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水 利 学 报

2021 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 1 期

文章编号：0559-9350（2021）01-0042-09

层状岩体在三轴加载下的扩容及塑性应变特性

唐克东，王甲亮，管俊峰，李列列
（华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045）

摘要：为研究层状岩体在三轴加载下的扩容及塑性应变特性，选取具有典型层理构造的千枚岩为研究对象，制作
倾角为 0°、30°、45°、90°标准岩样，采用 MTS815 试验系统进行三轴加载试验，定义了塑性应变比以研究轴向与
环向裂隙的发展速度。结果表明：千枚岩应力-应变曲线 5 个典型区段及特征应力与围压和层理倾角存在明显的
相关性；千枚岩扩容起点对应的体应变随着围压的升高而减小，扩容起点对应的轴向应变和体应变随着倾角的增
大而减小；不同层理倾角千枚岩长期黏聚力普遍大于峰值黏聚力，长期摩擦角普遍小于峰值摩擦角；较低围压水
平下轴向裂隙的发展速度比环向裂隙的发展速度更快，较高围压水平下环向裂隙的发展速度随着偏应力增大而显
著变快。
关键词：千枚岩；扩容；三轴加载；试验研究；塑性变形

中图分类号：TU 452 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200283

1 研究背景

［1］
岩石的扩容现象于 1949 年由 Bridgman 通过试验首先发现，其将该现象描述为断裂前的体积增
［2］
大。Handin 等 在石灰岩、砂岩等岩石的三轴压缩试验中也观察到了这一现象，并指出其产生原因
［3］
是颗粒间错动导致了孔隙率的增大。Brace 等 在高围压下对大理石、花岗岩的扩容特性进行了系统
研究，详细描述了岩石破裂前微裂纹的发展过程。随后，国内外众多学者就岩石扩容机理等方面进
［4］
行了更深入地研究：Lama 等 对岩石扩容现象的微观机理进行研究，认为岩石的体积膨胀性可视为
［5］
内部裂隙发展的指标。许东俊等 开展了真三轴试验，对大理岩、花岗岩等不同种类岩石进行了扩容
［6］
特性研究，指出扩容现象产生与否取决于其应力状态和岩石物性条件。姜德义等 开展了单轴压缩和
三轴卸载试验，对盐岩的扩容特性进行研究，结果表明，加载方式和温度对岩石的扩容特性均存在
［7］
影响。Bésuelle 等 对砂岩进行了三轴试验，结果表明，随着围压的增大其体积膨胀率有减小的趋
［8］
势。杨圣奇等 对断续预制裂隙大理岩进行了三轴加载试验，研究了裂隙分布形式对扩容特性的影响
［9］
机理。侯文诗等 、王宇等 ［10］ 通过开展岩石三轴试验，证明岩石扩容应力与峰值应力以及弹性模量、
泊松比等参数之间存在关联，并以此建立了岩石扩容应力的预测模型。
层状岩体在自然界广泛存在。由于其层理之间含有黏结力较小的原生软弱面，其力学特性随层
理走向的不同呈现出显著的各向异性，也带来了一系列的工程问题：如反倾层岩边坡倾倒 ［11］ ，围岩
稳定性 ［12］ 等。针对层状岩体的力学和变形特性，许多学者已进行了相关研究，如何忠明等 ［13］ 、邓华
锋等 ［14］ 、Nasseria 等 ［15］ 、高春玉等 ［16］ 、杨以荣等 ［17］ 。千枚岩是我国西部地区常见的工程岩体，鉴于千
枚岩层间结合差，节理裂隙发育，不连续性和各向异性等特点，应着重防范工程中可能出现的大变

收稿日期：2020-04-28；网络首发时间：2020-10-29
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20201029.0956.003.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51779095）；河南省高校科技创新人才支持计划项目（20HASTIT013）
作者简介：唐克东（1963-），教授，主要从事力学研究。E-mail：tangkd@ncwu.edu.cn
通讯作者：管俊峰（1980-），教授，主要从事岩石与混凝土材料与结构研究。E-mail：junfengguan@ncwu.edu.cn
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