基本介紹
- 中文名：試樣
- 外文名：specimen
- 類別：力學與工程
損傷岩石試樣的力學特性與縱波速度關係,損傷大理岩試樣的超音波速度與單軸壓縮特性,粗砂岩試樣的熱損傷與縱波速度,岩石試樣的楊氏模量與圍壓的關係,均勻緻密的岩石試樣,具有局部沉積缺陷的岩石試樣,
損傷岩石試樣的力學特性與縱波速度關係
討論大理岩試樣圍壓下壓縮和砂岩試樣經歷不同溫度烘烤後的力學特性與縱波速度的關係。岩石不是線彈性材料，縱波速度、楊氏模量和強度是岩石試樣力學性質的不同巨觀表現。大理岩塊曾經歷地質應力，局部的低強度材料可使其附近材料承受較小荷載，晶粒之間維持相對較好的接觸狀態，因而試樣初始縱波速度和強度呈負相關性。圍壓下壓縮時大理岩試樣承載能力隨著變形增大可以大致保持恆定，但內部材料產生損傷弱化，損傷特性與圍壓、軸向變形有關。
損傷大理岩試樣的超音波速度與單軸壓縮特性
對於在圍壓作用下壓縮之後完全卸載的試樣(以下稱之為損傷試樣)，測量其縱波速度，再進行單軸壓縮試驗。4個試樣A2，A3，A4，A5在圍壓為40MPa時軸向壓縮至不同應變ε* ，及卸載後再次單軸壓縮的軸向應力–應變曲線。其中試樣A5軸向壓縮應變達到0.015時試樣承載的最大應力為182.7MPa，尚未達到峰值，峰值應力估計為185MPa。需要說明的是，大理岩試樣進入延性變形階段的屈服平台後，儘管承載能力不變，但內部不斷產生塑性變形，材料強度降低。或者說，如果損傷試樣仍進行原來圍壓或更高圍壓下的壓縮，則其承載能力和楊氏模量並不會降低。這樣的試驗曲線文獻上很多，不再給出。對於大理岩而言，軸向循環載入可以使岩樣承載能力有所增加。但是，損傷試樣進行單軸壓縮時其強度和楊氏模量將會明顯降低。
(1) 相同圍壓下，軸向壓縮變形ε* 越大，試樣產生的損傷越大。損傷試樣的縱波速度VP*、單軸壓縮強度σ0、平均模量Eav都隨著經歷的軸向變形增大而降低。對於初始強度相近的一組試樣，如A1～A5和B1～B4，三者具有很好的正相關性。
(2) 三軸強度不同的試樣，其初始縱波速度也不同，在相同圍壓下壓縮經歷相同的軸向壓縮變形後，損傷試樣再次單軸壓縮的強度差異減小，如表中A3和A7，A5和A8。這是因為，三軸壓縮時強度較高的試樣承受的荷載較高，損傷較大，損傷試樣單軸壓縮的強度降低也就較多。
(3) 初始強度較高的試樣初始縱波速度較低，而較大損傷引起縱波速度降低較大，試樣之間的縱波速度差異將增大。如損傷試樣A3和A7，A5和A8，其單軸壓縮強度相當，但縱波速度差異較大。這也表明縱波速度與強度是岩石材料不同的力學性質，兩者並無直接的關係。
(4) 圍壓下壓縮至相同軸向變形，如A8，B3，C2，D1壓縮至軸向應變0.015，A9，B4，C3，D2，E1壓縮至軸向應變0.010，圍壓較低時試樣產生的損傷較大，損傷試樣的單軸壓縮強度和平均模量也較低。不過，由於試樣的初始縱波速度存在差異以及相應的測試誤差，損傷試樣的縱波速度變化與壓縮圍壓的關係並不顯著。
粗砂岩試樣的熱損傷與縱波速度
在30個粗砂岩試樣中，有2個試樣縱波速度為3630m/s，其餘均為3060～3470m/s，大致成常態分配，平均值為3250m/s。相同溫度烘烤前後3個試樣縱波速度的大小關係並不一致，但烘烤後差異普遍減小。圖中數據已用平均波速進行了歸一化。
粗砂岩試樣經歷100℃的烘烤後，波速基本沒有變化；溫度達到200℃之後，波速隨溫度增加單調降低；除600℃的3個試樣縱波速度略有偏低外，其餘大致成線性關係。
經歷500℃和600℃烘烤的各3個試樣、經歷不同溫度烘烤的6個試樣的單軸壓縮應力–應變全程曲線。所有試樣的強度數據用常溫下3個試樣強度的平均值80.3MPa進行了歸一化。試樣烘烤之後，強度和變形特性都具有很大的離散性，與縱波速度的特徵完全不同。可以看出，試樣所受溫度在500℃之內時，其平均模量變化不大，溫度達到500℃以上時，平均模量開始降低。就此而言，縱波速度與平均模量沒有直接的相關性。
