对岩石峰值后区特性的新见解.pdf

/ V ol 1 . S e p te m 灿2 b e r 国 中 C H IN A 1992 矿 业 M IN IN (吕 M A G A Z IN E 总第 2 期 SUM 沁2 对 岩石 峰值 后 区 特性 的 新见 解 葛 修 润 周 百 海 刘 明贵 (中 国 科 学 院 武 汉 岩 土 力 学研 究所 ) 摘要 , 岩石 试件在 单 轴 压 缩 条件下 的 应力 应 变 全过 程 曲线 在岩 石 力 学研 究 与 工程 应用 中有 着 重 要 意 义 文 对 I型 与 I 型 峰 值 后 区 曲线 的 形成 条件 进行 了 分 析 并根据 能量 观 点 和 最新 的试 验结 果 讨 论 了 型 曲 线 的不 合理 性 同 时 对 峰 值 后 区 特 性 提 出 了新 的 见 解 本文 中的 最 新 试 验 结果 是 在 三 位作者 合作 研 制 的 自适应 控 制岩石 力 学 试 验 机 上 作出 的 美 键 调 岩石 全 过 穆 曲 线 晚 值 后 区 特 性 岩 石 力 学 试验 机 一 “ ” “ ” ” , 。 “ 本 I 。 , 。 。 、 一 前 言 为 了 研 究 岩石 的 强 度 和 变形 特性 及兴 石 发 生 破 裂 的 发 展 过 程 利 用 岩石力 学 试 验 机对 圆 , 。 柱形 岩石 试 件 进行压 缩 试 验 是 一 种 基 本 手 段 试 验 机对 试件 所 施加 的轴 向 载荷 和 试 件 轴 向 变 。 形 的 关 系 曲线 通 常 称 之 为力 位移 曲 线 在假 定 试 件 的 截面 积 和 长 度 在 整 个 试 验 过 程 中均 保 一 一 , 持 不 变 的前 提下 由 力 位 移 曲 线 也 可 方 便 的 一 换 算 成 名义 上 的 应 力 应 变 曲线 不 管 使 用 何 种 类 型 的 试 验 机 均 可 从 单 轴 压缩 试 验 中 获 得 岩石 的 峰值 强 度 但 是 过 峰 值强 度 点 以 后 的 力 。 , , , 位 移 曲线 在 实 验 中 却不 一 定 能 成 功 地 获得 它 与 所 使 用 的 试 验 机 的 性能 和 试 验 方 法 有 关 超 过 峰 值 强 度 后 岩 石 试 件 实际 上 仍 然 可 一 。 , 。 , 具 有 一定 的 承 载 能力 一 般说来 只 有 在 峰值 后 再 发 生尸 定 的 变 形 才 达到 其 最 小 值或 残 余 强 一 度 这 种 包 括过 峰 值 强 度 点 以 后 的 力 位 移 特 性 在 内 的 曲线 称 之 为 全 过 程 曲 线 而 过 峰 值 强 度 点 以 后 的 岩 石 的 力 学 特性 叫 做 破 坏 后 区 特 性 或 峰 值 后 区 特性 峰 值 后 区特 性 在 采矿 实 践 中 。 , 。 。 对 于 确 定岩石 的 破 裂 面 是 否 稳 定 是 很重 要 的 因为 采 矿 坑 道 的 岩 石 尽 管 发 生 破 裂 但 破裂 , 的岩 石 “ , ” 仍 然 能 够 支 撑住 相 当 大 的 负荷 特 别 是 当 侧 面 有支 护 时 更 是 如 此 显 然 在 研 究矿 柱 的 稳 定 性 和 地 下 巷道 中 发生岩爆 的 可 能 性 。 时 , , 对岩石 的 峰 值 后 区特 性作 深 入 的 了 解 是 十 分 必要 的 通过 试 验 能 否 取 得 被 研 究 岩 石 的 峰值 后 区 特 性 和 相 关 的 渐 进破 坏 取 决 于 试 验 机 与 试 件 的 相对 刚度 。 验机而言 , : 这 里 要 强 调 一 下 刚度 的 定 义 对 试 刚 度 指 的 是 它 与 试 件 的 接 触面 在 施 。 