采用點荷載試驗獲取巖石力學(xué)強度參數(shù)

周 芬 趙武鹍

(1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；

3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

采用點荷載試驗獲取巖石力學(xué)強度參數(shù)

周 芬1趙武鹍2,3,4

(1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；

3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

對巖石點荷載試驗結(jié)果精度的影響因素及各種采用點荷載試驗獲取巖石力學(xué)強度參數(shù)的方法進行了分析，提出了通過面積紙計算破裂面面積來提高點荷載試驗結(jié)果精度的方法，給出了點荷載試驗結(jié)果轉(zhuǎn)換巖石力學(xué)強度參數(shù)的計算公式，并通過工程實踐加以驗證。結(jié)果表明，該公式可快速、可靠、低成本獲取工程巖石力學(xué)強度參數(shù)，對于確保工程安全性與造價合理性具有一定的參考價值。

點荷載試驗 力學(xué)強度參數(shù) 面積紙 工程實踐

隨著生產(chǎn)力水平的不斷提高，水利建設(shè)、礦山開采、道路建設(shè)、橋梁架設(shè)等工程規(guī)模的不斷擴大，該類工程均涉及到穩(wěn)定性問題，而影響工程穩(wěn)定性的重要因素之一是工程巖體力學(xué)強度。巖石力學(xué)強度基本上是在實驗室按巖石試驗規(guī)程的要求進行測定，由于試件數(shù)量有限，使得測試數(shù)量的代表性和可靠性受到很大影響。點荷載試驗儀器小型輕便，并可采用不規(guī)則塊體進行試驗，為在現(xiàn)場開展巖石力學(xué)強度測試開辟了道路[1]。隨著近年來對點荷載試驗研究的不斷深入，其所轉(zhuǎn)化的巖石力學(xué)強度指標(biāo)的精度大大提高，在很大程度上保證了工程的安全性與造價的合理性。因此，充分利用點荷載試驗，在有限的勘查資料基礎(chǔ)上，獲取最為可靠的工程巖石力學(xué)參數(shù)，為一項非常有意義的工作。

1 點荷載試驗簡介及破壞機理

巖石點荷載試驗是將規(guī)則的巖芯或不規(guī)則的巖石塊體置于上下2個球端圓錐狀之間，首先對試件施加豎向壓力,直至試件破壞，然后根據(jù)儀器記錄下的壓力值P及試件破壞的尺寸L、D，求得巖石的點荷載強度Is。

在點荷載作用下，巖石試樣在距加荷點一定距離內(nèi)所受到的力接近壓應(yīng)力，形成壓應(yīng)力區(qū)；在距加荷點一定距離之外的一個范圍內(nèi)，巖石受到了垂直于加載軸方向的彈性拉應(yīng)力，形成彈性拉應(yīng)力區(qū)[2]。在拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)，加荷點附近的巖石產(chǎn)生彎曲狀排列的雁行式裂隙，當(dāng)荷載增大時，該類裂紋互相靠攏形成滑動線，隨著荷載的進一步作用，該類裂紋逐步發(fā)展，并最終與彈性拉應(yīng)力區(qū)相連接，即試樣在拉應(yīng)力作用下發(fā)生劈裂。

2 巖石力學(xué)強度參數(shù)獲取

點荷載試驗結(jié)果的影響因素有巖石試樣的數(shù)量、形狀、長徑比等[2]，在大量試驗的基礎(chǔ)上，在試樣數(shù)量足夠多的情況下，可排除試樣形狀及尺寸對試驗結(jié)果的影響。點荷載試驗結(jié)果的應(yīng)用存在2大問題：①破裂面的面積測量較困難且測量結(jié)果不準(zhǔn)確；②點荷載試驗確定Is(50)(巖心直徑約 50 mm時的點載荷強度)方法十分復(fù)雜且修正方法難以消除誤差的影響，此外，換算的單軸抗壓強度不通用[3]。采用制作面積紙的方法來測量破裂面的面積，如圖1所示。將透明的面積測量紙放置于點荷載試驗壓裂的巖石試樣破裂面上，用筆畫下其輪廓，并計算出面積，該方法簡單省時且計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖1 面積紙計算破裂面面積示意

筆者通過大量工程實踐，認(rèn)為《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218-94)[4]給出的單軸抗壓強度與文獻[1]給出的單軸抗拉強度的計算公式是可行的，所得結(jié)果滿足工程精度要求。

(1)

式中，σc為單軸抗壓強度，MPa；σt為單軸抗拉強度，MPa。

圖2 抗壓抗拉應(yīng)力圓公切線

已知∠O1O2D=∠CEO，故tanφ=tan∠CEO=tan∠O1O2D=O1D/O2D，所以內(nèi)摩擦角為

(2)

