不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究
韩铁林1陈蕴生1宋勇军2 李伟红1 余朝1
1.西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安71048
2.长安大学公路学院，陕西西安71064
摘要：利用W D T-150多功能材料试验机对砂岩试样进行了定围升轴、卸围升轴及定轴卸围这三种不同应力路径下的三轴试验，并从变形特性、强度特性和破坏特性及其机理分析等方面对砂岩试样的力学特性进行了对比分析研究。结果表明：相对于定围升轴，卸围升轴及定轴卸围下砂岩的强度有所降低，而其侧向变形和相同主应力下的扩容量明显增加，尤其在卸围升轴下的扩容量最大；不同应力路径下，砂岩的变形和强度特性主要受初始轴压和初始围压的影响，而围压加载速率对砂岩力学性质的影响不明显。定围升轴下试样呈现剪切破坏，而卸围升轴和定轴卸围时试样常常呈现出张剪破坏特征。
关键词：砂岩；卸荷；应力路径；变形特性；破坏特征
E X P E R I M E N T A L S T U D Y O N M E C H A N I C S C H A R A C T E R I S T I C S
O F
S A N D S T O E U N D E R D I F E R N
TL O A D I N G P A T H S
H A N T i e l n1C H E N Y u n s h e n g1S O N G Y o n g j u n2 L I W e i h o n g1 Y U Z h a o1
1. I n s t i t u eo f R o c ka n d S o i l M e c h a n i c s,X i a n U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y S h a n x ix i'a n71048;
2.S c h o l o f H i g h w a y,C h n g'a U n i v e r s t y, X i＇a n71064
A b s t r a c t: T r i a x i a l c o m p r e s s i o n f o rs a n d s t o n e s a m p l e u n d e r x i a l l o a d i n ga n d c o n s t a n tr a d i a l,a x i a l l o a d i n g a n d r a d i a l
u n l o a d i n g、 a x i a l c o n s t a n t a n d r a d i a l u n l o a d i n g——t h r e p a t h sa r e r e a l i z e do n W D T-1500r e a c t i v e m a t e r i a l t e s t i n g m a c h i n e.T o
a n a l y z e a n d r e s e a r c h t h e m e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i c o fs a n d s t o n e c o m p a r a t i v e l yf r o m d e f o r m a t i o np r o p e r t y,s t r e n g t hp r o p e r t y,f a i l u r ef e a t u r e i t s m e c h a n i s m.
T h e t e s tr e s u l t s s h o w t h a ts t r e n g t h o f s a n d s t o n ei sr e d u c e d,b u td e f o r m a t i o no fr a d i a la n d i t s
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f c a p c i t yu n d e rt h e s a m e p r i n c p a ls t r e s si n c r e a s e ds i
g n f i c a n t l y u n d e ra x i a l l o a d i n g a n d r a d i a lu n l o a d i n g、a x i a l c o n s t a n t a n dr a d i a lu n l o a d i n gr e l a t i v e t oa x i a ll o a d i n g a n dc o n s t a n t r a d i a l,a n d e s p e c i a l y u n d e ra x i a ll o a d i n ga n d r a d i a lu n l o a d i n g t
h e e x p a n s
i o no f c a p c i t yi sl a r g e s t;t h e d e f o r m a t i o na n ds t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c so fs a n d s t o n eu n d e r d i f e r n t s t r e s sp a t h s a r e m a i n l yi n f l u e n c e db y t h ei n i t i a la x i a l p r e s s u r ea n dt h e i n i t i a l c o n f i n i n g p r e s u r e,b u t t h e u n l o a d i n g v e l o c i t y o f c o f i n n g p r e s u r e
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e sn o t h a v e o b v i o u s l y e
f e c t st ot h e d e f o r m a t i o n o f s a n d s t o n e s a m p l e.T h e f a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c so fs a m p l e s u n d e r a x i a l l o a d i n g
a n d c o n s t a n tr a d i a lp r e s e n ts h e a r f a i l u r e,
b u tt h e f a i l u r e
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a x i l l o a d i n g a n d r a d i l u n l o a d i n g、 a x i a l c o n s t a n a n d r a d i l u n l o a d i g.