力 轴 线 上 产 生 单 位变 形所 对 应 的 力 值 得 提 出 的 是 这 里 的 刚 度是 一个 综合 性的 概 念 它 包 括 机 械 刚 度 和 液压 刚 度 对闭环 伺 服 试 验 机 来 , , , ; , 说 还 包 括 系 统 的 动 态特 性 而 试 件 的 刚 度 则 是 指 其 峰 值 后 区 的 刚 度 关 于 这 个问 题 这 里 。 , 。 不 作详 细 的 讨 论 当 我们 使用 “ 柔性 值 强 度 点 后 的 抗 力 变小 ” , , 试验 机 时 由 于 过 峰 试 验 机 释 放 出它 所 储 , 存 的 变形 能 为试件 产生 附加 变 形 提供 了 所需 的功 使 试 件 的 变形 迅 速 地 不 受 控 制 地 持 续 、 , , , 下 去 直 致破 坏 因 而 无 法测 到 峰 值 后 区 曲 线 其 原 因 就 在 于 柔 性 试 验 机 在 其卸载 过 。 “ ” 程 中 所 释 放 的 能 量 大 于 岩 石 试 件在 峰 值 后 区 发 生完 全 破 坏 所需 要 的 能 量 因 此 要 想 获 得 峰 值 后 区 曲 线 就 只 有加 。 , , 。 大 试 验机 的 刚 度 目 前 一 般 采 用 以 下 两 种 途 : 径 一 是 单 纯 增 加 试 验 机 刚 度 以 减小 系 统 释 放 给 试 件 的 变形 能 这 就 是 刚 性 机 由于 刚 性 机 的 刚 度 仍不 够大 操 作 不 便 且 无 法 准 确 控 , 。 , , 制 , 它 的 实用 价 值 不 大 ; 二 是 采 用 电 液 伺 服 闭 。 环 控 制 方 式 它 利 用 闭 环系 统 的 反馈原 理 来 吸 收 试 验 机 释 放 给 试 件 的 变形 能 从 而 达 到 提高 , 58 国 中 试 验 机 刚度 的 目的 。 业 矿 同 时 也 使 被 控 制 量 能准 确 完 全 实 现 了 自动 地 按 所 需要 的 函 数 规 律 变 化 。 控 制 这 类 试 验 机 的 出现 史 上 的一 个 重 大 进 步 , 应力 , 无 疑 是 试 验 机 发展 。 单轴 压 缩 下 岩石 全 过 程 曲 线 的 分 类概 况 二 应变 图 3 , 对 于 全 过程 曲 线 和 峰 值 后 区特 性 国 外 学 者 这 二十 多年 进 行 了 大量 的 实验 研 究 和 分 析 国 内 这 十 多 年 来 也开 展 了 一 定 的 工 作 从 国 内 外 的文 献 来 看 将 岩 石 的 峰 值 后 区 特 性 区 分 为 I型 和 I 型 这 两 个 基 本 类 型 似 乎 已成 为普遍 接 受 的 定 论 也 未 见 在 这 方 面 有什 么原 「 〕 则 性 的 争 论 这 种 分 类 的 提 法来 源 于 文 献 a e r s ik 和 F a ir h u r s t 在 1 9 7 。年 基 于 他 们 对 W w 目前 普 遍 采 用 的 两 类全 过 程 曲 线 基 本 模 式 , 。 , “ “ ” ” , 。 ‘ 。 六 种不 同 的 岩 石 所 作 的 单 轴 压 缩 试 验 的 结 果 (图 1 ) 提 出 了 将 全过程 曲线 区 分 为 两 个 基 本 类 型 (图 2 ) 这种 分类 法 后 来 又 被 进一 步概 。 念 化 的 归 结 为 图 3 所示 的 模 式 从 图 2 可 以看 出 两 种 基 本 类型 的 全 过 程 曲 线 的差 别 在 于 峰 值 后 区 具 有 I 型 特 性 的 岩 , 。 