在實踐過程中，一般對式(2)折減后進行應(yīng)用，文獻[1]通過降低10%作為工程上巖石的內(nèi)摩擦角。為了更好地與點荷載試驗結(jié)果進行對比，利用FLAC3D軟件分別對軟巖、較軟巖、硬巖進行三軸試驗?zāi)M，模型尺寸為100mm×50mm×50mm，加載速率為2.5×10-5m/s，加載等級分別為100，300，500kPa。本構(gòu)模型均為莫爾-庫侖模型，施加的邊界和約束條件為：①在z=0端面施加法向約束，z=100的端面施加常速度；②在x=0和x=50的兩平面施加法向約束；③在y=0和y=50兩平面施加側(cè)向壓力。保持加載速度不變，直至試件屈服破壞，記錄軸壓方向和側(cè)壓方向多個監(jiān)測點的應(yīng)力、位移值；由屈服點對應(yīng)的軸向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力大小，繪制主應(yīng)力莫爾圓，依據(jù)常規(guī)三軸試驗力學(xué)公式計算出抗剪強度參數(shù)。根據(jù)FLAC3D軟件模擬結(jié)果，對式(2)進行適當(dāng)修正，得到

(3)

式中,k為修正系數(shù)，當(dāng)巖石為軟巖時，k取0.6～0.7；當(dāng)巖石為較軟巖時，k取0.7～0.8；當(dāng)巖石為硬巖時，k取0.8～0.9；其他符號意義同前。

3 工程應(yīng)用

某露天礦邊坡呈平緩弧形，坡高220 m，最終邊坡角為47°，邊坡控制巖性為片理化蛇紋巖、碳酸鹽化蛇紋巖及蛇紋巖，巖體結(jié)構(gòu)為散體-破裂-塊狀，結(jié)構(gòu)面光滑，節(jié)理裂隙極為發(fā)育。+4 200～+4 272 m平臺存在一滑坡區(qū)域，形成原因為：控制性巖性為片理化蛇紋巖，其物理力學(xué)性質(zhì)較差，遇水極易軟化，片理化蛇紋巖組成邊坡巖體，導(dǎo)致該區(qū)臺階垮塌嚴(yán)重，邊坡破壞模式為圓弧形破壞。應(yīng)用STDZ-2數(shù)顯點荷載試驗儀對該區(qū)域組成邊坡的巖性進行大量點荷載試驗，部分結(jié)果見表1。該邊坡控制巖性的力學(xué)強度參數(shù)計算結(jié)果見表2。根據(jù)表2獲得的巖石力學(xué)強度參數(shù)，計算邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3～圖5所示。由圖3可知該局部臺階為片理化蛇紋巖邊坡區(qū)域部分；由圖4可知邊坡最小安全系數(shù)為0.82；圖5邊坡塑性區(qū)貫通且塑性區(qū)臺階坡腳處位移變化較大,鄰近區(qū)域的位移也較大，說明該邊坡已破壞，這與實際情況吻合。勘查報告給出的參數(shù)與文中計算的正常破壞的參數(shù)一致，計算出的安全系數(shù)為1.21，據(jù)此可知邊坡相對安全。因此，利用文中公式來獲取巖石力學(xué)強度參數(shù)用于邊坡穩(wěn)定性分析是可行的。

4 結(jié) 語

通過對巖石點荷載試驗過程、破壞機理及試驗結(jié)果精度的影響因素以及采用點荷載試驗獲取巖石力學(xué)強度參數(shù)的方法進行了分析，提出了通過面積紙計算破裂面面積來提高點荷載試驗結(jié)果精度的方法，給出了點荷載試驗結(jié)果轉(zhuǎn)換巖石力學(xué)強度參數(shù)的計算公式，并將該公式用于邊坡穩(wěn)定性計算中進行驗證，所得結(jié)果與工程實際相吻合，具有一定的實用性。

[1] 李茂蘭，鐘光宙.巖石點荷載測試及其應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1994.

表1 邊坡巖石點荷載試驗結(jié)果

[2] 姜 彬，夏 帆，楊大明.點荷載試驗研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報，2011(4)：20-22.

[3] 王 茹，唐春安，王述紅.巖石點荷載試驗若干問題的研究[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，29(1)：130-132.

表2 點荷載試驗數(shù)據(jù)

圖3 邊坡模型

圖4 極限平衡法計算邊坡穩(wěn)定性

圖5 差分法邊坡塑性區(qū)及速度示意

[4] 中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.GB 50218-94 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，1994.

2015-01-08)

周 芬(1986—)，女，助理工程師，231500 安徽省合肥巿廬江縣羅河鎮(zhèn)。