K e y w o r d s:s t a n d s t o n e;u n l o a d i n g;s t r e s p a t h;d e f o r m a t i o n p r o p e t i e s;f a i l u r e f e a t u r e
第8次全国岩石力学与工程试验及测试技术学术交流会论文集
围压恒定不变(试验施加的围压分别为0、5、10、15、2．1试验仪器及试样制备
25MPa)，轴向加压力直至岩样破坏。
试验仪器采用西安理工大学岩土所与长春朝阳试验(2)卸围升轴：增加轴压和围压(轴向加卸载速度仪器有限公司联合研制的WDT--1500多功能材料试验O．2mm／min；侧向卸载速度0．IMPa／s)至某一设定值后，机。该试验机由轴向加载系统、围压加载系统、横向剪切轴向加压力，同时逐渐卸去围压直至岩样破坏。主要研究系统、声波检测系统、计算机控制与量测系统5个部分组相同的初始围压(30MPa)条件下，初始轴压(试验施加成。最大轴向力为1500KN，最大围压80MPa，轴向、侧初始轴压分别为17．5、25、32．5MPa)的影响。相变形
测量范围分别为：0-10mm和0-5mm。(3)定轴卸围：增加轴压和围压至某一设定值后，本试验选择完整性和均匀性相对较好的砂岩作为研轴向保持不变，同时按照一定的比例卸去围压，使岩样破究对象，为了保证试件性质的相对一致性，每一组试件都坏。主要研究：a、相同的初始围压(30M Pa)条件下，初从同一岩块上钻取。取芯后，对试样断面切割、磨平，试始轴压(试验施加初始轴压分别为17．5、25、32．5MPa) 样直径50mm，高度100mm的圆柱体；试样两端面不平行的影响；b、相同的初始轴压(140MPa)条件下，初始围度误差不大于0,005mm；断面不平整度误差不大于压(试验施加初始围压分别为20、25、30MPa)的影响；0．02mm；沿试样高度上直径误差不大于O．3mm。砂岩
试样e、相同的初始围压(30MPa)、相同的初始轴压(140MPa) 平均密度为2．54lg／cm，，含水率7．24％一9．68％。条件下，围压卸载速率(围压卸载速率分别为0．1、0．5、
1MPa／s)的影响。
2．2试验方案
以上不同应力路径下的三轴试验均采用位移控制方
(1)定围升轴：增加轴压和围压至某一设定值后，式进行。试验方案详见表l。
表1试验方案
Tabl e1Te s t project of sandstone sample
3试验结果分析
3．1变形特性
3．1．1定围升轴变形特性
图1、图2分别为定围升轴下砂岩试样的(ol哂卜￡I、
应变1(％)
白~￡l关系曲线，从中可知：随着围压的增加，试样的强度图2不同围压下砂岩的￡3~cl曲线和
刚度随着增大；围压对试样侧向变形的影响大于轴向变Fig．2 C urv es o f
of sandstone s amp le
e3一el
unde r 形，这些是一般试样都具有的普遍特性[2JIA2,13】。dif fe re nt confining pr e s s u r e s
图3为定围升轴下砂岩的应力．体积应变关系曲线，从
中可以看出，加载初期压密阶段体积应变明显增加；在弹
性阶段体积应变的增加缓慢，这时岩样的变形主要是矿物
颗粒的弹性变形；在屈服阶段，试样内部微裂纹扩展并趋
于贯通，侧向变形迅速增加，而体积应变增量逐渐减小并
趋于零；在破坏阶段，由于试样内部破裂面的滑移和张开，应变1(％)
图l不同围压下砂岩的(ol—03卜￡l曲线导致其扩容现象逐渐显著。
Fig．1Curv es of(ot'03卜￡I of sandstone samp le
unde r d if fe ren t confining p r es s u re s
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第8次全国岩石力学与工程试验及测试技术学术交流会论文集
轴向应变偏离直线，侧向应变增加迅速，说明侧向变形比
轴向变形能更灵敏的反映材料内部的屈服和弱化过程。
图6为卸围升轴下砂岩的应力．体积应变关系曲线，
从中可知。在初始围压相同的条件下。试样体积应变的
变化过程与初始围压有关。试样的体积开始由压缩到膨
胀的应力随着初始轴压的增大而增加，转折点由较小初
始轴压时的80MPa增大到高初始轴压时的150MPa。
与图3对比分析发现，在相同的应力水平下卸围升轴的
扩容量相对定围升轴下的要大。
图3不同围压下砂岩的(ol·03卜￡v曲线
Fig．3 C ur ve s of(al-a3卜￡v ofsandstone s amp le unde r
冷傲畲
dif fe re nt confining pr e s su r es
笔记本发热生
、一
-R
3．1．2卸围升轴变形特性趔
图4为卸围升轴下砂岩的(oI一嘞卜￡I曲线，从中可知，在试验初期，在一定的初始轴压和围压共同作用下试
样中原有的微裂隙已经被压密处于弹性状态，曲线近似为直线，曲线的斜率基本相等，峰值强度略又增加。
随着外力图6卸围升轴下砂岩的(oI-03)一￡v曲
线
的增加，曲线逐渐近似直线而下弯，曲线的斜率逐渐减小，Fi g．6 Cu rve s of(oj-03卜￡v of sandstone sample unde r
即岩石的变形模量逐渐降低，扩容现象逐渐显著，从而岩dif fe re nt axial pressures
石达到破坏阶段。
3．1．3定轴卸围变形特性图7(a)、7(b)、7(c)分别为定轴卸围下不
同初始
轴压、不同初始围压和不同围压加载速度影响下砂岩试样
(ol·03卜6l曲关系曲线。
^∞乱zv
R毽
图4卸围升轴下砂岩的(oI．03卜￡l曲线
Fig．4 Cu rv es of(oI-0'3卜￡l of sandstone samp le und er
