點(diǎn)荷載試驗(yàn)研究①

姜彬 夏帆 楊大明

(1.中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110015;2.沈陽(yáng)雙興建設(shè)集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110021)

點(diǎn)荷載試驗(yàn)研究①

姜彬1②夏帆2楊大明1

(1.中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110015;2.沈陽(yáng)雙興建設(shè)集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110021)

分析點(diǎn)荷載試驗(yàn)的方法和巖石在點(diǎn)荷載試驗(yàn)中的破壞機(jī)理，闡述了點(diǎn)荷載試驗(yàn)的適用性以及在工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題。根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用蒙特卡羅法得出了點(diǎn)荷載強(qiáng)度分布的規(guī)律。

點(diǎn)荷載;破壞機(jī)理;強(qiáng)度

0 引言

點(diǎn)荷載試驗(yàn)具有儀器體積小、重量輕、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、利于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);且對(duì)巖樣的要求不高，可利用不規(guī)則試樣進(jìn)行試驗(yàn)，不需要對(duì)巖樣進(jìn)行加工，降低成本費(fèi)用，節(jié)省時(shí)間;對(duì)低強(qiáng)度和風(fēng)化嚴(yán)重的巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，這是常規(guī)的試驗(yàn)無(wú)法做到的。由于其具有如此多的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為我們及時(shí)提供重要的巖石力學(xué)參數(shù)，使我們更加快捷地解決工程實(shí)際中問(wèn)題，為工程建設(shè)提供了良好的背景。

1 點(diǎn)荷載的方法

所謂點(diǎn)荷載試驗(yàn)［1］將待測(cè)巖樣放在上、下兩個(gè)球端圓錐狀壓板之間，對(duì)試樣施加集中荷載，直至試樣破壞，然后根據(jù)儀器記錄下的壓力值求得巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。點(diǎn)荷載強(qiáng)度，可作為巖石強(qiáng)度分類及巖體風(fēng)化分類的指標(biāo)，亦可評(píng)價(jià)巖石強(qiáng)度的各向異性程度，預(yù)估巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)。

2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)的破壞機(jī)理

Reichmuth對(duì)點(diǎn)荷載下材料破壞機(jī)制的分析指出，在點(diǎn)荷載作用下，巖石試樣中同時(shí)形成拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)，如圖1所示：

1)在距加荷點(diǎn)一定距離周圍之內(nèi)的巖石所受到的力接近壓應(yīng)力，形成壓應(yīng)力區(qū);

2)在距加荷點(diǎn)一定距離之外的一個(gè)范圍內(nèi)，巖石受到了垂直加載軸方向的彈性拉應(yīng)力，形成彈性拉應(yīng)力區(qū)。

圖1 破壞機(jī)理示意圖

在拉應(yīng)力區(qū)中，加荷點(diǎn)附近的巖石產(chǎn)生彎曲狀排列的雁行式裂隙。當(dāng)荷載增大時(shí)，這些裂紋互相靠攏而形成滑動(dòng)線，隨著荷載的進(jìn)一步作用，這種裂紋逐步發(fā)展，并最終與彈性拉應(yīng)力區(qū)相連接，試樣即

在拉應(yīng)力作用下發(fā)生劈裂［2］［3］。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)是由于加載方式使其產(chǎn)生有規(guī)律的裂紋，而巖石抗壓試驗(yàn)主要是巖石本身的特性和非均質(zhì)性(如礦物成分、膠結(jié)情況等)在壓力作用下產(chǎn)生裂紋，而由于壓力試驗(yàn)機(jī)與巖石試樣是面接觸，因此在巖石受力后，裂隙有一個(gè)閉合的過(guò)程(即壓密過(guò)程)，其內(nèi)部會(huì)有一個(gè)相互平衡效應(yīng)。

由于點(diǎn)荷載試驗(yàn)與巖石抗壓試驗(yàn)在破壞機(jī)理上的區(qū)別，使得用點(diǎn)荷載強(qiáng)度值測(cè)巖石抗壓強(qiáng)度值時(shí)，存在不精確的因素。

3 影響因素

3.1 試件數(shù)量的影響

經(jīng)驗(yàn)表明，試件的數(shù)量越多，統(tǒng)計(jì)出來(lái)的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)越趨近真實(shí)的數(shù)值，能較精確的反應(yīng)巖體的本身特征，試件的數(shù)量越少，試驗(yàn)的結(jié)果偏差就越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)試樣數(shù)量為5塊時(shí)其偏差最大;10塊時(shí)，偏差也較大;當(dāng)數(shù)量為15塊時(shí)，其偏差基本接近20塊時(shí)的偏差。因此，建議每組試驗(yàn)數(shù)量應(yīng)不少于15塊。

3.2 巖石試樣的形狀

試驗(yàn)所采用的巖石試樣大致可分為兩種：芯樣(鉆孔取出的圓柱形巖樣)和不規(guī)則試樣。對(duì)于芯樣，若圓柱面光滑則試驗(yàn)的精度就會(huì)高一些;對(duì)于不規(guī)則試樣，由于試樣表面不平整，在這些凹凸不平的地方容易形成局部的應(yīng)力異常場(chǎng)，從而影響試驗(yàn)精度。

