滇西南山区铁路顺层岩质边坡变形特性试验研究

滇西南山区铁路顺层岩质边坡变形特性试验研究

吴永胜

中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600

摘要：运用岩石实验机对滇西南在建铁路顺层岩石边坡凝灰岩试样进行单向和循环加载条件下的劈裂实验，深入研究岩石劈裂变形特性，并与岩石在直接拉伸和单轴压缩试验中的变形特征进行比较。结果表明：两组岩石劈裂试验条件下压缩变形模量ECP和拉伸变形模量ETP的数值相差不大，其比值EC/ET，与该种岩石单轴压缩和直接拉伸的比值大体相同，这说明，从劈裂试验的结果来计算该种岩石的变形参数，与单轴压缩与直接拉伸的结果基本一致。考虑到劈裂试验较为简单，使用劈裂试验来获得该种岩石的拉伸变形参数，是一个简单易行的办法。

关键词：岩石；劈裂实验；变形特性

1试验设备和方案

劈裂试验是将将经加工的圆盘状试件，横置于压力机的承压板间，并在试件的上、下承压板之间各放置一根垫条，垫条须位于与试件垂直的对称轴面将施加的压力变为线荷载，并使试件产生垂直于上、下荷载作用方向的张拉力。然后加载使试件受压，试件沿径向产生张拉破坏，以求其抗拉强度。通过公式：

.

换算成岩样中心的拉应力。

式中：σ-岩样抗拉强度(MPa)，P-劈裂荷载值(N)，D-岩样直径(mm)，T-试样厚度(mm)。

2试验结果与分析

本次试验所用的铁路边坡A、B两类岩石试样均为现场钻取的矿石岩芯，属较硬质凝灰岩，抗压强度值在82.65～68.12之间。岩芯加工后成为直径50mm,高径比1:2短圆柱试样，由于凝灰岩矿石质地较硬，根据《水利水电工程岩石试验规程》的要求，试验中在试样的上下两端各垫一根细垫条。用1000KN材料试验机对三种岩石分别进行劈裂试验，试验过程中记载各个时刻的加载应力与应变值。

2.1单向加载劈裂实验变形特性

拉伸和压缩变形曲线同步发展，并在经历了短暂的低斜率段后很快过渡到直线段，到达极限荷载后迅速下降，这时劈裂破坏发生，试样被劈成近似对称的两半。可见极限值以前的拉伸或压缩变形曲线以直线段为主。

通过钢丝垫条作用于试样上下两端的力为集中力，因此它在接触处产生应力集中，于是在接触点附近形成一个局部破坏区，这一过程对应了曲线上的初始低应力阶段。当荷载继续增大时，压力通过上下点的局部破坏区得以传递，这时候加载曲线呈现出良好的线性特征。曲线在达到极值后陡然下降，而没有明显的屈服段，反映出岩石试样具有较强的脆性。与同组岩石试样的单轴压缩全过程曲线进行比较，发现劈裂拉伸全过程曲线与单轴压缩全过程曲线的共同点，就是在岩石破坏之前都以直线段为主。直接拉伸试验中试件处于单向拉伸应力状态，劈裂试验中是压应力作用下的拉伸破坏，尽管试件破坏时的应力状态不同，但其破坏面均与拉应力垂直，即岩石是受拉破坏。

2.2循环加载劈裂实验变形特性

岩石劈裂下的循环加载试验对两组岩石共进行了24块。为确保本实验顺利完成，除在岩石试件的选择上严格把关外，还对试验方案和过程制定了详细规定，劈裂循环加载试验共进行3～5次加、卸载过程，加载的最大应力水平逐次提高，试件在最后一次劈裂过程中破裂，加载速率控制在0.3～0.5MPa/s。

岩石在劈裂循环加载下的应力—应变曲线与压缩下的相似，每一级加卸载后，试件在压缩和拉伸应力状态下均形成一个开口的狭长滞环，这种滞环通常可理解为加卸载过程中由于试件的转动、摩擦、裂隙的扩展消耗的热能。一般说来，岩石越破碎，滞环就越大；反之越小。由加、卸载曲线可知，整个加、卸载过程对岩石的变形特性影响并不大，尤其是加载后的曲线似乎始终沿着原来的应力一应变曲线轨迹发展。由于压缩和拉伸状态下的变形模量相似，从第一次循环开始，压缩和拉伸变形曲线在加载应力为零时能平滑连接，没有出现大的弯折。在整个循环过程中，拉伸和压缩变形几乎同步发展，应力—应变曲线也大体相似，甚至加载过程中裂隙发生等对两个方向也同时产生影响。随着循环次数的增加，大多数岩石的每级压缩和拉伸应力卸载到零时，应变也几乎相同。也有少数岩石两个方向的应变不等。

对A、B两组岩石进行的劈裂拉伸的循环加卸载试验，两组岩石每级循环的压缩和拉伸加、卸载平均变形模量呈相同的变化规律。压缩状态下的加载变形模量随着加载应力水平的提高略有增加，拉伸状态下的

平均变形模量变形则呈小幅下降的趋势。表1和表2分别给出了两组岩石循环加载过程中压缩和拉伸加、卸载变形模量的平均值比较情况。从表中看出，两组岩石压缩变化相对比较平稳，集中在比较小的区间里，而拉伸变化范围则较大。两组岩石加载变形模量小于卸载变形模量，拉伸状态下变形模量的这一差别更加明显。随着应力水平的逐步，加、卸载变形曲线形成柳叶状滞回环，卸载后重新加载至上次应力水平时，应变值并不相等，形成较大的塑性变形。因而由加载阶段得到的变形模量，即使应力-应变关系是线性的，也不能称之为弹性模量。

3结论

（1）本文对滇西南山区铁路顺层岩质边坡两组凝灰岩的劈裂单向和循环加载试验进行了探讨，两组岩石劈裂试验条件下压缩变形模量ECP和拉伸变形模量ETP的数值相差不大，A、B两组岩石ECP与ETP平均值之比分别为1.17和1.32。两组岩石单轴压缩变形模量EC和直接拉伸变形模量ET的数值也大体相当，EC与ET平均值之比分别为1.024和1.044。

（2）由此可知，大红山A、B两组岩石劈裂试验所获得的压缩与拉伸变形模量之比，ECP/ETP和压拉循环加载过程中所获得的压缩与拉伸变形模量平均值之比，EC/ET,在数值上相差不大，分别为1.02、0.97，可以认为是相等的。这说明，从劈裂试验的结果来计算岩石的变形参数，与单轴压缩与直接拉伸的结果基本一致。考虑到劈裂试验较为简单，使用这种试验来获得岩石的拉伸变形参数，是一个简单易行的办法。

（3）随着循环加载极限应力水平的提高，劈裂循环加载下岩石压缩和拉伸的加卸载平均变形模量呈相反的发展趋势。压缩加载和卸载变形模量随极限应力水平的提高略微增加，拉伸加载和卸载变形模量则逐级减小。

参考文献

[1]苏承东，杨圣奇.循环加卸载下岩样变形与强度特征试验[J]，河海大学学报（自然科学版），2006，34（6）：667-671

[2]李伟、谢和平、王启智，大理岩动态劈裂拉伸的SHPB试验研究[J]，爆炸与冲击，2006，26（1）:12-16

[3]尤明庆、华安增，岩石试样单轴压缩的破坏形式与承载能力的降低[J]，岩石力学与工程学报，1998，17（3）