石 在 过 峰 值强 度 点 后 不仅 不 继 续 发 生 压 缩 变 形 反 而 产 生 回 弹 关 于 这 一 点 文 献 〔 〕的 结 : 论 部 分 写 道 在 准 静 态 的 单 轴 压缩 验 试 中 所研 一 究 的 应 力 应 变 全 过程 曲线 可 以 区 分 为 两 个类 型 对 I 型 岩 石而 言 破 裂 的 传 播 是 稳 定 的 这意 味 着 当 承 载 能 力逐 步 减 少 时 还 需 要 对试 件 亚型 岩 石 的破 裂 是 不 稳 定 的 或 者 说 是 作功 自己 能 持 续 进 行 的 为 了 控 制 破 裂 必 须 从其 中 抽 取 能 量 否 则 即使 是 使 用 绝 对 刚 性 的 试 验机 I 型岩 石 的 破裂 也 是 不 能 受 控 的 这 种 观 点一 直 被 众多 的 文 献 和 专著 所 引 用 并 延 续 。 , “ 。 。 , 。 , 。 。 1 , 。 , , 。 , 叨 0l 4 U 加 ‹ 扩 透 \ ” 日 斗 只 ” 厂 Ž 至今 ‘ 几兰 度 4匀 \ \ 里 甲 气0 5一 玄武 岩 类 , 有 必 要 分 析一 下 I 型 曲 线 产 , 。 、 气 .. 了 J 且 百 6一 含粘 土 石 灰 岩 3 一 田 纳 西 大理 岩 生 的 条件 。 因此 」〕 4 一 炭 质灰 色 花岗岩 一 .几 。 〔 在文 献 所 提 到 的 试 验 中 安 置 了 三 台试 件 平 行 的 辅 助 液 压 缸 过 峰 值 强 度 点 后 一旦 六 种 岩 石 的 单轴 压 缩 试 验 曲 线 [1 ] 、 J , 了 .几 确 的结论 . ( 微 英 」/ 英 寸) 2 一 印 第安纳 石 灰 岩 , 。 } \ 1 一 炭 质灰 色 花 岗岩 形成上 述 分类方法 的试验条件 在 岩 石力 学 试 验 中 试 验 条 件 对 试 验 结 果 有 很大 的 影响 不 考虑 这一 点 就 无 法 得 出 正 } 土l 图 1 、 , } 已 20 。 三 , U 八 ” 类 , 试件 抗 力 的 下 降 趋 势 陡 于 试 验 机 的 卸 载 特 性 曲 就 人为 的 线 ( 即 试 件 刚 度大 于 试 验 机 刚 度) , 由辅 助 液 压 缸 对 加 荷 系 统 施 加 反 向作 用 力 , 使 试件 的 变 形 反 向 直 至 破 裂 不 再 发 展 于 是 又 向 ; 试 件 施 力 如 此 反复 进行 下 去 直 到 试 件 破坏 在 使 用 闭 环控 制 试 验 机 时 对 于 脆 性 岩 类 都 是 在 过 峰值 强 度 点 后 采 用 横 向 变 形 率 作 为 控 制 , , , 只I 刹/ 区 图 2 B / _ 类 _ 一 沂 l } 量 仁_ L J立 。 由 于 在 峰 值 后 区 岩 石 的 横 向 变形 与 轴 向 变 之 形 间 并无 确 定 的 函 数 关 系 因 而 在 这 种 控 制 , ~ 气一 变 文 献 〔1 〕中建 议 的 两 类 全 过 程 曲 线 模 式 条件 下 , 轴 向 变 形 处 于 一 种不 断 变 化 的状 态 。 以 土 试 验 方 式 所 获得 的 I 型 曲 线 只 是 在 一 种 复 1 卷2 期 : 葛修 润 等 甘 岩 石 峰值 后 区 特 性 的 新 见 解 杂 的轴 向 变 形 状 态 下 所 作 出 的 曲线 的 外 包 络 线 而 已 由于 轴 向 变 形 的 方 向 和 变形 率 的 大 小 对 。 , 岩 石 的 峰 值 后 区 特 性 有很 大 的 影 响 尤其 是 变 形 方 向 的 反 复 变化 会 使试 件一 直 处 于 反复 的 , , 不 确 定 的 加 载 一 卸 载 状 态 因 而 很 难 把 在 这种 状 态 下得 出 的 亚型 曲 线 看 作 是 脆 性 岩 类 本 性 的 我 们 可 以 进 一 步从 能 量 观 点 来分 析 图 2 所 过 峰值 强 度 点 D 所 作的 垂 线 ( 点 划 线 ) 是 一条 分 界 线 如果 后 区 曲线 在 其 右 侧 即 所 谓 的 I 型 曲 线 这 意味着 岩 石 试 件 示 的全 过 程 曲 线 。 