現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度的破壞模式及其與單軸拉壓強(qiáng)度的相關(guān)性研究

徐 飛，陳 陽(yáng)，李亞俊，文 磊

現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度的破壞模式及其與單軸拉壓強(qiáng)度的相關(guān)性研究

徐 飛1，陳 陽(yáng)1，李亞俊1，文 磊2

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 4100831)

對(duì)不同破壞方式和不同巖性的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)的巖石強(qiáng)度的相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試，得出巖塊的破壞方式主要分為平直破壞，不規(guī)則的彎曲破壞和沿節(jié)理面的不規(guī)則破壞，分析3種破壞方式的強(qiáng)度特征和破壞特征。結(jié)果表明：沿節(jié)理破壞的巖塊破壞面有明顯節(jié)理裂痕；平直破壞的巖塊表現(xiàn)為彈性破壞，破壞面平整且新鮮；彎曲破壞巖塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度較大，巖塊的破壞面表現(xiàn)出微小的節(jié)理。3種不同破壞方式的點(diǎn)荷載強(qiáng)度相差較大，因此，認(rèn)為不能盲目的將現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，必須根據(jù)不同的破壞形式分析點(diǎn)荷載強(qiáng)度，從而提高測(cè)試結(jié)果的可靠性。

點(diǎn)荷載強(qiáng)度;破壞模式;單軸抗拉強(qiáng)度;單軸抗壓強(qiáng)度;轉(zhuǎn)化系數(shù)

0 前 言

巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)作為一種方便、快捷且費(fèi)用低的強(qiáng)度試驗(yàn)方法，可以采用現(xiàn)場(chǎng)不規(guī)則巖塊進(jìn)行試驗(yàn)，接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。隨著地下礦山開(kāi)采深度的逐年增加，礦山面臨高應(yīng)力等復(fù)雜條件，這為標(biāo)準(zhǔn)試樣的采集帶來(lái)一定的困難。正因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)方便的特性，使得點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試針對(duì)深井礦山有更好的使用性。同時(shí)，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)公布了《測(cè)定點(diǎn)荷載強(qiáng)度的建議方法》，通過(guò)點(diǎn)荷載強(qiáng)度來(lái)估算單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）和單軸抗拉強(qiáng)度（BTS）。T. N. Singh等人[1]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試，并通過(guò)線性回歸方法研究不同類(lèi)型巖石的BTS和UCS與點(diǎn)荷載強(qiáng)度的性關(guān)系系數(shù)，得出了通過(guò)點(diǎn)荷載強(qiáng)度快速評(píng)估UCS和BTS的經(jīng)驗(yàn)方法。Kahraman S等人[2]研究了點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之間的向光性，并進(jìn)一步分析其相關(guān)系數(shù)對(duì)巖體分級(jí)的影響。Basu A等人[3]建立標(biāo)準(zhǔn)巖石試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并通過(guò)點(diǎn)荷載強(qiáng)度預(yù)測(cè)巖石的單軸抗壓強(qiáng)粘度。Azimian A等人[4]運(yùn)用點(diǎn)荷載強(qiáng)度結(jié)合P波速度來(lái)預(yù)測(cè)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。郭曼麗[5]通過(guò)集中方法來(lái)討論點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)在工程上的適用性。

本文以云南某深井礦山（深度約為1000 m）的探礦巷道為研究對(duì)象，該礦處于高原地區(qū)，深部巖體面臨高應(yīng)力的復(fù)雜環(huán)境，并且深部巖體比較破碎。以該探礦巷道所揭露的4種不同的巖性巖層組為研究對(duì)象，該4組巖層分別為：棲霞茅口組，虎斑狀灰色深灰色淺灰色細(xì)晶至隱晶質(zhì)灰?guī)r、白云巖，部分節(jié)理發(fā)育；威寧組，灰色細(xì)晶灰?guī)r，斷面有青灰色泥質(zhì)物，部分節(jié)理發(fā)育淺灰至深灰色灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r；擺佐組，白色，中至細(xì)晶結(jié)構(gòu)，塊狀厚層白云巖，部分節(jié)理發(fā)育，淺灰白色、肉紅色粗晶白云巖；大塘組，深灰色、灰色細(xì)晶灰?guī)r，部分節(jié)理發(fā)育，深灰色隱晶白云巖。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不規(guī)則巖塊進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，并且對(duì)試驗(yàn)巖塊的破壞方式做詳細(xì)的記錄。由于點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大的缺點(diǎn)，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程和巖塊的破壞方式，分析得出不同破壞方式的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性系數(shù)，以便能更好的判斷哪種破壞方式的巖塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有更高的精確度。從而對(duì)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)際意義。

