大理岩三轴试验应力状态分析

大理岩三轴试验应力状态分析

在岩石力学实验中，虽然可以得到岩石破坏后的应力畸变曲线（或广义上的压力变形曲线），但这是近10年的问题。电液环压机的出现是可以预测的。目前将岩石力学、超声学、岩石储层等诸参数同时测试、高精度传感器的应用和被测量的记录数字化等技术,使岩石力学研究更加深入。近年来,已有大量很有价值的有关岩石本构、弹性参数、应力路径等力学成果发表;因人工开挖工程引起岩体内发生的应力重新分布现象的研究,岩石三轴加载卸荷实验也是非常的丰富,;新技术、新方法的探索成果更值得关注。岩石力学性质的研究就是研究变形与载荷之间的关系,本文对岩石三轴试验中极限强度前的应力路径及应力-应变进行讨论,是基础性的实验分析。1实验设备和数据处理1.1岩石力学和超声采用“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室的“MTS岩石物性测试系统”,可在不同温度条件下的组合式三轴加载方式试验中,同时测试岩石力学参数(抗压强度、应力-应变全曲线等),声学参数(纵、横波的波速、频谱),储层参数(渗透率、孔隙体积变化率)等。该设备上配置有已经校正过的高精度压力、位移、体积变化、温度等传感器和耐高温超声波换能器,以及多种计算机加载控制模式和数据采集系统。采用美国ASTME132-61,79标准。轴向位移引伸计是A和B两对卡针安装在岩样两侧,环向位移引伸计是链条型。1.2dy、砂岩和角砾大理岩岩样共28个,分8组,其中包括大理岩(简称DY)、砂岩(简称SY)和角砾大理岩(简称JD)。样品加工成圆柱状(Ø25mm或Ø50mm),长度与直径之比约为2。1.3各节点应变的计算试验时同时运行数据采集软件记录数据,包括时间、轴向应力、轴向位移、围限应力、轴向应变(分A和B)、环向应变,对上述有的数据作简单计算,直接作图。2应力-时间关系分析岩石三轴实验中进行了轴向压缩应力差(简称:轴压或σ1-σ3)与围限压缩应力(简称围压或σ2=σ3)的多种加载卸荷组合(简称:应力路径)实验方案。图1是角砾大理岩(样号:JD1-1)在1945s内连续进行了表1中四个应力路径段的轴压和围压记录值曲线,用表1对图1作了说明,图1中0—J段,即定围升轴段,轴向应力曲线包含了岩石本构曲线的压实和线性阶段。虽然图2中压实阶段显示不太明显,但图1应力-时间曲线上呈缓慢增加状。说明样品虽在40MPa静水压作用下,岩石孔隙后续压实还需增大轴压来完成。图2是图1全应力路径过程中的应力-应变关系曲线,轴向应变(ε1)和环向应变(ε2)在全程应力路径中总是增加的,且总是Δε1>Δε2,说明σ1-σ3比σ2=σ3对岩石变形特性的影响更大。图2中的应变值存在累加关系,即后应力路径段起点是从前应力路径段终点值上累加的,图中的转折点处呈尖状是应力路径段转换时造成的,表1中应力路径段简称和字母标记与后文中相同。3各岩体的力学特征应力路径决定了同组岩石样品的整体应力-应变关系,而不同岩性、结构和缺陷的岩样又呈现出各自的力学特征。下面将分析不同应力路径段、不同岩性等因素下的应力-应变关系。3.1围压对岩石应力-应变关系的讨论首先分析定围升轴段砂岩和角砾大理岩样品的应力-应变关系(图3～图6),然后进行了二组岩样的结果对比,图中的数字是围压值。图3和图4是同一组砂岩的4个样品按围压从20MPa到50MPa间隔10MPa的顺序(编号SY1-1～SY1-4)进行0-J段方式的实验结果比较图,图3中的轴压与ε1关系曲线中线性段优于图4中的轴压与ε2关系曲线。这是因为轴向应变主要受σ1-σ3控制,影响因素单一,而岩样侧面在静水压下加载轴压,一方面受到轴压的作用而膨胀,另一方面受到围压的压缩作用而收缩,二重作用使其脱离线性比ε1早些。将应力看成自变量进行曲线拟合,选其中之一公式如下:图3:y=0.0028x-0.0371,R2=0.9928图4:y=4E-06x2-0.0001x+0.0037,R2=0.9961图3的线性方程和图4的非线性方程的自变量系数和常数项均随围压的改变而存在微小的数值差别。