3.3 巖石試樣的長(zhǎng)徑比

試驗(yàn)證明，在徑向試驗(yàn)中，當(dāng)l/d≥0.5時(shí)(l為試件端面至載荷作用點(diǎn)的軸向距離;d為巖芯直徑)，Is基本保持一常數(shù)值;當(dāng)l/d＜0.5時(shí)，Is隨l/ d的減少而下降。在軸向試驗(yàn)中，當(dāng)l/d＜0.5時(shí)，Is隨l/d的增加而迅速下降;1≥l/d≥0.5時(shí)，Is的下降變慢;而在l/d＞1時(shí)，Is趨于一常數(shù)。

研究表明，軸向試驗(yàn)受長(zhǎng)徑比的影響比徑向試驗(yàn)要明顯得多。

4 點(diǎn)荷載強(qiáng)度值的分析

由于試樣的形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的離散性有著直接的關(guān)系，且試樣的形狀越規(guī)整，所得數(shù)據(jù)的離散性越小，因此在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量選取形狀較為規(guī)整的巖樣［4］。

本次點(diǎn)荷載試驗(yàn)所測(cè)孔段均位于巖體破碎帶上，因此試驗(yàn)選用的試樣多數(shù)較不規(guī)則。為了弄清點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)的分布規(guī)律，確定該工程中點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)與單軸抗壓強(qiáng)度之間的換算關(guān)系，以弱風(fēng)化石英砂巖為例，從160個(gè)試驗(yàn)結(jié)果中選取133個(gè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，其中不規(guī)則試樣試驗(yàn)結(jié)果102個(gè)，規(guī)則試樣21個(gè)。應(yīng)用基于最優(yōu)化的蒙特卡羅法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，具體步驟如下

4.1 正態(tài)分布檢驗(yàn)：

圖2 規(guī)則與不規(guī)則試樣點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)頻率分布與正態(tài)曲線圖

圖3 規(guī)則與不規(guī)則試樣點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)正態(tài)頻率分布檢驗(yàn)圖

4.2 計(jì)算點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)均值

通過(guò)分布擬合和X2檢驗(yàn)，得到：

1)規(guī)則弱風(fēng)化石英砂巖試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)均值為2.3721MPa，置信區(qū)間為［2.2601，2.4858］，置信度95%;

2)不規(guī)則的弱風(fēng)化石英砂巖試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)均值為2.2841MPa，置信區(qū)間為［2.1525，2.4801］，置信度95%;

4.3 分析結(jié)果

1)在相同置信度下，不規(guī)則試驗(yàn)的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)的置信區(qū)間大于規(guī)則試樣，這也證明了試樣形狀對(duì)點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果的離散性有著一定影響，試樣形狀越不規(guī)則，結(jié)果離散性越大。

2)不規(guī)則試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)均值與規(guī)則試樣的相比相差僅為0.088MPa，偏差僅3.71%，因此選取合適長(zhǎng)寬比的不規(guī)則試樣進(jìn)行試驗(yàn)，所得出的試驗(yàn)結(jié)果也是具有一定代表性的，即用不規(guī)則試樣進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)是可行的。

3)綜合規(guī)則試樣與不規(guī)則試樣的試驗(yàn)結(jié)果，得出弱風(fēng)化石英砂巖的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)均值為2.3122MPa，置信區(qū)間為［2.2004，2.4575］，置信度95%。

5 結(jié)論

點(diǎn)荷載試驗(yàn)以其特有的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于不規(guī)則巖樣的試驗(yàn)中，在試件數(shù)量足夠多的情況下試驗(yàn)的結(jié)果比較接近規(guī)則試樣的結(jié)果，一般情況下可以滿足工程需要，為工程建設(shè)節(jié)約時(shí)間和成本，有一定的工程實(shí)際意義。

［1］工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50266－99).中國(guó)建筑工業(yè)出版社

［2］楊紅梅．點(diǎn)荷載試驗(yàn)探討與應(yīng)用［J］．露天采礦技術(shù)，2006，2(1)：17－20

［3］郭曼麗．試論巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)的適用性［J］．巖石力學(xué)，2003，24(3)：487－490

［4］趙奎，金解放，等．用巖石點(diǎn)荷載指標(biāo)確定其單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2005，25(6)：32－33

On Point Load Test

JIANG Bin，XIA Fan，YANG Daming

(1.Shengyang Design and Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group，Shenyang Liaoning 110015;2.Shengyang Shuangxing Construction Group，Co．Ltd．，Shenyang Liaoning 110021)

The testing method of point load test，the failure mechanism of rock in point load test，the applicability of point load test and the matters of attention in applying point load test are also introduced in this paper.According to abundant measured data，the law that point load strength obeys normal distribution is educed by using Monte Carlo method.

point load test;failure mechanism;strength

TU459

A

1672－7169(2011)04－0020－03

2011－07－22

姜彬(1973－)男，遼寧沈陽(yáng)人高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)工作。