岩石三轴压缩模拟试验(Triaxial Compression Simulation Test)

1 引言

真实的岩体呈现的是三维应力状态，因此在岩石工程中经常需要进行三轴压缩试验【岩石力学---从物理试验到数值试验】，通过持续给试件加恒定的围压，然后轴向加载试件直至试件发生破坏，以此确定出岩石试件的强度。

岩石三轴压缩试验的破坏模式

自然界三个主应力的大小依次为σ1>σ2>σ3，但在实验室三轴试验中，我们通过圆柱形的围压使得σ2=σ3。之所以这样作有两个原因：首先真三轴试验的测试设备不容易制作，很难同时施加不同方向不同大小的压力；其次研究表明，中间应力σ2的影响很小。

试验时首先确定围压，并在试验期间保持不变。最初试样被各向同性地加载，直到垂直应力等于围压。然后轴向应力σ1以一定速率增加，直到试样破坏，记录最大的σ1。岩石力学中广泛使用的三轴压缩试验设备是Dr. Hoek早年设计的装置，简称Hoek Cell，如下图所示。

在文章【FLAC3D和3DEC中Hoek-Brown准则参数的自动计算】中，有位同学问Hoek-Brown里的单轴抗压强度指的是饱和的还是干燥的？

同学问题：Hoek-Brown里面的单轴抗压强度是饱和的还是干燥情况下取得的？

作者回答：是原位的UCS，并不特别强调饱和还是干燥，实际上是指的是干燥状态下的强度, H-B准则没有显式地考虑水的作用。在计算中，水对岩石强度的影响是通过有效应力来体现的。

因为岩石的孔隙率比土要小得多，因此对硬岩来说，测试干燥或饱和的试件不会对结果产生显著影响。

2 模拟试验

模拟试验的三轴数据取自【三轴试验数据拟合Hoek-Brown准则的简洁方法(Best-Fit of Triaxial Lab Data)】，即

σ3 = [0, 3, 5, 16, 27.5]σ1 = [15, 28, 49, 84, 102]

Hoek-Brown和Mohr-Coulomb包络线如下图所示。根据Hoek-Brown准则推导出岩体的强度和变形参数：

Deformation Modulus = 19886.568Possion Ratio = 0.17m_b = 14.430s = 1.000000a = 0.500Tensile Strength (MPa) = -1.081Uniaxial Compression Strength (MPa) = 15.605Global Strength (MPa) = 14.748Sig3max (MPa) = 3.901Friction Angle = 46.796Cohesion (MPa) = 2.920

三轴压缩试验初始围压从0开始，最大应变值取0.1，其它参数如下图所示。

下图所示的是三轴试验的轴向应力-应变曲线。

接下来，使用推导出来的Mohr-Coulomb参数进行三轴试验，试验条件与上述Hoek-Brown试验相同，如下图所示。

试验得出的应力-应变曲线如下图所示。

3 结束语

数值试验可将模型定义的行为与实测数据的结果进行比较，获得真实的应力路径，也可用来优化模型参数，使模型结果与实测结果之间获得最佳拟合。目前可以进行以下数值试验：

(1) 单轴试验(Uniaxial)

(2) 三轴试验(Triaxial)

(3) 循环三轴试验(CycTriaxial)

(4) 一维固结试验(Oedometer)

(5) 常应变速率试验(CRS, constant rate-of-strain)

(6) 直剪试验(DSS, direct simple-shear)

(7) 循环直剪试验(CDSS, cyclic direct simple-shear)

(8) 双轴试验(Biaxial)

(9) 压力板试验(PMT, Pressuremeter)

(10) 自由应力应变条件试验(General Test)