图3中线性阶段4条直线的斜率从大到小按样品所处围压从20MPa到50MPa顺序排列,显示“围压越高其极限强度越高”的规律,图3和图4是较均匀岩石的典型定围升轴段应力-应变关系。图4中样品SY1-1与SY1-2,在轴压50MPa以下,经放大观察,表现出其压实特征明显,曲线在轴压50MPa处相交;围压超过40MPa,应力-应变曲线的压实作用即消失。可以认为该组砂岩样品中孔隙和微裂纹要完全压实,粗略估计需40MPa的静水压。图5和图6表示的是同组的三个角砾大理岩样品与砂岩一样实验条件的应力-应变测试结果。角砾大理岩角砾不均匀,但胶结好,其单轴平均抗压强度高。按围压从小到大样品编号为JD5-1,JD5-2,JD5-3,两个图上的曲线拟合均为二次曲线,但还是σ1-σ3与ε1曲线的线性阶段长一些。各个样品的应力-应变线性阶段斜率从大到小的排序与样品所处围压从50～30MPa顺序排列,这正好与砂岩排列顺序完全相反。造成此现象与岩石的泊松比大小和角砾状结构有关。图6中高轴压处根据环向应变与应力曲线的弯曲程度,可以推测JD5-1比JD5-2较早进入岩石弱化。而JD5-3出现宏观破裂的时间可能会更晚些。图6中100MPa以前,样品JD5-2出现了一段负ε2值,表明样品侧面出现了收缩,这势必产生负泊松比现象。这是岩石角砾不均匀或其特殊缺陷造成的假象,因为相同岩性的其他2个样品均未出现此现象。在轴压200MPa处JD5-1与JD5-2曲线交叉,结合JD5-2前面出现的负值,可以看出该岩样中的裂纹和缺陷比其他2个样更显复杂。图7是此组样品的环向应变与轴向应变比值对比图。该比值不是严格意义(规范)上的泊松比,但还是可说明岩石的松散程度。图中初始围压小于100MPa的JD5-2上比值出现负值,这与图6中ε2出现的负值同理。当轴压升到320MPa时,三曲线相交,360MPa时,又开始分开,到450MPa,图6上JD5-1和JD5-2比值曲线开始上翘,表明岩石开始了大量的扩容(损伤),而这时JD5-3曲线出现在最下方,表现出该岩样越来越致密,最后它的极限强度将会最大。此组样品中的裂纹和缺陷完全被压实,则可能要在轴压150MPa处或静水压起码大于50MPa才行。如果要提取与围压无关的角砾大理岩的泊松比,应选在三线相交处(图7上的320MPa)最为合理,这时泊松比应属弹性泊松比。3.2轴压保持的解释对角砾大理岩进行了保持不同轴压和围压不同卸荷区间的定轴卸围段的实验。轴压分别选在线性段、扩容初期阶段、宏观破裂前。图8是JD4-1轴向压力控制模式下围压卸荷区间为49～24MPa的应变-时间曲线,轴压应力水平相当于其极限强度的93%。曲线均存在明显的线性段,时间与ε1及ε2曲线是非线性二次曲线,ε2的增加速率均大于ε1,表明围压的作用大于轴压。该岩样的轴压保持在宏观破裂前夕的岩石扩容段,故ε1和ε2曲线弯曲历害(轴压保持在线性阶段降低围压时曲线弯曲将不会出现)。卸围压会增大σ1-σ3,但是,在压力控制模式下为了完成轴压恒定控制,压机通过电液伺服控制轴向作动器活塞后退(增加围压,该活塞前进),使σ1-σ3降低恢复到原来设定值,这时岩样长度会有所变化,这是压机瞬间自动完成的。ε1减小多少(或反之),取决于岩样的力学性质,弹性特别好ε1值将减小较多。3.3确定过载区的电压损失分析3.3.1卸荷起点的应力图9和图10是角砾大理岩(JD3-2)和大理岩(DY2-2)定围缓卸轴段的应力-应变曲线,围压均控制在17.5MPa(围压压力控制模式);轴压平均卸载速率:1MPa/s。JD3-2和DY2-2轴压卸荷范围分别是208～12MPa和77～31MPa,二个样品轴压卸荷起点的应力水平相当于其极限强度的60%左右。图9和图10曲线均有一段ε1和ε2重合直线,过后曲线分开按各自的斜率发展,轴压卸荷起点应力水平低,故没有由于轴压卸载而出现明显的扩容特征。图9中A和B平台将曲线分成明显的三段。对于轴压卸荷初始时ε1与ε2重合的直线段,文献认为是轴压卸荷小于岩石闭合孔隙的反向摩擦力。曲线过了A平台后开始分开,σ1-σ3的继续卸荷,使得ε1与ε2越来越分开,ε1增加速率比ε2快,这时ε1与ε2的曲线斜率发生了改变,文献将此段称为“岩石固有弹性模量”,它可以近似地认为样品没发生过塑性变形(扩容)状态下的变形特性。