1、Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-26基金项目 中国博士后创新人才项目(编号:BX2021060);中国博士后科学基金项目(编号:2021M700725)。作者简介 陈国栋(1999),男,本科生。通信作者 赵 骏(1991),男,博士后。围压及层理角度对砂岩变形、强度、破坏模式及脆性影响陈国栋 赵 骏 侯朋远 乌 双(深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110819)摘 要 采用超高刚度常规三轴试验装置 Stiffman 对砂岩进行单轴与常规三轴压缩试验,研究
2、围压及层理角度对砂岩力学特性影响规律。试验结果表明:层理角度增加使得砂岩轴向和径向峰值应变降低,峰值强度呈增加趋势;层理角度为 60和低围压下层理角度为 45时,层理结构使得峰值强度降低;弹性模量不受层理角度影响。围压增加使得砂岩轴向和径向峰值应变、峰值强度增加,弹性模量呈增加趋势。砂岩破坏受围压和层理角度影响,可分为应力控制型、应力结构控制型和结构控制型 3 种。基于砂岩轴向和径向峰前及峰后变形特征建立的脆性指标,很好地描述了砂岩脆性随围压和层理角度的变化规律:围压增加,砂岩试样脆性降低;围压相同时,层理角度为 60的砂岩试样脆性最高。关键词 围压 层理角度 砂岩 变形 强度 脆性指标 中图
3、分类号TD315 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-015-07DOI 10.19614/ki.jsks.202302003Effects of Confining Pressure and Bedding Angle on Deformation,Strength,Failure Modes and Brittleness of SandstoneCHEN Guodong ZHAO Jun HOU Pengyuan WU Shuang(Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Met
4、al Mines,Shenyang 110819,China)Abstract The uniaxial and conventional triaxial compression tests of sandstone were carried out using the ultra-high stiffness conventional triaxial test device Stiffman.The results show that the increase of the bedding angle reduces the axial and radial peak strains o
5、f the sandstone,and the peak strength increases.When the bedding angle is 60 and the bedding angle is 45 under low confining pressure,the bedding structure reduces the peak strength.The elastic modulus is not affected by the bedding angle.The increase of confining pressure increases the axial and ra
6、dial peak strain,peak strength and elastic modulus of sandstone.Sandstone failure is affected by confining pressure and bedding angle,and can be divided into three types:stress-controlled,stress-structure-controlled and structure-controlled.The brittleness index established based on the axial and ra
7、dial pre-peak and post-peak deformation characteristics of sandstone can well describe the variation law of sandstone brittleness with confining pressure and bedding angle.The confining pressure increases,the brittleness of sandstone samples decreases.When the confining pressure is the same,the sand
8、stone sample with a bedding angle of 60 has the highest brittleness.Keywords confining pressure,bedding angle,sandstone,deformation,strength,brittleness index 在地下工程建设中,砂岩是常见的一种岩体,由于形成过程的沉积作用和矿物颗粒的择优取向,使得砂岩常具有显著的层理结构。地下工程开挖过程中地应力方向与层理之间的角度差异会引起砂岩表现出各向异性的变形及破坏特征。因此,研究围压及层理角度对砂岩变形、强度、破坏模式及脆延性具有重要的工程意义。
