泥质板岩横观各向同性弹塑性耦合变形与强度准则的试验研究

摘要

岩石在微观、细观和宏观尺度上都表现出各向异性。微观层次上,晶体形成矿物集合体的排列方式会引起岩石细观矿物集合体的各向异性。在细观层次上,岩石组分和矿物集合体的结合方式将对岩石宏观力学各向异性产生极大的影响。
　　 为此,本文针对含有明显层理状结构的泥质板岩,开展了微观矿物成分、细观岩石结构和宏观力学性质的试验研究。
　　 (1)在微观尺度上,借助XRD试验,分析出泥质板岩含有石英、高岭石、白云母和斜绿泥石等矿物成分,并指出这些矿物的晶体以一定方式排列时将对细观矿物集合体的各向异性产生影响。
　　 (2)在细观尺度上,通过扫描电镜试验,获得了泥质板岩细观结构的显微照片。分析发现,泥质板岩的结构以变晶结构为主,包含了由石英晶体形成的颗粒状矿物集合体和由高岭石、白云母和斜绿泥石形成的片状矿物集合体,但以片状集合体为主。这些矿物集合体在重力作用下以水平方向为优势方向排列,从而决定了泥质板岩具有横观各向同性的力学性质。
　　 (3)在宏观尺度上,通过泥质板岩不同倾角岩样的单轴压缩和三轴循环加卸载试验,研究了泥质板岩的变形性质和强度行为。发现泥质板岩的变形存在明显的弹塑性耦合现象。不同加载角度下的视弹性模量随塑性应变的增大而呈指数规律衰减。采用数据拟合的方法获得了视弹性模量与塑性应变间的经验函数关系。通过对循环加卸载应力应变曲线的分析,将塑性应变、弹性应变和弹塑性耦合应变从总应变中分离出来。加载初期,泥质板岩以塑性变形为主,随着加载和总应变的增大,塑性应变在总应变中所占的比重逐渐降低,而弹性应变和弹塑性耦合应变的比重却在增大。泥质板岩的抗压强度与围压和加载方向有关。强度的各向异性受围压影响显著,随着围压的增大,强度各向异性降低。提出泥质板岩的粘聚力与摩擦系数随角度变化的经验Mohr-Coulomb强度准则。通过数据拟合,得到了准则中相关参数的值,并在σ1、β和σ3组成的三维空间中绘制了这个准则的强度面。