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黄金科学技术 ›› 2022, Vol. 30 ›› Issue (5): 778-786.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2022.05.053

• 采选技术与矿山管理 • 上一篇    下一篇

复合岩石单轴压缩力学与破坏特性试验研究

赖玉彰1(),支学艺1,舒荣华1,2()   

  1. 1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000
    2.江西理工大学钨资源高效开发及应用技术教育部工程研究中心，江西 赣州 341000
  • 收稿日期:2022-04-18 修回日期:2022-09-14 出版日期:2022-10-31 发布日期:2022-12-10
  • 通讯作者: 舒荣华 E-mail:1029880354@qq.com;srh1025@jxust.edu.cn
  • 作者简介:赖玉彰（1997-），男，江西赣州人，硕士研究生，从事岩石力学研究工作。1029880354@qq.com
  • 基金资助:
    江西省教育厅科技项目“高温岩石宏细观结构特征及其损伤机理研究”(GJJ200856);“装配式桥梁单个装配件工程监管扩展功能研究”(GJJ190501);江西理工大学科研启动项目“不同升温速率处理后岩石的动态力学特性研究”(205200100551);江西省大学生创新创业训练计划项目“温—压耦合作用下混凝土的力学特性及灾变机制研究”(S202110407047)

Experimental Study on Uniaxial Compression Mechanics and Failure Characteristics of Composite Rocks

Yuzhang LAI1(),Xueyi ZHI1,Ronghua SHU1,2()   

  1. 1.School of Resources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China
    2.Engineering Research Center for High-efficiency Development and Application Technology of Tungsten Resources (Jiangxi University of Science and Technology), Ministry of Education of the People’s Republic of China, Ganzhou 341000, Jiangxi, China
  • Received:2022-04-18 Revised:2022-09-14 Online:2022-10-31 Published:2022-12-10
  • Contact: Ronghua SHU E-mail:1029880354@qq.com;srh1025@jxust.edu.cn

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263

摘要：

针对深部高地应力及多岩层复杂地质条件，采用伺服控制试验机对复合岩石进行室内力学试验，重现复合岩石在高应力作用下的破坏过程。复合岩石由强度差且强度呈均匀阶梯型的单岩组成，可划分为蛇纹岩—矽卡岩和蛇纹岩—砂岩。通过单轴压缩试验，获得岩石的单一和复合形态下的力学性质与破坏特性。研究结果表明：在高应力作用下，复合岩石中岩石强度较弱的部分首先发生破坏，且初始裂纹的萌生位置和发展模式直接决定了岩样的最终破坏形态；复合岩石与单一岩石之间的抗压强度存在相关性；利用理想弹簧模型可对复合岩石的弹性模量和峰值应变进行推导。复合岩石的力学特性由强弱端岩石共同决定，存在一定的规律性，其破坏特性与单一岩石相似，但较弱端占主要影响地位。

关键词: 复合岩石, 砂岩, 矽卡岩, 蛇纹岩, 单轴压缩, 力学特性, 破坏特性

Abstract:

Underground geotechnical engineering is often located in high stress stratum，which is easy to cause disasters such as damage and expansion of surrounding rock，large-scale fracture and swelling.With the implementation of construction，it is inevitable to encounter composite rock with more complex stress distribution and rock mass failure.In view of the deep high in-situ stress and multi-rock complex geological conditions，the servo control testing machine was used to conduct indoor mechanical experiments on composite rock，and the failure process of composite rock under high stress was reproduced，so as to provide reference for the stability analysis of composite rock with different materials.Skarn，serpentine and sandstone were selected as the components of composite rock，and their strengths are 80.25 MPa，83.29 MPa and 87.41 MPa respectively.They have a relatively similar strength relationship with uniform gradient increase，which is convenient to compare the mechanical properties of composite rock.The composite rocks can be divided into two types，one is serpentinite and skarn assemblage，the other is serpentinite and sandstone assemblage.The combination mode is 0°contact surface，the volume proportion of components is the same，and the components with weak strength are located in the upper part of the combination rock.Through uniaxial compression tests，the mechanical properties and failure characteristics of skarn，sandstone and serpentinite in single and composite forms were obtained，including uniaxial compressive strength，peak strain，elastic modulus and failure mode.By comparing the stress-strain curves and the actual failure situation，it can be seen that the composite rock and single rock have similar failure modes，with obvious characteristics of compaction stage，elastic stage，plastic stage and failure stage，and the initiation position and development mode of the initial crack directly determine the final failure mode of the rock sample.Based on the experimental data，it is inferred that there is a quantitative relationship between the compressive strength of a single rock and its composite rock，and this inference was verified.According to the homogenization theory，the composite rock was compared to the ideal series spring model，and the formulas of elastic modulus，peak strain and volume of each component in the composite rock awere deduced by using Hooke’s law.The theoretical results are close to the experimental results.Under the condition of uniaxial compression，the compressive stress on the contact surface of composite rock specimen gradually changes to the tensile stress perpendicular to the compression direction，and the composite rock is mainly shear failure.Under the action of high stress，the deformation phenomena of the two kinds of rocks in the composite rock are not synchronous，and the part with low strength is destroyed first，this shows that in composite rocks，weak facies rocks play a major role in the overall strength of composite rocks.

Key words: composite rock, sandstone, skarn, serpentine, uniaxial compression, mechanical properties, failure characteristics

中图分类号: 

  • TU45

表1

3种岩石物理性质"

岩石类型密度/（kg·m-3）纵波波速/（m·s-1）横波波速/（m·s-1）泊松比
砂岩（Ss）3 801.233 950.430.220.22
矽卡岩（Sk）3 213.683 536.230.260.26
蛇纹岩（Spt）3 426.693 780.340.270.27

图1

主要设备及试验装置图"

图2

3种岩石的应力—应变曲线"

表2

岩石的基本力学性质"

岩石类型单轴压缩强度/MPa峰值应变弹性模量/GPa
砂岩87.410.6121.41
矽卡岩80.250.3733.81
蛇纹岩83.290.5025.86
蛇纹石—矽卡岩80.760.4226.01
蛇纹石—砂岩85.480.6023.43

图3

复合岩石的应力—应变曲线"

图4

岩石单轴抗压强度"

图5

岩石峰值应变"

图6

峰值前复合岩石应变曲线"

图7

岩石弹性模量"

图8

复合岩石破坏模式（a）蛇纹岩—矽卡岩；（b）蛇纹岩—砂岩"

图9

复合岩石破坏模式示意图（a）蛇纹岩—矽卡岩；（b）蛇纹岩—砂岩"

图10

理想弹簧串联模型"

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