石灰岩单轴压缩尺度效应试验研究

I SS N 1005-2763矿业研究与开发第25卷第2期　　　　　　　　　　　　　2005年4月　　　　　　　　　　　　　CN 43-1215/TD M I N I N G 　R &D, Vol . 25, No . 2Ap r . 2005

石灰岩单轴压缩尺度效应试验研究

韩素平, 徐素国

(太原理工大学采矿工艺研究所, 　山西太原　030024)

摘　要:选取河北省井陉坚硬致密的石灰岩, 加工成截面为

50mm ×50mm, 长度分别为50, 100, 150, 200, 250, 350, 400mm 的方柱, 进行单轴压缩试验, 得出了一些统计规律:(1)

crease of slenderness rati o the Poiss on rati o of the r ock s peci 2mens power -la w increases, when slenderness rati o >3, its val 2ue is ar ound 0. 4, and the r ock s peci m en was breakdown seri 2ously on its surface; (4) with the increase of slenderness rati o the ter m inal axial strain of the r ock s peci m ens power -la w de 2creases , it means that energy abs orbability of the r ock weakens with the increase of slenderness rati o .

Key W ords:L i m e r ock, Slenderness rati o, Uniaxial comp res 2si on, Size effect

长细比在1～3倍范围内, 长细比对岩柱单轴抗压强度没有显著影响, 而弹性模量近似呈直线增大, 变形模量变化与弹性模量类似, 其值约为弹性模量的83%; (2) 随着岩柱长细比的增大, 岩柱脆性增强, 岩柱对应力集中的敏感程度增大, 长细比大于3以后, 岩柱单轴抗压强度随长细比增加呈幂函数关系减小; (3) 岩柱泊松比随长细比增加呈幂函数增大, 长细比大于3以后, 岩柱表面破损严重, 其泊松比变化在0.

4左右; (4) 岩柱轴向极限应变随长细比增加呈幂函数减小,

其吸收能量的性能减弱。

关键词:石灰岩; 长细比; 单轴压缩; 尺度效应中图分类号:T D315　　　文献标识码:A 文章编号:1005-2763(2005) 02-0017-04

Exper i m en t a l i n i a x i a l

on i m Rock Xu Suguo

0　, 。尺度效应问题是, 同时也是其它力学领域和工程结构设计中的重大攻坚课题。究其原因, 是由于尺度效应产生的机理极其复杂。文献[1]认为岩石尺度效应存在两种不同的内在机制, 即岩石整体均匀破坏的统计细观损伤和变形局部弱化失稳; 文献[2]研究表明岩石尺度效应是岩石内部大量的、不同尺寸的、随机分布的孔洞、裂隙、夹杂、沉淀等多相内部缺陷的随机演化的结果, 并推出在特定条件下的岩石单轴压缩尺度效应的弹性模量表达式; 潘一山等人对长细比在3倍以内的山东华丰的粉砂岩做了试验研究, 并用梯度塑性理论对岩柱峰值强度后应变进行了分析

[3]

(Taiyuan University of Technol ogy, Taiyuan,

Shanxi 030024, China )

Abstract:Authors collected s ome hard and dense li m e r ock fr om J ingxing Rock M achining Fact ory in Hebei p r ovince, and p r o 2cessed the m int o test s peci m ens with the sa me transecti on of 50mm ×50mm but with the different lengths of 50, 100, 150, 200, 250, 350and 400mm, then carried out uniaxial comp ressi on ex 2peri m ent on the r ock s peci m ens . Fr om the tests a nu mber of sta 2tistic analysis results had be obtained:(1) when 13, the UCS of r ock s peci m ens power -law de 2creases with the increase of slenderness rati o; (3) with the in 2

; 文

献[4]总结了7种岩石单轴抗压强度试验, 表明岩石单轴抗压强度随尺度增大呈指数关系衰减, 只是对于不同的岩石, 单轴抗压强度随尺度增大而衰减的程度不同; 文献[5]用塑性剪切应变梯度模型研究了岩石试件单轴压缩峰值后变形随尺度变化的规律, 得出塑性软化区的存在是岩石尺度效应的前提条件; 文献[6]和日本西田正孝的研究认为, 应力

集中(应力分布) 和集中应力的分布状态是造成结

[7]

3收稿日期:2004-09-19

作者简介:韩素平(1975-) , 女, 在读博士, 主要从事岩土力学特性方面的研究工作.