1 點(diǎn)荷載強(qiáng)度的計(jì)算方法

現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)因?yàn)樵嚰碾S機(jī)性和不規(guī)則性導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果有一定的差異。王茹等人[6]通過(guò)對(duì)點(diǎn)荷載強(qiáng)度試件的形狀尺寸以及測(cè)試數(shù)量等若干問(wèn)題進(jìn)行探討，以便推廣現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試方法。王維剛[7]等人通過(guò)對(duì)比兩種點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)方法分析不同計(jì)算方法和數(shù)據(jù)的不同處理方法來(lái)對(duì)比其誤差，從而是電荷在強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果更加精確。彭杰[8]等人運(yùn)用BAYES理論研究現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載測(cè)試小樣本數(shù)據(jù)的可靠性。此外，國(guó)內(nèi)外其他一些學(xué)者針對(duì)點(diǎn)荷載強(qiáng)度與UCS和BTS的相關(guān)性作了比較深入的研究[9-13]。但是在已有的研究中，都沒(méi)有對(duì)破壞方式進(jìn)行完整的統(tǒng)計(jì)和分析，并且大多數(shù)試驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。筆者認(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試樣來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)拾取的巖塊，隨機(jī)性比較大并且形狀和尺寸都不規(guī)則，所以有必要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)不同的破壞方式進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)和分析，并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

因此本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不規(guī)則的巖石試樣，結(jié)合ISRM法，在不規(guī)則試件的破壞面上，通過(guò)評(píng)估破壞面的面積來(lái)計(jì)算測(cè)試試件的等效直徑，從而獲得試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

式中，e為試樣的等效直徑；為破壞面兩加載點(diǎn)的間距；為破壞面的平均寬度；為施加的荷載；s為試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。為了最大程度的消除不同尺寸引起的誤差影響，通過(guò)尺寸修正系數(shù)，將不規(guī)則形狀和尺寸的點(diǎn)荷載強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

此次試驗(yàn)主要是針對(duì)該礦區(qū)內(nèi)揭露的四種不同巖層的巖石，對(duì)這4種不同的巖層分別進(jìn)行室內(nèi)UCS試驗(yàn)和室內(nèi)BTS試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)。UCS和BTS的試件采用標(biāo)準(zhǔn)試件(UCS:100 mm× Φ50 mm; BTS:50 mm×Φ50 mm)，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試試樣則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)拾取。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)采用MTS-815液壓伺服控制力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試件進(jìn)行單向壓縮試驗(yàn)。巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)定采用巴西劈裂法，采用MTS-322試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。為了與現(xiàn)場(chǎng)含水條件下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，將實(shí)驗(yàn)室制作的標(biāo)準(zhǔn)樣品置入水中浸泡48 h，然后再進(jìn)行試驗(yàn)，所獲得巖石的UCS和BTS平均值如表1所示。

表1 巖石UCS和BTS平均值/MPa

點(diǎn)荷載儀器采用SD-1數(shù)碼點(diǎn)荷載儀。針對(duì)該區(qū)域常見(jiàn)的4種不同巖性的巖體按規(guī)定尺寸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拾取巖樣。結(jié)合儀器的尺寸，現(xiàn)場(chǎng)拾取樣品的尺寸為長(zhǎng)度小于15 cm，寬度小于10 cm，試件的厚度小于10 cm?，F(xiàn)場(chǎng)巖塊試樣如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載測(cè)試結(jié)果，4種不同巖性巖塊的破壞形式大體上總結(jié)分為規(guī)則平直破壞、不規(guī)則面彎曲破壞和沿節(jié)理面不規(guī)則破壞3種破壞方式。即破壞面比較平整，且破壞面沒(méi)有明顯的節(jié)理裂隙面；破壞面不規(guī)則，但是看不到明顯的節(jié)理裂隙面；破壞面不平整，破壞面能表現(xiàn)出明顯的節(jié)理面。巖石點(diǎn)荷載平均強(qiáng)度見(jiàn)表2。

2.2 點(diǎn)荷載與拉壓強(qiáng)度的相關(guān)性分析

對(duì)點(diǎn)荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，分析不同破壞方式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換因子的特征如圖2至圖9所示，線性回歸結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，同一種巖性的巖塊在三種不同破壞形式的點(diǎn)荷載強(qiáng)度有明顯的差別，并且強(qiáng)度值相差較大。在與單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度進(jìn)行換算時(shí)，獲得的轉(zhuǎn)換因子也相差較大（見(jiàn)表3和表4）。

表3和表4表明，不同破壞形式的破壞強(qiáng)度特征差距很大，轉(zhuǎn)換因子相差也很大，發(fā)生彎曲破壞時(shí)的強(qiáng)度最大，裂隙破壞時(shí)的強(qiáng)度最小。發(fā)生平直破壞的巖塊從破壞面看，表現(xiàn)出較好的完整性，但是卻沒(méi)有表現(xiàn)出最高的強(qiáng)度特征，說(shuō)明完整巖塊表現(xiàn)出彈性體的特征，破壞機(jī)理是超過(guò)巖體本身的彈性極限發(fā)生彈性體的破壞，與加荷速率也有很大關(guān)系。