。 , , 在 破 坏 过 程 中 尚 需补 充能 量 。 , 如 在其 左侧 即 对 这 类 岩石 而 言 过 峰 值 点 所谓 的 I 型 曲线 后 不 仅不 需 要 补 充 能 量 还 必 须 从 岩 石试 件 中 抽取 能 量 破 裂 过 程 才 能得 到 控 制 关 于 〔 〕 这 一点 文 献 的 结 论 部 分 已 经 作 了 肯定 如 果 I 型 曲 线 确 实 是 脆 性 岩 类 自 身所 固 有 的 特 性 则 由此 导 出 的 逻 辑 推 论 应 该 是 : 无 论 用 什 么样 的 试 验 机 具 有 亚型特 性 曲线 的 脆 性 岩 类 在 纵 向 变 形 率 保持 常数 的 条 件 下 也就 是 在纵 向 变 形 持 续 单 调 匀 速 增 长 的 条件 下 其 破 裂 发 展 过程 在 过 峰 值 点 以 后 是 不 可 能 受 控 , , , “ 。 , ” 。 ‘ , , , , 、 的 , , 。 . , 。 , 。 反映 。 , 故 而 影 响 到 试 验 机 的 刚 度 与稳 定 性 针 对 以 上 的 问 题 我 们研 制 了 新 一 代 的 自 适 应 控 制岩 石 力 学 试 验 机 这 台 试 验 机有 以 下 特点 1 多功 能 采 用 了 独 特 的 设 计 方 法 没 有很 大 的 刚 性 : 构件 可 以 进 行 多 种 力 学 试 验 如 单 轴 三 轴 的压 缩 和 拉 伸 试 验 ; 直 剪 试 验 , 各 种波形 的 ; 疲 劳 试 验 断裂 力 学 试 验 等 等 2 高频 响 在设 计 上 采用 了 多 种先 进 技 术 与 合 理 的措 施 保 证 了 系 统 的 高频 响 特 性 其 疲 劳试 验 频 率可 达 3 0 H z 以 巨 同 时 也尽可 能 地 降低 了 消耗 好 , 、 、 。 . , , _ 。 , 。 3 . 自适 应 采 用 了 先 进 的 自适 应 控 制 方 式 全 部 控 制 功 能 由计 算 机 实现 它 能 在 试 验过 程 中不 断 进 , , 。 行系 统 辨 识 并 自动 寻 优 换 句 话 说 无 论 岩 石 试 件 的 力 学 特 性如何 变 化 都 能保证 系 统 在 试 , , 验 过 程 中始 终 处 于 最 优 控制 状 态 目前 。 我 们 已 经 利 用 这 台试 验 机 对许 多 不 , 。 要 证 明 亚型 曲 线 的 不 合 理 性 , 向 变 形 率 保 持 常 数 的 条 件 下 取 得 脆 性岩 类 的 后 区 特 性 曲 线 而 要 做 到 这 一 点 对试 验 机 的 刚 。 4 00 就 必须在纵 , ) ( a) 留 Z ” ( 只 。 度有 很 高 的 要 求 目前 所 使 用 的 电 液伺 服 试 验 机 达 不 到 这 个 要 求 因 此 必 须 研 制 出 性 能更 。 好 的试验 机 四 、 , 。 新 一 代 的 电 液 伺 服 自适 应 控 制 岩石 力 学 试 验 机 及 新 0 4 0 0 变形 ( 二 ) 的试 验 结 果 20151050 细 , 前 面 已 经提 到 对 闭环 伺 服 控 制 试 验 机来 其 刚 度 包 括系统 的 动 态 特 性 而 动 态 特 性 说 又 与 液压 系 统 的 设 计 校 正 环 节 的 参 数 以 及 试 。 , 、 。 重 权 件 的 力学 特 性 密 切 相 关 由于 岩 石 力 学 试 验 机 的 试 验 对 象 经 常 改 变 同 时 试件 本 身 的 力 学特 性 在 试 验过 程 中 也 在不 断 变 化 尤 其 在 峰值 后 , , 区 更是 如 此 。 