Journal of Engineering Geology 工程地质学报1004－9665/2010/18（4）-0534-04泥岩损伤特性试验研究许宝田①②钱七虎①阎长虹②许宏发①（①解放军理工大学南京210007）（②南京大学地球科学与工程学院南京210093）摘要以南京长江三桥地基中的泥岩为对象，对泥岩进行三轴试验。
试验结果表明：随着侧压的增大，破坏荷载增大，塑性变形明显增大，岩石破坏后，残余强度随侧压增大而提高。
在此基础上研究分析了泥岩微元强度服从Weibull 分布，泥岩微元体破坏服从莫尔－库仑岩石强度判据时的损伤软化参数与围压的关系特征。
结合岩石破裂过程应力-应变全过程曲线，讨论了初始损伤特性，分析结果表明：泥岩初始损伤时的主应力差对数随围压增大而增大，两者呈线性关系；分析了泥岩损伤变量随主应力差变化关系，结果表明泥岩损伤变量与主应力差呈双曲线数学关系，通过对双曲线模型作线性化处理，结合试验数据采用回归分析法确定模型参数，分析结果发现F 0随围压的增大而增大，而m 则随压的增大而减小，反映泥岩随围压的增大，脆性度降低。
关键词泥岩损伤特性试验研究中图分类号：TU451文献标识码：A*收稿日期：2009－08－31；收到修改稿日期：2010－01－12．第一作者简介：许宝田，主要从事岩石力学方面的教学与研究工作．Email ：zhangqingxubt@163．comTRIAXIAL TESTING STUDY ON DAMAGE CHARACTERISTICS OF MUD-STONEXU Baotian ①②QIAN Qihu ①YAN Changhong ②XU Hongfa ①（①PLA University of Science and Technology ，Nanjing 210007）（②Schoolof Earth Sciences and Engineering ，Nanjing University ，Nanjing 210093）Abstract This paper presents the triaxial test results of mudstone from the foundation of the Nanjing third bridge onYangtse River．It is found that the failure pressure ，the plastic deformation and the residual strength of the mudstone after subversion increase as the confining pressure increases．Then ，it studies and analyses the relation between the damage soften parameters and the confining pressure ，when the strength of rock's micro —unit is of the Weibull distri-bution and the strength of rock's micro —unit conformed to the Mohr-Coulomb strength criterion．Connecting with the stress-strain full procedure curves ，the initial damage characteristic is discussed．The results indicate that the relation of logarithm of pressure and confining pressure of initial damage is linear．By studying on the relation between damage variable and main stress ，it is found the relation of damage variable and main stress submits to a hyperbola model．The hyperbola model can be transformed into a linear equation．So the model parameters can be gotten by regressive anal-ysis based on the test results．The results indicate ‘F 0’increases as the confining pressure increases ，but ‘m 'de-clines ，which reflects the brittleness tolerance of the mudstone declines as the confining pressure increases．Key wordsMudstone ，Damage characteristic ，Triaxial test ，Rock mechanics1引言岩石损伤扩展是岩体损伤力学研究中的一个重要问题［1］。
