试样损伤岩石试样的力学特性与纵波速度关系

讨论大理岩试样围压下压缩和砂岩试样经历不同温度烘烤后的力学特性与纵波速度的关系。岩石不是线弹性材料，纵波速度、杨氏模量和强度是岩石试样力学性质的不同宏观表现。大理岩块曾经历地质应力，局部的低强度材料可使其附近材料承受较小荷载，晶粒之间维持相对较好的接触状态，因而试样初始纵波速度和强度呈负相关性。围压下压缩时大理岩试样承载能力随着变形增大可以大致保持恒定，但内部材料产生损伤弱化，损伤特性与围压、轴向变形有关。

试样损伤大理岩试样的超声波速度与单轴压缩特性

对于在围压作用下压缩之后完全卸载的试样(以下称之为损伤试样)，测量其纵波速度，再进行单轴压缩试验。4个试样A2，A3，A4，A5在围压为40MPa时轴向压缩至不同应变ε* ，及卸载后再次单轴压缩的轴向应力–应变曲线。其中试样A5轴向压缩应变达到0.015时试样承载的最大应力为182.7MPa，尚未达到峰值，峰值应力估计为185MPa。需要说明的是，大理岩试样进入延性变形阶段的屈服平台后，尽管承载能力不变，但内部不断产生塑性变形，材料强度降低。或者说，如果损伤试样仍进行原来围压或更高围压下的压缩，则其承载能力和杨氏模量并不会降低。这样的试验曲线文献上很多，不再给出。对于大理岩而言，轴向循环加载可以使岩样承载能力有所增加。但是，损伤试样进行单轴压缩时其强度和杨氏模量将会明显降低。

(1) 相同围压下，轴向压缩变形ε* 越大，试样产生的损伤越大。损伤试样的纵波速度V_P*、单轴压缩强度σ₀、平均模量E_av都随着经历的轴向变形增大而降低。对于初始强度相近的一组试样，如A1～A5和B1～B4，三者具有很好的正相关性。

(2) 三轴强度不同的试样，其初始纵波速度也不同，在相同围压下压缩经历相同的轴向压缩变形后，损伤试样再次单轴压缩的强度差异减小，如表中A3和A7，A5和A8。这是因为，三轴压缩时强度较高的试样承受的荷载较高，损伤较大，损伤试样单轴压缩的强度降低也就较多。

(3) 初始强度较高的试样初始纵波速度较低，而较大损伤引起纵波速度降低较大，试样之间的纵波速度差异将增大。如损伤试样A3和A7，A5和A8，其单轴压缩强度相当，但纵波速度差异较大。这也表明纵波速度与强度是岩石材料不同的力学性质，两者并无直接的关系。

(4) 围压下压缩至相同轴向变形，如A8，B3，C2，D1压缩至轴向应变0.015，A9，B4，C3，D2，E1压缩至轴向应变0.010，围压较低时试样产生的损伤较大，损伤试样的单轴压缩强度和平均模量也较低。不过，由于试样的初始纵波速度存在差异以及相应的测试误差，损伤试样的纵波速度变化与压缩围压的关系并不显著。

试样粗砂岩试样的热损伤与纵波速度

在30个粗砂岩试样中，有2个试样纵波速度为3630m/s，其余均为3060～3470m/s，大致成正态分布，平均值为3250m/s。相同温度烘烤前后3个试样纵波速度的大小关系并不一致，但烘烤后差异普遍减小。

粗砂岩试样经历100℃的烘烤后，波速基本没有变化；温度达到200℃之后，波速随温度增加单调降低；除600℃的3个试样纵波速度略有偏低外，其余大致成线性关系。

经历500℃和600℃烘烤的各3个试样、经历不同温度烘烤的6个试样的单轴压缩应力–应变全程曲线。所有试样的强度数据用常温下3个试样强度的平均值80.3MPa进行了归一化。试样烘烤之后，强度和变形特性都具有很大的离散性，与纵波速度的特征完全不同。可以看出，试样所受温度在500℃之内时，其平均模量变化不大，温度达到500℃以上时，平均模量开始降低。就此而言，纵波速度与平均模量没有直接的相关性。

试样轴向压缩过程中的变形包含3个部分：裂隙的闭合、颗粒间滑移和材料自身压缩。初期非线性变形含有上述3个部分。如前所述，黏结物质由于烘烤而刚度降低，引起初期切线模量的降低；而后期线性变形，即相应于平均模量的变形，主要由颗粒间的滑移和材料自身压缩构成，温度对两者的影响正好相反，因而在烘烤温度低于500℃时平均模量能够大致保持不变。当然试样经历较高温度的烘烤后，黏结物质的强度降低也会引起颗粒间滑移增大，引起平均模量降低。

