不同高徑比巖石單軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究

傅偉斌

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010)

巖石單軸抗壓強(qiáng)度是巖土設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù),是評(píng)價(jià)工程巖體質(zhì)量的重要指標(biāo),對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性具有重要作用。但由于巖石的非均一性、各向異性和不連續(xù)性等特點(diǎn),不同尺寸的巖石抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)存在著差異性,即巖石抗壓強(qiáng)度具有尺寸效應(yīng)[1],從而使得巖石力學(xué)參數(shù)的選取需考慮巖石尺寸效應(yīng)的影響。

巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究需建立在不斷擴(kuò)大巖石樣品的尺寸范圍和一定數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)而從機(jī)理上認(rèn)識(shí)巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)各類巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)從小試件室內(nèi)測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)大型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了探討研究[1-8]。本次采取廣州地區(qū)兩種不同巖性的硬巖試樣,按不同高徑比進(jìn)行室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析高徑比與巖石抗壓強(qiáng)度及破裂形式的關(guān)系,為巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究豐富了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并對(duì)實(shí)際工程中巖石力學(xué)參數(shù)的選取具有一定參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法與過程

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖石試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試是掌握巖石力學(xué)性質(zhì)的主要手段之一。巖石單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石在無側(cè)限條件下,受軸向壓力作用破壞時(shí),單位面積上所承受的荷載[9]。

(1)

式中:R為巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa);P為破壞荷載(N);A為試件截面積(mm2)。

本次試驗(yàn)樣品選用微風(fēng)化花崗巖和灰?guī)r,巖石樣品無肉眼可識(shí)別的明顯缺陷和節(jié)理裂隙。試件采用鉆孔巖芯制成,為圓柱體。

按不同高徑比進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),分別將花崗巖和灰?guī)r加工成直徑約70 mm,高徑比為1、1.5、2、2.5共4組巖石試件,每組制備平行試樣3個(gè),試件精度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。采用YA-2000電子液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向一次連續(xù)加載法,加載速率按0.5～1.0 MPa/s控制,直至試件被破壞(如圖1和圖2所示)。

圖1 灰?guī)r(左)和花崗巖(右)樣品制備Fig.1 Preparation of limestone (left) and granite (right) samples

2 試驗(yàn)成果

因巖石單軸抗壓強(qiáng)度具離散性,本次每組巖石的單軸抗壓強(qiáng)度取3個(gè)平行樣品的平均值,花崗巖和灰?guī)r的試樣尺寸及單軸抗壓強(qiáng)度如表1所示。

圖2 試驗(yàn)儀器及加載Fig.2 Test instrument and load

表1 不同高徑比巖樣的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock samples with different height-diameter ratios

2.1 不同高徑比與巖石抗壓強(qiáng)度

巖石抗壓強(qiáng)度與試件尺寸的關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果如圖3。由圖可見,巖石單軸抗壓強(qiáng)度和其尺寸存在密切關(guān)系,隨著高徑比的增大,花崗巖和灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先減小后增大并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,且花崗巖的尺寸效應(yīng)比灰?guī)r的明顯。當(dāng)高徑比為2.0～2.5時(shí),試件抗壓強(qiáng)度趨近于穩(wěn)定值,這和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用高度與直徑之比為2.0～2.5的試件進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度相吻合。

圖3 不同高徑比的巖石單軸抗壓強(qiáng)度Fig.3 Uniaxial compressive strength of rocks with different height-diameter ratios

2.2 不同高徑比的巖石破裂形式

不同高徑比的巖石與單軸壓縮破裂形式密切相關(guān)[5],直徑一定時(shí),不同高度的花崗巖和灰?guī)r巖樣破裂形式如圖4所示。巖石主要為脆性破壞,當(dāng)高度較小時(shí),巖樣沿軸向出現(xiàn)較多的劈裂面,試樣以復(fù)雜劈裂破壞形式為主;而隨著高度增加,巖樣基本上為單一斷面的剪切破壞。對(duì)于直徑一定的巖樣,高度對(duì)破壞形式的影響主要表現(xiàn)為端面摩擦效應(yīng)[7]。由于試件上下表面和墊塊之間存在摩擦作用,試件的高度影響了其應(yīng)力分布形式,高徑比越小,對(duì)試件上下端部壓縮應(yīng)力區(qū)的影響越大,從而使得巖石的破壞形式變得復(fù)雜。因此,在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,端面摩擦效應(yīng)對(duì)巖石強(qiáng)度等特性具有一定的影響。

圖4 灰?guī)r(左)和花崗巖(右)不同高徑比破壞形式Fig.4 Failure modes of limestone (left) and granite (right) with different height-diameter ratios

3 結(jié)論

本文對(duì)不同高徑比的花崗巖和灰?guī)r做了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析了不同高徑比對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度和破裂形式的影響,結(jié)論如下:

(1) 高徑比在1～2.5范圍內(nèi),巖石單軸抗壓強(qiáng)度隨高徑比的增加表現(xiàn)出先減小后增大并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,當(dāng)高徑比為2.0～2.5時(shí),巖石抗壓強(qiáng)度趨近于穩(wěn)定值。

(2) 隨著高徑比的增加,巖樣破壞形式由復(fù)雜劈裂破壞變?yōu)閱我粩嗝娴募羟衅茐?巖石的強(qiáng)度還需考慮端面摩擦效應(yīng)的影響。

(3) 由于試驗(yàn)條件等因素限制,本文僅對(duì)小尺寸硬巖樣品進(jìn)行了試驗(yàn),而巖石具有非均一性、各向異性和不連續(xù)性等特點(diǎn),因此還應(yīng)增加樣品尺寸、類型和數(shù)量,同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)等方式,才能不斷深入認(rèn)識(shí)巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。