dif fe re nt a xi al p re s su r e s
应变1(％)
(a)不同初始轴压
公
正
U Z
R
毽
应变1(％)
图5卸围升轴下砂岩的￡3~￡l曲线
F ig．5C ur ve s of E3一￡l of san dsto ne s amp le und er
应变1(％)
dif fe re nt axial pressures
(b)不同初始围压
图5为卸围升轴下砂岩的砀~￡，曲线(与图4对应)，从
中可知．在弹性变形阶段，侧向应变与轴向应变呈线性关系，
曲线的斜率约为0．5；从屈服阶段开始，侧向应变一
·100-
第8次全国岩石力学与工程试验及测试技术学术交流会论文集
模量逐渐增大，初始围压越低试样的破
坏过程越不稳定。图7c中初始轴压为140MPa，初始围
压为30MPa。在
初始轴压和初始围压相同的情况下，围压加载速度的影响△
V主要体现在破坏阶段，围压加载速率越大则应力．轴向应变
芏
R
氆曲线的斜率越大，破坏速度越快。
图8(与图7对应)为定轴卸围下砂岩的句～el曲
线，从中可知：在起始段侧向应变．轴向应变为线性关
系，侧向
L c，／卜I口JI哥翟廊毁愿厦c，／卜I口J删臆月U戟愿厦应变增加显著，侧向应变约为轴向应变的三到五倍，试样图7定轴卸围下的砂岩(ol-03卜8l曲线处于侧向膨胀状态。
Fig．7 C ur ve s of(ol-03卜￡l ofsandst one sa mp le und er图9为定轴卸围下试样的应力—体积应变的关系曲线。ra di al unl oading从中可以看出：在定轴卸围的过程中，试样的体积始终在
膨胀。卸荷初期，体积应变的减小速率较小，体积的膨胀图7a中初始围压为30MPa，在初始围压相同和围压量不大；在破坏阶段试样的体积急剧膨胀，体积应
平均值函数变迅速加载速度相等情况下，不同初始轴压下试样的应力-应变关减小。试验初期。初始轴压、初始围压和
围压卸荷速度对系曲线的起始段区别较为明显，随着初始轴压的增加，其试样的体积应变影响不大，而在
破坏阶段试样体积膨胀随峰值强度和峰值应变增大，而弹性模量减小，脆性特征减初始轴压、初始围压减
小和围压卸荷速度增大而减缓的趋弱。势。与图3、图6对比分析发现，在相同的应力水平下定图7b中初始轴压为140MPa，在初始轴压相同和围压轴卸围的扩容量大于加载的要大一些，而相对于卸围升轴
加载速度相等情况下，随着初始围压的增加，试样的弹性下的小一些。
(a)不同初始轴压(b)不同初始围压(c)不同围压加载速度
穹
一
餐
摩壹1(％)
图8定轴卸围下砂岩的￡3一￡l曲线
Fig．g Cu rv es of￡3—81 o fsa nds ton e sam ple und er ra dial un loadin g
(a)不同初始轴压(b)不同初始围压(c)不同围压加载速度
图9定轴卸围下砂岩的(ol-03卜cv曲线
Fig．9 C ur ve s of(ol-03：卜￡v of sandstone sam ple und er radia l unl oading
3．2强度特性
亲人的英文不同应力路径下砂岩试样的试验结果如表2、表3、表4所示。从中可以看出，砂岩试样在卸围升轴、定轴卸
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第8次全国岩石力学与工程试验及测试技术学术交流会论文集围下的峰值强度都低于定围
升轴下的峰值强度。
表2卸围升轴下砂岩的试验结果
Table2Test results o f sandstone sam ple u nde r axi al l o a d i n g and radia l unloa ding
表3定轴卸围下砂岩的试验结果
Table 3 T es t res ults o f sandstone sample un der r adial unload ing
Cl110300．I134．90 0．02
C2140300．1161．65 0．03
C3150300．1172．37 0．04
C4140300．5161，86 0．02
C5140301．0162．7l O．03
C6140 250．5155．34 0．02
C71402005152．37 0．03
表4定围升轴下砂岩的试验结果
T ab l e 4 T es t re sul ts of sandstone sam ple und er d if fe ren t c o nf i n i n g pr e ss u r es
图lO所示为定围升轴下试样的峰值强度与围压呈线
∞
性关系，这与许多研究相一致[2,1 1,12,13J。
有加图ll为卸围升轴下砂岩的峰值强度与初始轴压的关
∞
系，从中可知，在卸围升轴下峰值强度随初
始轴压的增加而增加，初始轴压从17．5MPa增加为
∞
32．5MPa时，峰值强度从123．32MPa增加到133．25MPa，々■一倒景粤警
增大了8％。
情绪失落坩
2025∞勺枷初始轴压OIp柚
塞z∞我生病了
馨lC0图ll卸围升轴下砂岩的强度
馨
∞
Fig．I I Pe a k s tr e ng t h of sandstone sam ple u nde r O dif fe re nt a xi al p r e s su r e s
0 5 ∞15邵盈∞
田压tin,a)
图lO不同围压下砂岩的峰值强度
Fig．10 P ea k st re n gt h of sandstone s amp le under
dif fe re nt c o nf i n i n g pr e ss u r es
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