岩石种类繁多，变形历史复杂, 围压对杨 氏模量的影响规律 尚缺乏明确的结论。由于岩样轴向压缩的应力. 应变曲线并非直线，杨氏模量的数值依赖于确定方法。与割线模量相比，平均模量是应力一 应变曲线中近似直线部分的斜率，受试验条件的影响较小, 表示了应 力与应变之间的变化关系。利用伺服试验机和文献上的试验结果得到了不同岩石的平均模量与围压的关系。宏观均匀致密的岩样或仅含有局部缺陷的岩样，杨氏模量与围压无关。从风化岩石和软弱岩层钻孔取芯得到的岩样，通常含有分布的裂隙，增大围压可以增大裂隙面之间的摩擦力，抑制剪切滑移的产生，从而提高杨氏模量。杨氏模量随围压的变化体现了岩样内部的损伤状态。

试样均匀致密的岩石试样

岩石是由矿物颗粒构成的, 是非均质材料。但是对于未风化的石英砂岩、 大理岩、 辉长岩和苏长岩等，圆柱体试样在Φ50mmx100mm这样的尺度，可 以认为是宏观均匀的。恒定围压下岩样轴向压缩时，屈服应力随着围压而增高, 但屈服之前岩样的变形规律完全相同。不考虑压缩初期的非线性变形，轴向应力一应变曲线中近似直线的部分可以重合，平均杨氏模量表示了岩石材料的变形性质。均质致密的岩样在线性变形阶段进行多次的轴向加载、 卸载，其杨氏模量也没有明显变化。岩石在一定范围内确实具有弹性变形特征。不考虑应力较低的非线性变形，应力与应变的变化量成线性关系，其比值 即平均模量与应力状态和加载历史无关，是一个材料参数。

此外，给出的不同长度、 不同直径的51个大理岩试样单轴压缩全程曲线, 岩样屈服之前的应力一应变关系也完全相同。总之，对于均质致密的岩样，尽管峰值附近的屈服过程可能有所差异，但杨氏模量是相同的，可以直接用于广义虎克定律。

试样具有局部沉积缺陷的岩石试样

对砂岩、 石灰岩这类沉积岩，通常具有各种明显的缺陷。不过从完整岩块加工的岩样除了这些局部缺陷外，整体还是均匀的。同一岩块加工的若干岩样，由于其中缺陷的位置、大小是不同的，因而岩样达到屈服的应力存在明显差异，并且屈服之后的变形特性也完全不同。

但岩样屈服之前的应力一应变关系仍是相同的，即尽管岩样存在各种不同的缺陷，但在这些缺陷达到其承载极限之前，应力一应变关系仍然是材料整体的力学性质，岩样具有确切的杨氏模量。如煤的强度较低，内部的缺陷更为明显。同一煤块制作的3个试样, 不同围压的轴向应力一应变曲线在峰值附近变化复杂，缺乏明显的规律, 但峰值之前的关系仍是相似的。

石灰岩也是一种典型的沉积岩。除局部的沉积缺陷之外，材料整体上具有均匀、 致密的特征。从石灰岩试样1^#的单轴压缩全程曲线可以看出, 石灰岩在峰值之前具有很好的线性变形特征，抗压强度是160MPa，杨氏模量是65GPa。

岩样2^#首次加载时围压为0.1MPa，初期轴向应力一变形成线性关系, 杨氏模量与岩样1^#大致相同。轴向应力达到45MPa后应力一应变关系偏离直线。这表明岩样中某一缺陷或弱面达到了其承载能力，开始屈服。其后进行的围压1, 5MPa的两次试验中，由于围压的存在，缺陷的承载能力提高，在试验范围内未产生新的屈服变形。因而杨氏模量保持不变。必须特别说明的是，从现场岩体不同位置取回的岩块以及钻孔取芯得到的岩样，内部的颗粒结构有所不同，岩样力学性质也会有所差异。这就是说，不同围压下试验结果的差异，可能是岩样而不是围压造成的，对此应有足够的认识。 2100433B

本机系机械式镶嵌机，旋转机体外手轮，通过一对伞齿轮带动机体内丝杆使压制试样的下模在刚模套内上下移动，热因性塑料连同镶嵌的试样的试样在加热的条件下成形。试样制备过程中的成形压力由固定在集体内的弹簧自动补偿、试样压制的压力可由信号灯给以指示。

本镶嵌机配置数显温控器，从而实现了实时温度显示和温度自主设定，配置定时器，又从而实现了制样的半自动化，大大提高了工作效率。每次镶嵌制样时间8-10分钟，可获得光滑如镜的理想试样。

1.试样压制规格 Ø22×15mm; Ø30×15mm; Ø45×18mm

2.加热器规格 650W 220V

3.温度调节范围 100-180℃2100433B