矿业研究与开发　　　　　　　　　　　　　　　　2005, 25(2) 　

构尺度效应的根本因素。

事实上, 无论是统计细观损伤、变形局部弱化失稳、还是多相内部缺陷、塑性软化区的原因, 都只是引起结构内部应力集中的部分因素, 应力集中才是引起尺度效应的本质所在。也就是说, 结构受力系统的多种因素引起应力集中, 而应力集中又引起尺度效应。大量的研究资料和试验现象也表明, 应力集中越明显, 尺度效应也越明显。理论上讲, 结构中不存在应力集中, 就不会有尺度效应。但事实上, 实际受力结构中, 引起结构应力集中的因素非常多, 如受力方式、结构形状、结构材料均匀性(包括几何缺陷和材料力学特性分布) 等等。既然实际结构中难以避免应力集中, 那么尺度效应就会普遍存在。而对于集中应力的分布状态, 用现有的试验手段和理论分析研究都很困难。本文通过对相同截面不同长度的石灰岩柱进行单轴压缩试验, 得出了岩柱单轴压缩力学特性参数(单轴抗压强度、弹模量、变形模量、泊松比、极限轴向应变等) 随岩柱长度的变化规律。

112. 89MPa, 平均为94. 81MPa 。岩样加工成横断

面边长为50mm , 长细比λ分别为1, 2, 3, 4, 5, 7, 8

的方柱, 表面光滑平整, 且无肉眼可见的裂纹。假定岩柱为两端铰支, 用欧拉公式估算的岩柱失稳临界长细比λ在17倍左右, 而实际岩柱受压介于铰支和固定端之间, 因此, 本次试验的岩柱破坏均属于强度破坏。1. 2　加载方式

控制应力式, 速率为0. 05MPa /s 。

2　试验结果

(1) 岩柱破坏特征及其分析。从岩柱破坏特征

照片(见图1) 来看, 长细比为1的岩柱在达到承载极限时破坏比较均匀, 出现较多的细颗粒, 而随着长细比的增大, 在达到承载极限时岩柱破坏极不均匀, 局部破坏严重, , 且棱角处破坏明显, , 离加载, 长细比越大, 岩柱中应, 从而破坏突然, 破坏时岩柱有崩出现象, 试验机振动强烈, 属脆性破坏。

(2) 岩柱力学特性。岩柱试件尺寸及单轴压缩试验力学特性指标见表1。

1　试　验

1. 1　取样方法

, 坚硬, 呈灰白色

85. 26～

图1　岩柱破坏特征照片

3　结果分析

(1) 强度分析。从表1可知, 随着岩柱长细比

的增大, 总体来看, 岩柱单轴抗压强度是减小的, 但

是, 长细比在1～3之间, 强度变化甚微, 其平均值的差值相差仅9. 4%, 小于10%, 可以认为变化不大。

　韩素平, 等:　石灰岩单轴压缩尺度效应试验研究

用其平均值92. 07MPa 作为岩石的单轴抗压强度, 与标准试件的94. 81MPa 基本一致。当长细比为4时, 单轴抗压强度则降为51. 55MPa, 下降为标准试件的46%。长细比大于5以后, 单轴抗压强度变化平缓, 在20MPa ～40MPa 的范围内, 平均为33. 5MPa, 下降为标准试件的36%。对于致密坚硬的石灰岩, 用标准试件所测的单轴抗压强度乘以0. 36的弱化系数, 即可作为长细比大于5的条件下的单轴抗压强度。长细比大于3以后的岩柱单轴抗压强度与长细比的回归分析见图2。其相关关系表达式为:

试件编号

A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3E1E2E3F1F2F3G1G2G3

λR C =218. 68

-0. 9807

　　(λ≥3) ,

石灰岩单轴压缩尺度效应试验研究

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