岩石三轴压缩实验的强度特性及应用

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1、第26卷第4期华南地震Vol.26,No.42006年12月SOUTHCHINAJOURNALOFSELSMOLOGYDec.,2006岩石三轴压缩实验的强度特性及应用李亚林，高雷，郭德顺，颜玉定（广东省地震局，广东广州510070）摘要：结合实例对岩石三轴实验数据的一些主要特点和适合应用的领域进行了探讨。结果为：①岩石的三轴抗压、抗剪强度随围压（或深度）的增大而增大。低围压时，呈线性增大；当围压超过某一值后，变为增长率逐渐下降的非线性增大；至更高围压后，抗压强度与围压的应力差、抗剪强度将趋于某一常数。②岩石的单轴强度是强度中的极小值。工程应用中应采用三轴强

2、度，以降低造价、避免浪费。③在现有的各种岩石力学实验方法中，三轴实验得出的凝聚力C和内摩擦角Φ相对最准确。④岩石三轴实验数据在与地学相关的领域内有着广泛的用途。关键词：岩石；压缩实验；三轴强度；凝聚力；内摩擦角；破裂角中图分类号：P315.8文献标识码：A文章编号：1001-8662（2006）04-0074-05前言岩石三轴压缩实验（简称三轴实验），实质是对处于三向受压环境中的地壳岩体的力学性状的一种模拟。相对于其它一些所谓的常规实验，三轴实验属较复杂的高级实验，它可以获取相应于岩体不同围压（或深度）的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比以及准确的凝聚力C

3、和内摩擦角等数据。若使用三轴侍服压力机，还能得到应力—应变（σ—ε）的全程曲线，进而获得岩石的残余应力、永久变形数据等。这些都是一些重大工程建设、岩石力学和某些地学项目研究及应用中必不可少的重要参数。本文结合实例，对三轴压缩实验的岩石强度（下称三轴强度）等数据的特性及其在工程中的应用作一些探讨。1岩石三轴强度虽然目前已有着多个力学强度理论，但尚无适用于各种材料的力学强度理论。实用中，通常根据不同的材料选择不同的强度理论。实践证明，在诸多强度理论中，摩尔强度理论比较适用于拉伸与压缩强度不相等的岩石之类的脆性物质。因此在工程和岩石力学实验中被广泛应用。通常在岩石

4、实验中把摩尔强度称为三轴强度。收稿日期：2006-11-20作者简介：李亚林（1979-），男，助理工程师.主要从事地震监测.4期李亚林等：岩石三轴压缩实验的强度特性及应用751.1摩尔强度理论简介1900年，由德国工程师摩尔（Mohr）创立的强度理论，被后人称为摩尔强度理论。以广州某重大工程基底中风化泥质粉砂岩的三轴强度包络线图（图1）为例，对摩尔强度理论的一些具体内容作一简述：图中横坐标σ为正应力、纵坐标τ为剪应力。曲线CAB为强度包络线。与包络线相切的每个应力圆均表示一种围压下的极限应力状态。圆与横坐标的左侧交点为围压σ3，右侧交点为该围压下的抗压强度

5、σc（σ1）。过切点的半径与横坐标正方向的夹角为2倍破裂角，破裂角定义为破裂面法线与主应力σ1方向所夹的锐角。本文称此为理论破裂角θ。切点的纵坐标为该圆所在围压下的抗剪强度τc，亦即破裂面上的剪应力τ，横坐标为破裂面上的正应力σn。包络线与纵坐标的交点为凝聚力c，直线CA与横坐标所夹的锐角为内摩擦角Φ。包络线下部是不会发生破裂的、稳定的应力状态区域，上部为不可能存在的应力状态区域。图1广州某工程基底中风化泥质粉砂岩的三轴强度包络线Fig.1Triaxialstrengthenvelopesofthemoderate-efflorescentargillace

6、oussiltstonesample1.2岩石三轴强度的特点表1为中风化泥质粉砂岩的部分三轴实验结果和相关数据。结合图1和表1阐述岩石三轴强度的特点：表1中风化泥质粉砂岩部分三轴实验数据Table1Triaxialexperimentaldataofthemoderate-efflorescentargillaceoussiltstone围压抗压强度抗剪强度凝聚力（c）和内摩擦角（Φ）破裂角（°）σ3σcτccΦ适用范围/MPa/MPa/MPa/MPa（°）（MPa）实际理论07.73.39090213.95.26060420.16.82.230.50≤σ3

7、≤5.25560625.79.16056829.610.36054（1）随着围压的增加，岩石的抗压、抗剪强度不断增大。①在低围压[如图1的CA段（0≤σ3≤5.2MPa）]时，σ3与σc、τc的关系近似呈线性。76华南地震26卷Δτ/Δσ为常数，τ与σn的关系式为τ=c+σntgΦ（1）式中凝聚力c即为σ-1n=0时的极限剪应力，Φ=tg(Δτ/Δσ)。②当围压超过某一值后（如图1的A点后，σ3>5.2MPa），σ3与σc、τc不再呈似线性关系，Δτ/Δσ随σ3的增大而逐渐变小，式（1）已不再适用。至更高围压后，Δτ/Δσ将趋于0，τc、σc-σ3将趋于某一

8、常数。（2）围压为0的强度即为单轴强度，是强度的极小