0 , 一 般 的 闭 环伺 服 控 制 试 验 机 无 论 是 模 拟 控 制 的还 是 计 算 机 控 制 的 都 无 法 适 . 1 0 2 0 3 0 4 . . 变形 ( m 、 n 0 5 . ) , 应 这 种情 况 。 其 具体 的 体 现 就 是 动 , 态 特 褚性 不 图 4 典 型 脆 性 岩 石 的全 过 程 曲 线 , (a ) 变质 砂岩 ( b ) 石英 闪 长 表 60 国 中 。 同 岩 性 的 岩 石 试 件进 行 了 单 轴 压 缩 试 验 特 别 要 指 出 的是 在 轴 向 变 形 率 保 持 常 数 的 条 件 下 对 几 乎 各种 脆性 岩 石 都 作 出 令 人 满 意 的 峰 值 后 区 曲 线 图 4 所 示 为 几 种 典 型脆 性 岩 石 的 全 过 程 曲线 这 几 种 岩 石 按 前 述归 类 法 属 于 亚 型 岩类 但 由图 4 可 知 它 们 在 轴 向 变 形 率 为 常 数 的 条 件下 得 到 了 完 全 不 同 的 后 区 曲线 因 1 9 9 2 年 业 矿 。 区 曲 线 就 与极 限 线 相 重 合 了 , 不 过 随 着 试验 机 的不 断 完 善 和 相 应 技术 的不 断 提 高 相 信 这 种特 例 会 越来 越 少 , , 。 , 。 。 , , 。 脆 性不明 界 此 这些 试 验 结果 充 分 证 明 了 所 谓 I 型 曲 线 的 不 合理性 , 五 、 … /_ 一 匕 关 于 岩 石 峰 值 后 区 特 性 的 新 见解 , 〔1 〕 W , 件 下其 破 裂 过 程是 可 以控 制 的 是 可 以 取 得完 亚 美 的 峰 值 后 区 曲线 的 因 此 前 述 的 I 型 型 分 类 法 是 不 合 理 的 我 们 建 议采 用 图 6 所 示 线 . o e , d C a n . u rs a 呈五 F r S e呈 1 9 7 D V o l 了 . . 《实 验 岩石 形变 t , In t . J . P 5 6 1 、5 7 5 . , . . . . — , . . , , 力 学 研 究所 研 究 员 O F PO S T F A ! LU R E B E H AV ! O U R O F R O C K 一 B a i h a 呈 L iu Zhou X iu r u n f R . . 献 (收 稿 日 期 1 9 9 2 年 6 月 9 日) 作 者 简介 葛修 润 中 国科 学 院 式汉 岩 土 , o ~ , 。 1 0 5 户子护u 广。 w e r s ik , 。 ‘ : 。 一- . 。 :: - , 。 (不犷 人 a 文 , 分 岩 石 的 后 区特 性 曲线 均 在 其 右 侧 越 是 脆 性 的 岩 石 其 曲 线 的 坡 度 越 陡 (即 越 逼 近 极 限 且 其 曲线 上 有 明 显 的 台 阶 状 线) 这是 由 于 突 然 的局 部 破 裂 造 成 抗 力 急 剧 下 降 所 致 而 韧 性越 大 的 岩 石 其 后 区 曲 线 的 坡 度 越 平 缓 当 然 也 有破 裂 过 程 无 法 控 制 的 特 例 这 类 岩 石 的 后 G e - 一- , , A N E W U N D E R S T AN D IN G 一一 , 。 , 口 佩 特森 脆性 域 》 1 9 张崇 寿 译 地 质出版社 82 〔3 〕 B H G 布雷迪 和 E T 布 朗 《地 下采 矿 岩 石 力 学 》 冯 树 仁 译 煤炭工 业 出 版社 1 9 90 4 〔 〕 李先 炜 《岩块力学 性 质 》 煤炭 工 业 出版社 1 9 8 3 ( 6 ) 吴 玉 山 林 卓 英 《岩 土 工 程 学 报 》 19 87 V o l 9 沁1 《岩 石 力 学原 理与 方 法 》 〔6 ) 陶 振 宇 潘 别 桐 中国 1 99 1 地 质大 学出版社 过 峰 值强 度点 P 所 作 的 垂 线 为 极 限 在 轴 向 变形 率 保 持 常 数 的 条 件下 绝 大 部 , 5 . {又义 应交 考 R o e k M e e h M 立n (2 ) M 。 