巖石力學(xué)特性測(cè)試方法及發(fā)展趨勢(shì)

王想 高貝貝

摘 要：目前大多數(shù)土木工程都是建在巖基上，巖石在載荷作用下發(fā)生變形、破壞，嚴(yán)重威脅工程建筑物的安全。掌握巖石的變形、破壞等力學(xué)特性可為工程的安全提供保障，使其經(jīng)濟(jì)合理。巖石力學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在，一系列的測(cè)試方法被總結(jié)出來，應(yīng)用于實(shí)際的工程之中，并且隨著科技的進(jìn)步，新的儀器設(shè)備，新的測(cè)試方法不斷被提出來，總結(jié)和了解這些測(cè)試方法將有助于我們對(duì)巖石力學(xué)更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)特性；測(cè)試方法；發(fā)展趨勢(shì)

1 巖石強(qiáng)度特性測(cè)試方法

1.1 巖石抗壓強(qiáng)度

經(jīng)典的巖石抗壓強(qiáng)度的測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的壓力機(jī)上進(jìn)行測(cè)定的，試件用圓柱形或立方柱體。

圓柱試件的斷面尺寸一般采用直徑：D=5cm或D=7cm；高度：h=（2-2.5）D

立方柱體試件的斷面尺寸一般采用：5cm×5cm或7cm×7cm；高度滿足：h=（2-2.5）

對(duì)于圓柱形試件，沿試件各截面的直徑誤差應(yīng)不大于0.3mm，兩端面的不平行度最大不超過0.05mm。試驗(yàn)時(shí)以0.5-0.8Mpa/s的加荷速率加荷，直至試件破壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果按下式計(jì)算抗壓強(qiáng)度：

Rc=P/A

式中 Rc——巖石單軸抗壓強(qiáng)度（Mpa）

P——巖石試件破壞時(shí)的載荷（MN）

A——試件的橫斷面面積（m2）

在此基礎(chǔ)上，曾偉雄等[1]提出了一種點(diǎn)荷載試驗(yàn)方法測(cè)量破碎巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度，解決了破碎巖石測(cè)量其單軸抗壓強(qiáng)度的難題。通過試件的浸水飽和來反映試件飽和抗壓強(qiáng)度的飽和狀態(tài)，接近實(shí)際情況，結(jié)果與經(jīng)典抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)符合的較好。

1.2 巖石抗拉強(qiáng)度

巖石的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法最常用的是巴西試驗(yàn)法，試件多是圓柱體，又稱巴西圓盤試驗(yàn)法。試驗(yàn)時(shí)沿著圓柱體的直徑方向施加集中荷載，試件受力后可能沿著受力方向的直徑裂開。根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)，最終得出抗拉強(qiáng)度公式：

Rt=2Pmax/ΠDL

式中 Pmax——破裂時(shí)的最大荷載（MN）；

D——圓柱形試件的直徑（m）

L——圓柱形試件的長(zhǎng)度（m）

不過，試樣在集中載荷作用處會(huì)首先屈服碎裂。另一方面，加載軸線上除中心點(diǎn)壓、拉應(yīng)力比等于3之外，其余都大于3，從 Griffith準(zhǔn)則考慮，試樣并不是由中心起始的張拉破裂。

這就讓許多學(xué)者對(duì)劈裂試驗(yàn)?zāi)芊翊_定巖石的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生了懷疑。并對(duì)此進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，并尋找各種試驗(yàn)方法 [2～7]，尤明慶，蘇承東等[8]的研究表明，巴西圓盤試驗(yàn)中的集中載荷不容忽視，但并未得出具體的數(shù)值處理方法。向?qū)毶絒9]等人研究了巴西試驗(yàn)改進(jìn)方法。此外鄭州大學(xué)王志[10]通過計(jì)算截面形狀函數(shù)，確定最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置，建立了方形巖石劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式。能真實(shí)反映巖石的力學(xué)性能，是測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的一種有效方法。

1.3 巖石的抗剪強(qiáng)度

巖石的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)分為室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)兩大類。室內(nèi)試驗(yàn)常采用直接剪切試驗(yàn)、鍥形剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要以直接剪切試驗(yàn)為主，也可做三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。直接剪切試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便在剪切儀上進(jìn)行，無需特殊設(shè)備，缺點(diǎn)是不易反映層理面的抗剪強(qiáng)度。而三軸壓縮試驗(yàn)可以很好的解決不連續(xù)面的抗剪強(qiáng)度測(cè)量問題。到目前為止抗剪強(qiáng)度的測(cè)量依然以以上三種方法為主。

2巖石的變形特性測(cè)試方法

巖石的變形指標(biāo)以及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)定，也可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)方法分為靜力法和動(dòng)力法兩種。目前用的較多的是實(shí)驗(yàn)室的單軸壓縮試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室或者現(xiàn)場(chǎng)的波速測(cè)定法、用千斤頂或承壓板的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及鉆孔膨脹劑法。此外，有時(shí)也做室內(nèi)的三軸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)等。國(guó)內(nèi)學(xué)者葛修潤(rùn)[11]肖建清[12]等人分別研究了巖石疲勞破壞過程中的變形、常幅循環(huán)載荷下巖石的變形特性。

3結(jié)語

巖石力學(xué)性能的測(cè)試是巖石性能研究最基礎(chǔ)的工作。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，新的儀器設(shè)備，新的測(cè)試方法不斷被提出來，對(duì)巖石力學(xué)特性的研究也不會(huì)不斷的精確和深入。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：四川大學(xué)）