1商丘工学院；2菏泽职业学院
摘要：本论文对岩石类材料的单轴试验进行研究，利用深部软岩非线性力学试验系统进行了不同岩性和相同试验条件的室内试验。对花岗岩、砂岩、石膏及纤维石膏四种材料的试件进行单轴低应力水平的三种加载速率下的加载和卸载试验，进行两个应力水平下保载，控制应变（应力）不变，观察应力（应变）的变化。为工程实际应用提供一定的理论依据。
关键词：单轴载荷，加载速率，破坏特征
1概述
岩体类工程在施工的过程中，岩石经常会处于循环荷载的作用下，如地下交通隧道掘进、水利工程水位变动、露天矿加固等，因此在工程作业时，岩石的周期性加载和卸载时有发生，因此岩石在循环载荷条件下的力学状态便成为了岩土工程稳定发展的重要因素之一。
岩石结构和构造等方面的差异，这些特征差异会引起岩石的力学参数的变化，对人类的生产和生活产生重大影响。岩石强度和变形特征与形成的历史背景和处在应力场状况有紧密的联系，因此，研究岩样的变形和强度等性质具有一定的工程生产指导意义。
本论文以花岗岩和石膏、纤维石膏为研究对象，通过单轴压缩实验，研究岩石类材料在不同加载速率循环条件下的应力应变曲线等特征。
2试验前的准备
2.1实验设备
该实验采用的实验设备是深部岩土力学和地下工程国家重点实验室的“2000kN岩石三轴试验机”，该设备是采用电伺服技术、电子传感器技术和计算机控制和处理技术开发的新一代岩石三轴试验系统，由主机（轴向加载装置）、电液伺服加载系统、电气伺服围压加载装置、测量控制系统、计算机控制和数据处理系统组成。试验软件在WINDOWS 7/XP中文环境下工作，具有强大的数据处理功能，试验条件和试验结果自动存盘。该系统具有多种基本波形信号，用户根据需要可设定包含有加载、保载、卸载环节的多种程序波形(三角波/正弦波/矩形波)，加卸载和保载时间设置范围0～30小时。
2.2实验方案
采用力或位移控制方式，对花岗岩试件进行了三组不同速率的加卸载实验，每一组循环加卸载过程中速率保持不变，每一组循环均在三个应力水平下（12.5 MPa、25 MPa、50 MPa）保载，时间约60s，三组循环加卸载速率分别为0.32kN/s、0.64kN/s、1.28kN/s，
2.3实验步骤
(1)制作Φ50×100mm的圆柱形花岗岩、石膏样品。
(2)打开电脑，启动、检查、调试好实验系统，把试样放置在压头正下方，用粗调控制将压头接近试样，然后按照设定的加载速率使压头恰好接触试样。
(3)开始加载，用力控制的方式做加载实验。
(4)实验完毕后，卸载、抬升压头、取出试样、导出实验数据、关闭计算机。
3试验及结果分析
3.1花岗岩强度及变形特征分析
采用力控制方式，对花岗岩试件进行了三组不同速率的加卸载实验，每一组循环加卸载过程中速率保持不变，每一组循环均在三个应力水平下（12.5 MPa、25 MPa、50 MPa）保载，时间约60s，三组循环加卸载速率分别为0.32kN/s、0.64kN/s、1.28kN/s，试验过程曲线见图3.1。
通过花岗岩试验过程曲线可知：
（1）从应力-时间曲线和应变-时间曲线可以看出，随着加卸载速率的增大，所需时间减少，曲线越来越陡，即斜率增大。
（2）在三个应力水平下，维持应力不变，从应变-时间曲线可以看出，应变有随时间延长而增加的趋势。
（3）从应力-应变曲线可以看出，加载和卸载应力-应变曲线不重合，加卸载曲线围成区域形似“月牙形”。随着加卸载速率的增大，应力-应变包络线逐渐变小。
3.2石膏强度及变形特征分析
采采用位移控制方式，对砂岩试件进行了三组不同速率的加卸载实验，每一组循环加卸载过程中速率保持不变，每一组循环均在在两个应力水平下（1.5 MPa、3.0 MPa）保载，时间约60s，三组循环加卸载速率分别为0.004mm/s、0.008mm/s、0.012mm/s，
通过石膏试验过程曲线可知：
（1）从应力-时间曲线和应变-时间曲线可以看出，随着加卸载速率的增大，斜率增大。
