(tài)作用下的變形復(fù)雜性對試驗(yàn)的研究結(jié)果也有很大影響。對巖石的動剪切模量和動泊松比的研究，可以一定程度判斷巖石內(nèi)部空隙的變化狀態(tài)，對實(shí)際工程中巖體震后的地震反應(yīng)分析和邊坡工程安全穩(wěn)定性評價(jià)提供借鑒。

［1］楊春和，馬洪嶺，劉建鋒.循環(huán)加、卸載下鹽巖變形特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009（12）：3562.

［2］劉建鋒，徐進(jìn)，李青松，等.循環(huán)荷載下巖石阻尼參數(shù)測試的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（5）：1036-1041.

［3］劉建鋒，謝和平，徐進(jìn)，等.循環(huán)荷載下巖石變形參數(shù)和阻尼參數(shù)探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012（4）：770-777.

［4］葛修潤，盧應(yīng)發(fā).循環(huán)荷載作用下巖石疲勞破壞和不可逆變形問題的探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1992（3）：56-60.

［5］周家文，楊興國，符文熹，等.脆性巖石單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)及斷裂損傷力學(xué)特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（6）：1172-1183.

［6］魏元龍，楊春和，郭印同，等.單軸循環(huán)荷載下含天然裂隙脆性頁巖變形及破裂特征試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2015（6）：1649-1658.

［7］張媛.循環(huán)荷載條件下巖石變形損傷及能量演化的實(shí)驗(yàn)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2011.

［8］馮春林，畢忠偉，吳永豐，等.循環(huán)荷載下巖石臨界強(qiáng)度的測定［J］.金屬礦山，2011（2）：13-16.

［9］徐建光，張平，李寧.循環(huán)荷載下斷續(xù)裂隙巖體的變形特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008（6）：802-806.

［10］付小敏，熊魂，王從顏，等.三軸循環(huán)荷載下巖石的變形及阻尼特性試驗(yàn)研究［J］.中國測試，2015，41（2）：1-4.

［11］馬林建，劉新宇，許宏發(fā)，等.循環(huán)荷載作用下鹽巖三軸變形和強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013（4）：849-856.

［12］宮鳳強(qiáng)，李夕兵，劉希靈.三軸SHPB加載下砂巖力學(xué)特性及破壞模式試驗(yàn)研究［J］.振動與沖擊，2012（8）：29-32.

［13］任浩楠，徐進(jìn)，聶明，等.三軸循環(huán)荷載下大理巖阻尼參數(shù)的試驗(yàn)研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2011（11）：72-76.

［14］聶明，徐進(jìn)，任浩楠，等.大理巖阻尼參數(shù)與動彈性參數(shù)的動三軸試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011（S2）：3989-3994.

［15］工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB 50266—1999［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

（編輯：李妮）

Study on dynamic characteristic parameters of rock under triaxial cyclic loading

HUANG Xingjian，F(xiàn)U Xiaomin，SHEN Zhong，BIN Tingting
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

MTS815 Flex Test 40 rock mechanics test equipment is used for triaxial cyclic loading tests to silty mudstone and argillaceous siltstone to study the changing laws of their dynamic shear modulus and dynamic Poisson's ratio under triaxial cyclic loading.Results show that：1）Under the same axial vibrating load and number of vibration，the dynamic shear modulus of the two rocks increases first and then decreases as the confining pressure increases，while the dynamic Poisson's ratio does not show any obvious changes.2）Under the same confining pressure and axial vibrating load，the dynamic shear modulus of the two rocks gradual decreases as the number of vibration increases，while the dynamic Poisson's ratio gradually increases.3）Under the same confining pressure and number of vibration，the dynamic shear modulus and dynamic Poisson's ratio of the two rocks do not show any obvious lawsas the axial vibrating load increases.The results provide reference for further study on seismic response of geotechnical engineering foundation rocks and evaluation on safety and stability of slope engineering.

siltymudstone；argillaceoussiltstone；three axial cyclic loading；dynamicshear modulus；dynamic Poisson's ratio

A

1674-5124（2016）07-0117-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.024

2016-02-03；

2016-03-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41272321）

黃興建（1991-），男，四川遂寧市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閹r土工程。

付小敏（1963-），女，四川綿陽市人，研究員，主要從事巖石室內(nèi)試驗(yàn)研究。