从岩石材料内部所含缺陷分布的随机性出发，将连续损伤理论和统计强度理论有机地结合起来，从岩石微元强度服从一定概率分布的角度出发，使岩石本构模型的研究取得了重大进展［2］。
岩体材料中大小不一、形状各异的裂隙，在受力时裂隙不断扩展演化，从而使其表现出复杂的应力-应变关系，而损伤力学就是从这些缺陷的不断劣化着手解决其应力-应变关系的一种有效手段［3］。
以往研究成果表明，对泥岩初始损伤门槛值和损伤变量随应力、应变变化的特征问题国内研究较少。
本文以南京长江三桥地基中的泥岩为对象，基于三轴试验，对其损伤特征作了研究分析。
2泥岩三轴应力-应变特征南京长江三桥地基中的白垩系浦口组泥岩天然密度为2.39g ·cm －3，天然单轴抗压强度1.844.68MPa ，含水率6% 8%［4］。
试验岩样尺寸：50.10mm ˑ100.34mm ，本次试验过程中对样品在围压σ3分别为0.5、1.0、1.5、2.0MPa 下进行三轴压缩试验（图1）。
图1不同侧压下泥岩主应力差-应变曲线Fig．1The principle stress-strain curves of mud stoneunder various confining pressure3泥岩初始损伤特性分析由图1可以看出，应力-应变曲线中，存在转折点。
，，，到达转折点后，应变变化较块，在对数坐标中尤其明显（图2），随着围压增大，转折点对应的主应力差逐渐增大。
图2不同侧压下泥岩主应力差对数-应变曲线Fig．2The principle stress logarithm-strain curvesof mud stone under various confining pressure赵锡宏教授［5］通过对土的三轴损伤特性研究提出了确定初始损伤的方法。
本文应用该方法确定泥岩的初始损伤点，研究表明，该方法对泥岩是适用的。
该方法将试验结果绘成ε－lg （σ1－σ3）（主应变-主应力差对数）曲线（图3），它由一段缓变的曲线和一条陡降直线组成。
在缓变的曲线上找出曲率半径最小的点O ，过O 点作直线与直线段的延长线交于C 点，作∠OCB 的角平分线CD ，D 点为初始损伤点，相应的应力和应变称为初始损伤应力、应变门槛值。
图3初始损伤点的确定Fig．3Initial damage threshold根据以上方法，分析试验结果发现初始损伤是主应力差对数随围压增大而增大，两者呈线性关系53518（4）许宝田等：泥岩损伤特性试验研究（图4）。
图4初始损伤主应力差对数-围压关系曲线Fig．4The principle stress logarithm-confining pressure curves of initial damage4泥岩三轴损伤特性根据等效应变假定，有［6 8］σ=σ*（1-D ）（1）式中：σ为名义应力，σ*为有效应力，D 为损伤变量。
假定岩石微元强度F *服从Weibull 分布［6 8］，则其概率密度函数可以表示为：P ［F *］=m F 0F *F ()m－1exp －F *F ()0[]m（2）式中：F *为微元破坏Weibull 分布的分布变量；m 、F 0为模型参数。
则损伤变量D 可表示为：D =∫F *P （y ）d y =1－exp ［－（F */F 0）m ］（3）故，要计算损伤变量D 则首先要确定微元强度F *。
曹文贵［6］结合岩石的破坏模式与判据，提出的岩石微元强度表示方法，假设岩石的破坏准则为：F *=f （σ*）（4）上式为与岩石强度参数有关的函数。
假设岩石微元体破坏服从莫尔－库仑强度判据：σ*1－1+sin φ1－sin φσ*3=2c cos φ1－sin φ（5）c 、φ分别为岩石的内聚力和内摩擦角。
F *全面反映了岩石微元破坏的危险程度，可作为岩石微元的强度：F *=σ*1－ασ*3（6）式中：α=（1－sin φ）/（1+sin φ），σ*1、σ*3为有效应力：σ*1=σ1/（1－D ）（7）σ*3=σ3/（1－D ）（8）采用文［8］和［9］中的方法确定参数m 、F 0，根据文［9］研究结果，对于模型参数m 、F 0，F 0反映岩石宏观平均强度的大小，m 则反映岩石的脆性度。
F 0=F c ·m 1/m （9）式中：F c 为峰值下的F *值，m =1/ln ［E εc /（σc -2νσ3）］（10）E 为弹性模量，εc 、σc 为峰值下的应变、应力，ν为泊松比。
由此得到不同围压的参数值（表1），损伤变量-主应力差关系曲线如图5。
由此可以看出泥岩损伤变形具有如下特性：图5损伤变量-主应力差关系曲线Fig．5Damage variable-principle stress curves（1）F 0随围压的增大而增大，而m 则随围压的增大而减小，反映泥岩随围压的增大，脆性度降低；（2）损伤变量随主应力差增大而增大，两者呈非线性关系。
根据以上分析，泥岩损伤变量D 是描述岩石损伤特性最为重要的参数，该参数除与岩石力学特性有关外，跟三轴试验中的主应力大小有直接关系，如能直接建立应力跟损伤变量之间的数学关系，将能大大简化损伤变量的计算过程，根据图5曲线特征，假设损伤变量-主应力差成双曲线函数关系，建立的635Journal of Engineering Geology 工程地质学报2010模型方程为：1－D =aσ1－σ3+b（11）式中a 、b 为试验常数。