不同粒径砂岩三轴压缩力学特性试验研究

２ ０ １ ３年第 ６期 （ 总第 １ ７ １ 期）
细颗粒 砂 岩在 围压 为 １ ６ Ｍ Ｐ ａ时 ，Ｅ＝７ 模量的特征 ３ ． １ 弹性模量 和围压 的关 系 岩样单轴 压缩 的应力 一应 变关 系并 非 严 格意 义 上 的直线 。杨 氏模 量有 切 线模 量 、割线 模 量 和 弹性 模量 。应力 一 应 变 曲线 中趋 于 直线 一段 得 出弹性 模
为 ｌ＝０ ． ６ ６ １ ６ － ０ ３＋６ ． ４ ４ ７ ８， Ｒ ＝０ ． ９ ９ ５ ８。
２ ． ２ 砂岩 的强度 特性 根据 Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ准 则 ，ｏ ｒ ｓ 与 ３关 系 为 ０ － ｓ ＝Ｍ ＋ Ｎ ｏ － ， ，用 Ｑ（ Ｍ， Ｎ）表 示 ， Ｏ ｒ 与 ０ －， 呈线 性 关 系 。式
由图 ４可 知 ：变 化 曲线 上 凸。两 种粒 径 砂 岩 在 围压 ０～６ ＭＰ ａ范 围 内，峰 值 应 变 有 显 著 提 高 。 在 围压 ８— １ ６ ＭＰ ａ范 围内 ，细 颗粒 砂 岩 的 峰值 应 变
不再波动 ，而存 一个 极 限值 ；中颗粒 砂 岩 的峰 值
应 变呈先 稳定 ，后增 长 的趋 势 。说 明 中颗粒 砂 岩 的 峰值应变 对围压 的敏感性高 于细颗粒砂 岩 。 当岩 样达 到 塑 性前 （ 围压 ０— ６ ＭＰ ａ ） ，细 、 中
粒砂岩为 １ ５ ． ３ ４ Ｍ Ｐ ａ ，中颗 粒砂岩 为 ２ ４ ． ４ ２ Ｍ Ｐ ａ 。理论
围胜 ０ － ３ ／ ＭＰａ
图 ４ 细 、中颗 粒砂 岩岩样 。 一ｏ ｒ 的关 系
值大于试验值 ３ １ ． ６ ４％ ～ ３ ８ ． ５ ０％。所 以，围压 的提 高
有利于岩石 的最 大轴 向应力。说 明，强度参数 的力 学含义为 ，砂岩单轴压缩剪切破坏对应的强度 ，高出实 际单轴压缩破坏的强度 ，而 参数 Ｊ ７ 、 ｒ 实 际为图 曲线 的斜 率 ，衡量了围压对轴向承载能力的影响 。
从表 １可知 ：细颗 粒砂岩 的 和 Ⅳ值 ，在两 种
处 理方式 下都大于 中颗粒砂 岩 的 和 Ⅳ值 ，中颗 粒
砂 岩的抗压 强度 优 于细 颗粒 砂 岩 ，中颗 粒 砂岩 峰 值 强 度对 围压的敏 感性 优 于 细颗 粒砂 岩 。砂 岩 的颗 粒
中： Ｍ和 ． ７ ｖ 均是 Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ 强 度准则 参数 ，与 内摩擦 角
图 ３ 岩 样 受力示 意
细 、中颗粒 砂岩岩样 。 一０ － 的关 系 ，见 图 ４ 。
图 ５ 岩样 ｏ ｒ ｓ —ｏ ｒ ３ 关 系
从 图５可知 ，中颗粒砂 岩理论单轴 压缩时最 大轴 向应力为 ２ ４ ． ９ ３ Ｍ Ｐ ａ ，即当围压为零时，细颗粒砂 岩最 大轴 向应力为 ３ ５ ． ７ ３ Ｍ Ｐ ａ 。在试验中最 大轴 向应 力细颗