9、近年来,众多国内外学者对层状岩石的力学行为做了大量研究。Jaeger 等1根据结构面的抗剪强度和岩块的抗剪强度的大小关系从理论上研究了层状岩体的破坏方式和强度。层理角度会引起岩石强度、变形及破坏模式均存在各向异性。层理角度为 0或90的层状岩石峰值强度最高,而层理角度为 45 60时层状岩石峰值强度最低。根据随着层理角度增51加时层状岩石峰值强度变形特征,Ramamurthy2将层状岩石峰值强度随着层理角度增加的演化规律形状分为 3 类,分别为 U 形、波浪形、肩部形。不同层理角度岩石的破坏模式可以大致分为四类,分别为沿着层理面的滑移破坏、沿着层理面的劈裂破坏、穿过层理面的劈裂破坏和穿过层理面
10、的滑移破坏。随着层理角度的增加,层状岩石的变形模量有增加的趋势3,Li 等4发现层理角度为 0时的粉质板岩发生破坏时峰值应变最大。这些试验结果对分析层状砂岩试样的强度、变形及破坏模式的各向异性提供了重要基础。层状砂岩的常规三轴压缩试验和巴西劈裂试验也得到大量研究。邓华锋等5研究了层理弱面对砂岩三轴压缩强度、抗剪强度、纵波波速、变形特征和破坏模式的影响效应和机制;李地元等6研究了动静组合加载下层状砂岩的破坏机制;Hu 等7研究了层理面对砂岩抗拉强度和变形的影响;Kim 等8通过 X射线计算机断层扫描技术研究了层状砂岩受压条件下的微破裂特征;Zhou 等9研究了层理面对砂岩热膨胀和 P 波速度的各
11、向异性的影响。陈运平等10研究了循环荷载下层状砂岩的弹性参数衰减过程的各向异性特征。Talesnick 等11通过试验比较验证了单轴压缩、径向劈裂和圆环试验等 3 种测试各向异性变形参数的有效性。脆性是一种非常重要的岩石力学指标,国内外学者对其开展了大量研究。Ai 等12认为脆性是指岩石在破坏前抵抗非弹性变形与维持宏观破坏的能力。Timoshenko13和 Hetenyi14认为脆性是指材料没有延展性。Ramsay15认为岩石的脆性是指岩石内聚力消失。Martin16认为脆性是指岩石材料在外力作用下发生连续变形而不产生永久形变的能力。Hucka和 Das17在 1974 年总结了岩石脆性指数。
12、Altind-ag18基于单轴抗压强度和抗拉强度重新定义了脆性指数,并用于预测岩石的断裂韧性和可钻性。Tarasov和 Potvin19基于峰后断裂能与可恢复的弹性能建立的脆性指数,可以评价类岩石和类岩石的脆性特征。Lu 等20基于应力应变曲线建立了考虑峰后应力降相对大小和绝对速率的脆性指数。本研究采用超高刚度常规三轴试验装置 Stiffman对不同层理角度的砂岩进行了单轴及常规三轴压缩试验,研究围压及层理角度对砂岩变形、强度、破坏模式的影响。同时,综合考虑砂岩试样轴向和径向的峰前和峰后变形特征,提出一种新的脆性指标,用于评价岩石脆性特征。1 试验准备1.1 岩样准备试验所用砂岩取自中国云南地
13、区,定义试样层理角度 为上下 2 个端面与试样层理面之间的夹角。分别沿 0、30、45、60、90的方向制备出具备不同层理角度的云南砂岩试样,砂岩试样为直径 50 mm、高度 100 mm 的标准圆柱试样。制备好的试样如图 1所示,图中虚线表示层理方向。图 1 不同层理倾角云南砂岩Fig.1 Yunnan sandstone with different bedding dip angles加工后的试样满足:试样两端面平整度偏差0.02 mm 内;沿高度方向试样直径误差不大于 0.1 mm;岩样侧面光滑、笔直,轴向角度偏差不超过0.05。加工好的试样在室内自然晾干,对试样进行波速测定,挑选无波
14、速异常、完整、表观无裂隙和缺陷的云南砂岩试样开展岩石力学试验研究。表 1 为试验用砂岩波速信息统计。表 1 云南砂岩波速统计Table 1 Statistics of wave velocity of Yunnan sandstone/()波速 W/(m/s)02 5132 5672 5452 5252 597302 6812 6672 6392 6422 628452 8942 9582 9713 0123 062603 0122 9983 0533 1013 130903 2103 3963 2523 3003 195 图 2 为随着层理角度增加砂岩轴向波速变化特征。随着层理角度增加,砂岩
15、试样波速近线性增加,可以用线性函数 W=8.6+2 516 拟合获得。平均波速由=0的 2 549 m/s 增加至=90的 3 270 m/s,增加幅度达到 700 m/s,说明层理角度增加使得砂岩试样变得更致密。图 2 砂岩试样波速特征Fig.2 Wave velocity characteristics of sandstone samples61总第 560 期 金 属 矿 山 2023 年第 2 期1.2 试验设备本试验所用设备为东北大学自主研发的超高可变刚度脆性硬岩全应力应变过程测试装置 Stiff-man21。Stiffman 采用嵌套式组合框架与岩石试样共同承载变形的结构设计,解
16、决了常规三轴全应力应变过程测试装置加载系统刚度不足的技术难题;利用主、副加载作动器连续精准接力控制加载的结构设计,解决了常规高刚度三轴全应力应变过程测试装置加载系统刚度和峰后变形量相互矛盾的技术难题。该装置轴向最大输出能力达到 10 000 kN,围压通过液压油施加最大可以达到 15 MPa,装置主加载框架刚度达到 20.4 GN/m。图 3 为超高刚度常规三轴试验装置 Stiffman 系统构成。图 3 超高刚度常规三轴试验装置 StiffmanFig.3 Ultra-high stiffness conventional triaxial test device Stiffman1.3 试验方案本试验主要研究围压和层理倾角对云南砂岩强度和变形特征的影响。为了达到此目的,对制备好的不同层理倾角的岩样进行单轴和三轴压缩试验,设计围压为 0、2.5、5、10、15 MPa 共 5 种情况。加载过程中,首先通过液压油以 0.5 MPa/s 的速率增加围压达到目标围压值。然后进行轴向力加载,先按照 0.03 mm/min 的轴向应变速率控制加载,待轴向应力达到损伤强度时,加载速率由 0.03