认为此与压缩曲线的线性段相当,只是一个是孔隙被压缩,一个是孔隙在应力释放过程中得到恢复。图9中A和B平台都显示σ1-σ3不断卸荷过程中而ε1和ε2基本不变,B平台比A平台需更大的σ1-σ3,这是否是岩石具有闭合孔隙的反向摩擦力不同(多级现象)所致值得进一步研究。3.3.2轴向应力下的2和2图11和图12是角砾大理岩JD1-3样品的全程应力路径下的应力-应变关系,围压保持在10MPa处,轴压卸荷范围359～172MPa。轴压卸载速率:16.8MPa/S,图12中K-L段轴压卸荷开始,ε1和ε2均呈很好的线性段,ε1总是减小,在轴压卸荷到350MPa后出现负值,该线性段240MPa后的斜率比此前斜率更小,说明随着轴向应力的降低,岩石的轴向弹性恢复较明显;ε2增量较大且该曲线在轴压卸荷到180MPa出现非线性特征,说明岩样ε2表现出一定的韧性。图12的ε1与ε2曲线后段上翘,是L-M段轴压卸荷速率降低为0.7MPa/s时的记录,该段内岩样己开始扩容。图12中出现间断点,在轴压卸荷较小范围内,ε1突然增大,这意味着岩石出现了微裂纹的瞬间扩展。ε1在定围急卸轴段出现负值,应该是岩样弹性好的表现。但并不是所有的岩样ε1在定围急卸轴段都出现负值,如图1的岩样就没有负值ε1。3.4张性岩样峰前和峰后张性变化特征图13是轴向位移控制(简称:LVDT)模式下轴加围卸段JD3-3岩样的应力-应变曲线,曲线基本在岩石宏观破裂前后区间,峰值强度:510MPa,峰前ε2曲线斜率大于ε1的斜率,峰后均平衡下降,且ε2比ε1下降得快些,说明岩样在极限强度附近的扩容以张性特征为主。图13中峰值前岩样局部损伤到宏观破裂再到岩样的进一步弱化,峰前和峰后发生数据点间断现象,轴压变化很小但Δε1和Δε2同步突变现象,说明是由岩石膨胀局部化或结构劣化造成的。图13与三轴常规实验用环变控制轴压加载速率等方式而得到的曲线是有区别的,图中峰前轴压与ε1有所增加,就是LVDT控制模式下轴加围卸的结果。样品测试中我们还做了轴围同卸段与其他轴加围卸段等双应力因素的应力路径实验,分析起来更为复杂,此处从略。4其他问题的讨论4.1轴向压力传感器和围压卸荷的影响有的文献对人工开挖工程引起隧道围岩产生应力分异现象采用卸围压的同时以环向应变控制轴压加载速率的应力路径方法去研究(即3.4模式),我们认为采用LVDT控制模式保持轴向位移下进行围压卸荷的试验方式更合适。因为保持轴向位移固定了压机作动器活塞位置,围压卸荷时压杌该轴向活塞没有任何进退,上、下压头之间的距离保持不变;轴向压力传感器是安装在压机立轴上的,显示的是σ1-σ3值。因围压卸荷使σ1-σ3有所增加,这是因为围压一方面作用于岩样侧面,同时又作用于立轴的端面积减去样品端头面积后的差面积上,σ3卸荷当然σ1-σ3值增大。σ1-σ3增加多少,其决定因素有:(1)前述差面积的大小。立轴的端头和样品直径(50mm或25mm)是已知的,那么差面积就是确定值;围压卸荷在差面积上将减少多少正应力是可以计算出来的,也可采用高强度钢样直接测试、拟合计算求出,这样可以减小试验机刚度等原因造成的系统误差。(2)与岩石的极限强度、岩石内部的扩容程度、岩性、承载能力等力学性质有关。这里好像是轴压加载和围压卸荷的综合结果,但只有围压卸荷是根本原因。这与人工开挖工程引起隧道围岩产生应力分异现象完合相似,本文3.4中将单因素应力问题变成了双因素应力问题,可能会得出不同的结果。4.2定围急卸轴压段图14分别是大理岩和砂岩样品的应力-应变关系曲线,两图在全程应力路径中在K-L段都出现了曲线“间断”现象,原因是数据采样间隔设置(5s)不适当造成的。如果这时岩样“脆断”,引伸计将变动位置或脱落,记录将不连续或者没法继续采数。实验中还没有出现文献的冲程控制中试验机刚度引起的现象。图11数据采样间隔是轴向压力间隔:0.5kN,同是定围急卸轴压段的应力-应变记录是很完整的。因此,数据采样间隔是整个实验过程应考虑的问题。5考虑岩样与围压无关性的岩样对比a.最大主应力(轴压或围压)方向的应变(ε1或ε2)为最大,这是轴压、围压、加截、卸荷不