推 出
＝６ ６ ． ２ ４ Ｍ Ｐ ａ ，而 在试 验 中
＝ ６ ４ ． ２ ７ Ｍ Ｐ ａ 。
中颗粒砂 岩在 围压 为 １ ６ ＭＰ ａ时 ，Ｅ：５ ． ５ Ｇ Ｐ ａ ，推 出
粒 山 砂 颗 一 一 Ｉ ６一 寸 一 加 量 ，为许多试验 规程所选 。文献 ［ ５ ］给 出花 岗岩试
‘ ｐ 和粘 聚力 Ｃ的关 系为
Ｍ ＝２ ｃ・ ｃ ｏ ｓ ￣ ０ （ １ ）
大 小影响着 岩石 的抗 压强 度 。颗粒 越 小 ，其 轴 向抗
压 强度越 高 ，内摩擦 系数 ：ｔ ａ ｎ ｑ ￣ 越大 。
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９６ ・
路 基 工 程 Ｓ ｕ ｂ ｇ ｒ ａ ｄ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
样 三轴压缩 全过 程 曲线 ，在 围压 高达 １ ５ ３ Ｍ Ｐ ａ范 围
的 一 一
颗粒砂岩 的峰值 应 变 随 围压 呈线 性 增加 ，其 围压 一
常规 三轴压缩 下细 、中颗粒 砂岩参数 ，如表 １ 。
表１ 常 规 三轴压 缩下 细 、中颗粒 砂岩 参数
峰值应变关 系式 可 近 似为 线 性关 系 ：细 颗粒 砂 岩 为
＝
０ ． ５ ０ ７ ２ ０ － ＋ ７ ． ５ ０ ９ ８， Ｒ ＝０ ． ９ ２ １ ３；中颗粒砂 岩
式 中
ｓ 为Ｍ； ｍ为 Ⅳ 。
图 ５为细 、中颗粒砂岩 岩样 的 ｏ ｒ 与０ － 的关 系 ， 参与 回归的 只包括 三 轴压 缩 强度 和 围压 ，其 相关 性 接 近于 １ ，所 以用线性 关系 Ｑ（ Ｍ， Ｎ）来 表征 岩样峰 值强度 和 围压之 间 的关 系是合适 的。
， ， １＿ １
其变 形将受摩 擦 力 的影 响 ，而裂 隙 面上 的正 应力 与
围压有关 ，增 加 围压 ，相 当 于增 加 了裂 隙面 的 正应 力 ，滑移变形 受增 大 摩 擦力 的抑 制 而减 小 ，因而提
高 了岩样 的极 限强度 ，见 图 ３ 。
（ ３ ） （ Ｌ ４ 斗 ）
根据式 （ １ ） 、式 （ ２ ） ，已知 内摩 擦 角 和粘 聚 力Ｃ 可求 出 ， Ⅳ值 。以轴压 ０ － 为纵 坐标 ，围压 为
横 坐标 ，其最佳 关系 曲线 为直线 ，可表示为
Ｃ：ｏ ｒ ｓ （ １一ｓ ｉ ｎ ￣ ｐ ） ／ （ ２ ｃ ｏ ｓ ｑ ￣ ） ＝ｓ ｉ ‘ ｎ （ Ｌ — — ■ ， ）
康 瀚 ：不 同粒径 砂岩三轴压缩力学特性试 验研 究
・ ９ ５・
２ 试验 结果与分 析
Ⅳ＝
１ 一 Ｓｌ Ｉ ｌ
ｔ ａ ｎ （ ４ ５ 。＋ ）
二
（ ２ ）
２ ． １ 砂岩 的三轴压 缩特性 岩样在 三轴 压缩 条 件 下 的最 大 承载 能 力 ，称 为 三 轴极限强度 或者三轴 压缩 强度 ０ －。岩 样 含有 裂 隙 ，