（2）在三个应力水平下，维持应变不变，从应力-时间曲线可以看出，应力有随时间延长而减小的趋势。
（3）从应力-应变曲线可以看出，加载和卸载应力-应变曲线不重合，加卸载曲线围成区域形似“月牙形”。随着循环加卸载速率的增大，应力-应变包络线有“迁移”趋势。
3.3纤维石膏试件
采用位移控制方式，对砂岩试件进行了三组不同速率的加卸载实验，每一组循环加卸载过程中速率保持不变，每一组循环均在在两个应力水平下（1.5 MPa、3.0 MPa）保载，时间约60s，三组循环加卸载速率分别为0.004mm/s、0.008mm/s、0.012mm/s，试验过程曲线。
通过纤维石膏试验过程曲线可知：
（1）从应力-时间曲线和应变-时间曲线可以看出，随着加卸载速率的增大，斜率增大。
（2）在三个应力水平下，维持应变不变，从应力-时间曲线可以看出，应力有随时间延长而减小的趋势。
（3）从应力-应变曲线可以看出，加载和卸载应力-应变曲线不重合，加卸载曲线围成区域形似“月牙形”。随着循环加卸载速率的增大，应力-应变包络线有“迁移”趋势。
本文为了研究加载速率对于岩石类材料的影响，针对花岗岩、石膏和纤维石膏三种材料分别进行了三种速率下的单轴循环加卸载试验。得出结论如下：
从应力-时间曲线、应变-时间曲线均可以看出，随着加卸载速率的增大，曲线斜率增大。在三个应力水平下，若维持应力不变，从应变-时间曲线可以看出，应变有随时间延长而增加的趋势；若维持应变不变，从应力-时间曲线可以看出，应力有随时间延长而减小的趋势。
三种材料的加载和卸载的应力-应变曲线均表现为不重合，但应力-应变曲线有一定的差别，花岗岩是随着循环加卸载速率的增大，应力-应变包络线有逐渐减小的趋势。石膏和纤维石膏是随着循环加卸载速率的增大，应力-应变包络线有“迁移”趋势。
参考文献
[1]戴兵, 赵国彦, 杨晨, 等. 不同应力路径下岩石峰前卸荷破坏能量特征分析[J]. 采矿与安全工程学报, 2016(02):367-374.
[2]赵忠虎, 张茹, 李业学. 不同种类岩石变形破坏的能量耗散与能量释放分析: 第十届全国岩石力学与工程学术大会, 中国山东威海, 2008[C].
[3]李春阳, 周宗红, 刘松. 花岗岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. 煤矿机械, 2016(11):67-70.
[4]李彦伟, 姜耀东, 杨英明, 等. 煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2016(04):754-760.
[5]马春德. 一维动静组合加载下岩石力学特性的试验研究[D]. 中南大学, 2004.
[6]宋杰, 李术才, 刘斌, 等. 灰岩岩样等幅和分级循环加卸载过程中电阻率响应规律研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015(S2):3880-3887.
[7]Q X J, X D D, L J F. Fatigue damage variable and evolution of rack subjected to cyclic loading.[J]. International Journal of Rack Mechanics and Mining Sciences, 2010,47(3):461-468.
[8]K N, T K, Y E. Dynamic shear modulus and damping ratio of rocks for a wide confining pressure range.[J]. Proceedings of the Fifth Congress of International Society for Rock Mechanics, 1983,[s. n.]([S. l. ]):223-226.