岩石单轴压缩变形特征分析_闫顺玺.pdf
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1、岩石单轴压缩变形特征分析闫顺玺1,2,刘铭哲1,2,常文帅1,2(1.华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山 063210;(2.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063210)摘要:通过对竖直层理倾角玄武岩单轴压缩实验,研究其在失稳破裂过程中岩石变形特征。结果发现:竖直层理倾角玄武岩其应力时间曲线呈现出典型的脆性岩石破坏特征,依据其变化的特点可以将破坏过程共分为三个阶段,其中压密阶段岩石应变量基本大于弹性阶段岩石应变量,峰前峰后应变量成反比趋势;峰前岩石试件表面基本没有宏观现象产生,峰后的宏观现象较明显;岩石破裂形式以脆性劈裂破坏为主,主要沿着竖直层理方向发生,辅
2、以次生剪切破坏。关键词:应变特征;应力曲线;破坏形式中图分类号:TP315文献标志码:A文章编号:1009-0797(2023)02-0045-04Analysis of deformation characteristics of rock under uniaxial compressionYAN Shunxi1,2LIU Mingzhe1,2CHANG Wenshuai1,2(1.College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan063210,China;2.Heb
3、ei Province Key Laboratory of Mining Development and Safety Technique,Tangshan063210,China)Abstract:Through uniaxial compression experiment of vertical bedding dip basalt,the deformation characteristics of rock in the process ofinstability failure are studied.The results show that the stress time cu
4、rve of vertically bedded basalt shows typical brittle rock failurecharacteristics.According to the characteristics of its change,the failure process can be divided into three stages,in which the strain variablesof rock in the compaction stage are basically larger than that in the elastic stage,and t
5、he strain variables before and after the peak are inverselyproportional.There are almost no macroscopic phenomena on the surface of rock specimens before the peak,but the macroscopic phenomenaafter the peak are more obvious.The fracture mode of rock is mainly brittle splitting failure,which mainly o
6、ccurs along the vertical beddingdirection,supplemented by secondary shear failure.Key words:strain characteristics;stress curve;damage form0引言岩石是由一种或几种矿物和天然玻璃组成的,具有稳定外形的固态集合体,是一种不连续、非均质具有各向异性的地质体。广泛应用于建筑行业、水利行业、其他金属的提炼等。岩石在应用中由于载荷的不断变化,其内部可能产生节理面的破坏,进而失稳破裂,影响工程建设的安全,因此研究岩石在失稳破裂过程中变形特征,对工程的安全与稳定具有较大意
7、义。目前有许多学者做过相关研究,杨小彬1等以砂岩为研究对象,开展不同加载方式的实验,结果表明不同加载方式岩石产生的变形不尽相同;郑蕾2与张志镇3等经试验证明层状岩石材料其强度、破坏模式随倾角变化而变化,具有较显著的倾角效应;孙清佩4等以层状岩石为研究对象,总结出岩石有 3 种破坏模式,具有较强的层理特征;谢玉晟5以煤岩为研究对象,结果表明煤岩受力变形方式复杂多样;姚吉康6等以花岗岩为研究对象,开展不同加载方式实验,探究其在循环荷载作用下的强度与变形特征;衣宏正7等以含孔洞岩石为研究对象,结果发现其峰值应变随倾角增大逐渐减小,且变形后裂纹形态受层理影响较显著。综上所述,以上研究已经取得了许多有意
8、义的成果,本文拟采用竖直层理玄武岩作为本次实验研究对象,分析其在压缩变形过程中的应变的变化规律,同时结合应力分析二者的关系,并根据破裂后的可见光图像,分析玄武岩的破坏形式,从以上角度探究其在失稳破裂过程中的变形特征。1试验方案1.1试样制备本次试验对象选择竖直层理倾角玄武岩,将其加工成 50 mm50 mm100 mm 的长方体。将长方体两端仔细打磨,使其表面平行度大于 0.02 mm。如图 1 所示为玄武岩试件可见光图片。1.2试验设备本次试验加载设备采用 TAW-3000 型刚性伺服试验机,实验过程中采用底座上升的方式对其进行施加载荷。场应变设备采用美国 CSI 公司 VIC-3D2023
9、 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷基金项目:河北省高等学校自然科学研究基金项目(项目编号:QN2020125),河北省高等学校自然科学研究基金项目(QN2015041)。45DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.014全场应变测量系统,具有非接触性、环境要求低、无损测试的特点,能直接获得全场应变、位移、形貌等数据。试验开始时,调整加载设备的加载速率为0.02 mm/s。将加载设备与场应变设备时间调整一致,以便同时获取数据,便于后期处理。图 1竖直层理玄武岩试件2试验结果和分析2.1应变特征分析岩石受到外力作用会产生变形破坏,这种局部的变形破坏即称为岩石的应变,
10、是一种能直观表现岩石形变程度的量。计算方法如下:=L/H式中:为应变量;L为场应变计算的位移;H为试件高。下表统计了岩石在失稳破裂过程中产生的应变量,为探究其在破裂过程中应变量大小变化规律,以大致 50 s 为间隔计算其应变量,结合岩石破裂的3 个关键阶段进行分析:表 1竖直层理玄武岩不同阶段应变量汇总由表 1 可知,竖直层理玄武岩应变量可根据其随时间变化的趋势分为三个阶段:第一阶段、第二阶段、第三阶段,各阶段应变量具有以下特点:图 2应变量随时间变化趋势图1)第一阶段应变量大于第二阶段应变量:岩石第一阶段形变要大于第二阶段形变,其原因可能是,岩石在加载初期,由于岩石内部存在的微裂隙与微孔洞受
11、力挤压变实,是岩石在破裂前主要的应变产生方式。2)同时峰值载荷前的应变量与峰值载荷后应变量呈现反比例的关系,即初期岩石内部产生较大的形变量时,后期彻底失稳破裂产生的形变量就会相对较小。3)岩石发生形变的速度较为一致,每一阶段初始速度较小,当岩石破裂过程即将走向下一阶段时,产生形变的速度明显加快。2.2岩石应力曲线特征分析岩石失稳破裂产生变形是由受力引起的,由表1 与图 2 可知应变量的变化与其裂纹产生过程具有阶段性特征,观察其应力曲线图发现,其应力的变化也有阶段性的特点,下图是 XW-90-2 试件的应力随时间变化曲线:图 3竖直层理岩石应力时间曲线根据不同阶段应力随时间变化的不同特点,将应力
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