的模型 W . 、 岩 石 全 过 程 曲 线 的 新摸 型 . 、 , R . 力 t - 一 参 在轴 向 变 形率 保持 常 数 的 条 。 } 脆性 一 图 5 , 综 上 所 述 我 们 根 据 最 新 的 试 验 结果 可 以 : 得 出 以 下 结 论 对 绝 大 部 分 过 去 归 于 亚型 岩 类 的 脆性 岩 石 来 说 / 愁} 。 e e a n 。s 左 。 n d 夕。 ￡1 M 人 了 , M in g g u i 幼 。 A e a j e 。 夕 o f S e ￡‘。 e e s 〔, f Ch了 ) n a A BST R A C T T he 5 s 15 io n a p p li m p le t e e o 0 s how s e 以r v e o f r oe k sp e e i爪 e n s u n der u n ia x ia l e o m p r e : . p o s t 一 f a ilu r e e n er g y t r a 王n 一s 「 s ; 互比 If工e : i 红 呈皿 , 〕 仁a 几 : e 是n 七h e 9 0 0 皿 e e h a n i e a l r e s e a r e h a n d e n g i n e e r in g e o n u n th e In t f i i s p a p e r a n a ly s i s 1 5 m a d e o n d it i o n s d e r w h ie h t h e e a t io n , s tr e s , , e u r v e s o f ty p e b a s e d o n th e n e w C s t o t h e i r r a t i o n a b i lit y f 贾 a r e fo r m e d 1 a n e x p e r im e n t a l d ty p e th e C u r v e fa ilu r e b e h a v i o u r 1 5 P r e s e n t e d T h e n e w e s t e x P e r i m e n t a l r e s u lt s , a n d d a t a a d is e u s s i o n o f t 了p e 亚 A n ew , . fr o m th e v ie w du eted 15 e o n o p i n io n o n p o in t , t he o f w h ie h p o s t- . m a e h in e d e v e lo p e d o f a d a p t iv e by th e K E YW OR D S fo r r o e a u t hors . tr o l o C m pl o : k m e e h a n ie s e o n th e fo r f p aper o te e u r v e u s e d h er e a r e p u rpo ses o o b t a in e d by m e an s k m e e h a n ie s f r o e o , f t he te s t w h ie h 15 . o f ro e k , P o s t fa ilu r e 一 b e h a v io u r , T e s t m a e h in e