圖2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性（C1d）

圖3 點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性（C1d）

大塘組對(duì)應(yīng)平直破壞、彎曲破壞和沿節(jié)理面破壞的轉(zhuǎn)換因子值分別為24.42，14.47，36.41，值分別1.77，1.01，2.54，不同破壞方式對(duì)應(yīng)的線性回歸見(jiàn)圖2和圖3；擺佐組對(duì)應(yīng)平直破壞、彎曲破壞和沿節(jié)理面破壞的轉(zhuǎn)換因子值分別為16.04，17.15，23.25，值分別為1.10，1.18，1.59，不同破壞方式對(duì)應(yīng)的線性回歸見(jiàn)圖4和圖5；棲霞茅口組對(duì)應(yīng)平直破壞、彎曲破壞和沿節(jié)理面破壞的轉(zhuǎn)換因子值分別為13.25，12.04，19.15，值分別為0.97，0.88，1.40，不同破壞方式對(duì)應(yīng)的線性回歸見(jiàn)圖6和圖7；威寧組對(duì)應(yīng)平直破壞、彎曲破壞和沿節(jié)理面破壞的轉(zhuǎn)換因子值分別為20.04，12.47，37.23，值分別為1.10，1.18，1.59，不同破壞方式對(duì)應(yīng)的線性回歸如圖8和圖9所示?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試樣的形狀和尺寸的不規(guī)則性，因此，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度的測(cè)試作詳細(xì)的記錄非常重要，同一巖性的巖塊不同破壞方式強(qiáng)度值不同，且不同巖性的巖塊強(qiáng)度也不同，這為分析巖體的力學(xué)特性和破壞特性提供有力的參考。

圖4 點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性（C1b）

圖5 點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性（C1b）

圖6點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性（P1q+m）

圖8點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性（C2w）

3 討 論

（1）平直破壞。即破壞面比較平整，且破壞面沒(méi)有明顯的節(jié)理裂隙面。此種破壞主要發(fā)生在完整性較好的巖塊試驗(yàn)過(guò)程中，這種巖塊內(nèi)部沒(méi)有節(jié)理裂隙，可視為均質(zhì)的材料。在試驗(yàn)過(guò)程中，破壞的瞬間發(fā)出“嘭”的一聲響，然后破裂的巖塊彈射出去，說(shuō)明完整的巖塊表現(xiàn)出脆彈性的性質(zhì)。因此這種破壞可視為由于巖塊所受荷載超過(guò)彈性極限，而發(fā)生的瞬間破壞。這種巖塊受加荷速率的影響較大，加荷速率越快，巖塊破壞時(shí)的強(qiáng)度就越低，彈射出去的距離就越近，并且在深部復(fù)雜環(huán)境下，這種巖體很容易產(chǎn)生巖爆。

（2）彎曲破壞。即破壞面不規(guī)則，但是又看不到明顯的節(jié)理裂隙面。此種巖塊內(nèi)部含有微小非貫通的微裂隙。根據(jù)格里菲斯理論，巖塊在受到單向荷載時(shí)，微裂隙的端部會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使微裂隙逐漸的擴(kuò)展，最后多個(gè)微裂隙面貫通，導(dǎo)致巖塊發(fā)生破壞。

（3）沿節(jié)理面彎曲破壞。即破壞面能表現(xiàn)出明顯的節(jié)理面，這種破壞的巖塊內(nèi)部含有一組或多組貫通或半貫通的節(jié)理裂隙面，在受到單向荷載時(shí)，很容易沿著裂隙面發(fā)生破裂致使整個(gè)巖塊發(fā)生破壞。因此，較低的荷載就能使巖塊發(fā)生破壞且破壞面不規(guī)則，出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)面。

4 結(jié) 論

本文對(duì)不同類(lèi)型的巖石進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，同一巖性的巖塊會(huì)發(fā)生不同形式的破壞，并且不同破壞方式的點(diǎn)荷載強(qiáng)度相差較大。因此，筆者得出以下結(jié)論和 建議：

（1）在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，一定要對(duì)破壞方式作詳細(xì)的記錄，不要盲目的就對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)求取平均值。

（2）破壞面有明顯裂隙的巖塊，點(diǎn)荷載強(qiáng)度較小，主要受到節(jié)理面發(fā)育程度的控制。建議這種試樣不作為判斷巖石強(qiáng)度的參數(shù)，最好也不要與其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合求平均值。這種破壞主要受到節(jié)理面的影響，并且節(jié)理面的貫通程度很大。

（3）破壞面平整的試驗(yàn)巖塊的強(qiáng)度可以作為巖石強(qiáng)度的參考，它主要代表完整巖塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。這與實(shí)驗(yàn)室單軸抗壓和單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)作對(duì)比，并且也結(jié)合破壞形式進(jìn)行強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算，這樣會(huì)使計(jì)算結(jié)果更為精確。

（4）破壞面不平整的試驗(yàn)巖塊可以結(jié)合工程地質(zhì)巖體，計(jì)算和判斷巖體的強(qiáng)度特性，當(dāng)然也可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的巖石強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析巖體的強(qiáng)度特性。

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(2018-11-14)

徐 飛(1988—),男,河南周口人,工程師,主要從事采礦技術(shù)、通風(fēng)、采礦地質(zhì)安全、采礦環(huán)境評(píng)價(jià)等工作, Email: ufei13@163.com。