試樣軸向壓縮過程中的變形包含3個部分：裂隙的閉合、顆粒間滑移和材料自身壓縮。初期非線性變形含有上述3個部分。如前所述，黏結物質由於烘烤而剛度降低，引起初期切線模量的降低；而後期線性變形，即相應於平均模量的變形，主要由顆粒間的滑移和材料自身壓縮構成，溫度對兩者的影響正好相反，因而在烘烤溫度低於500℃時平均模量能夠大致保持不變。當然試樣經歷較高溫度的烘烤後，黏結物質的強度降低也會引起顆粒間滑移增大，引起平均模量降低。
岩石試樣的楊氏模量與圍壓的關係
岩石種類繁多，變形歷史複雜, 圍壓對楊 氏模量的影響規律 尚缺乏明確的結論。由於岩樣軸向壓縮的應力. 應變曲線並非直線，楊氏模量的數值依賴於確定方法。與割線模量相比，平均模量是應力一 應變曲線中近似直線部分的斜率，受試驗條件的影響較小, 表示了應 力與應變之間的變化關係。利用伺服試驗機和文獻上的試驗結果得到了不同岩石的平均模量與圍壓的關係。巨觀均勻緻密的岩樣或僅含有局部缺陷的岩樣，楊氏模量與圍壓無關。從風化岩石和軟弱岩層鑽孔取芯得到的岩樣，通常含有分布的裂隙，增大圍壓可以增大裂隙面之間的摩擦力，抑制剪下滑移的產生，從而提高楊氏模量。楊氏模量隨圍壓的變化體現了岩樣內部的損傷狀態。
均勻緻密的岩石試樣
岩石是由礦物顆粒構成的, 是非均質材料。但是對於未風化的石英砂岩、 大理岩、 輝長岩和蘇長岩等，圓柱體試樣在Φ50mmx100mm這樣的尺度，可 以認為是巨觀均勻的。恆定圍壓下岩樣軸向壓縮時，屈服應力隨著圍壓而增高, 但屈服之前岩樣的變形規律完全相同。不考慮壓縮初期的非線性變形，軸向應力一應變曲線中近似直線的部分可以重合，平均楊氏模量表示了岩石材料的變形性質。均質緻密的岩樣線上性變形階段進行多次的軸向載入、 卸載，其楊氏模量也沒有明顯變化。岩石在一定範圍內確實具有彈性變形特徵。不考慮應力較低的非線性變形，應力與應變的變化量成線性關係，其比值 即平均模量與應力狀態和載入歷史無關，是一個材料參數。
此外，給出的不同長度、 不同直徑的51個大理岩試樣單軸壓縮全程曲線, 岩樣屈服之前的應力一應變關係也完全相同。總之，對於均質緻密的岩樣，儘管峰值附近的屈服過程可能有所差異，但楊氏模量是相同的，可以直接用於廣義虎克定律。
具有局部沉積缺陷的岩石試樣
對砂岩、 石灰岩這類沉積岩，通常具有各種明顯的缺陷。不過從完整岩塊加工的岩樣除了這些局部缺陷外，整體還是均勻的。同一岩塊加工的若干岩樣，由於其中缺陷的位置、大小是不同的，因而岩樣達到屈服的應力存在明顯差異，並且屈服之後的變形特性也完全不同。
但岩樣屈服之前的應力一應變關係仍是相同的，即儘管岩樣存在各種不同的缺陷，但在這些缺陷達到其承載極限之前，應力一應變關係仍然是材料整體的力學性質，岩樣具有確切的楊氏模量。如煤的強度較低，內部的缺陷更為明顯。同一煤塊製作的3個試樣, 不同圍壓的軸向應力一應變曲線在峰值附近變化複雜，缺乏明顯的規律, 但峰值之前的關係仍是相似的。
石灰岩也是一種典型的沉積岩。除局部的沉積缺陷之外，材料整體上具有均勻、 緻密的特徵。從石灰岩試樣1#的單軸壓縮全程曲線可以看出, 石灰岩在峰值之前具有很好的線性變形特徵，抗壓強度是160MPa，楊氏模量是65GPa。
岩樣2#首次載入時圍壓為0.1MPa，初期軸向應力一變形成線性關係, 楊氏模量與岩樣1#大致相同。軸向應力達到45MPa後應力一應變關係偏離直線。這表明岩樣中某一缺陷或弱面達到了其承載能力，開始屈服。其後進行的圍壓1, 5MPa的兩次試驗中，由於圍壓的存在，缺陷的承載能力提高，在試驗範圍內未產生新的屈服變形。因而楊氏模量保持不變。必須特別說明的是，從現場岩體不同位置取回的岩塊以及鑽孔取芯得到的岩樣，內部的顆粒結構有所不同，岩樣力學性質也會有所差異。這就是說，不同圍壓下試驗結果的差異，可能是岩樣而不是圍壓造成的，對此應有足夠的認識。
