重慶幾種典型沉積巖單軸壓縮變形試驗(yàn)的變形機(jī)理分析

張春玲 何姿霖

摘要：隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模越來越大，道路交通和高層建筑成為城市發(fā)展的評(píng)估指標(biāo)，為了保證工程的總體質(zhì)量和安全，巖石的力學(xué)試驗(yàn)尤為重要，巖石的物理和力學(xué)性指標(biāo)參數(shù)作為巖土工程勘察報(bào)告的重要依據(jù)，是諸多的工程建設(shè)和設(shè)計(jì)中的作重要參考指標(biāo)，本文就不同巖石及不同規(guī)范的巖石變形試驗(yàn)作簡(jiǎn)要的分析探討。

關(guān)鍵詞：巖石單軸壓縮變形;變形模量;泊松比;變形機(jī)理

巖石力學(xué)是研究巖石（體）在各種外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力變形和破壞規(guī)律的一門學(xué)科。巖石變形的研究是巖石力學(xué)問題的重要內(nèi)容之一，是公路、鐵路、水電、城市建筑等工程地質(zhì)勘察中對(duì)巖石力（體）工程地質(zhì)性質(zhì)評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。單軸壓縮變形試驗(yàn)是測(cè)定規(guī)則形狀的巖石試樣在單軸荷載作用下的縱向和橫向的變形量，繪制出相應(yīng)的應(yīng)力～應(yīng)變曲線，從而求出變形模量及泊松比。本文主要通過對(duì)泥巖、砂巖、灰?guī)r在變形模量試驗(yàn)中的對(duì)比試驗(yàn)，初步分析影響巖石單軸壓縮變形的主要因素，進(jìn)一步改善室內(nèi)變形模量試驗(yàn)工作。

1 單軸壓縮變形及彈性模量的概念

巖石的變形是指巖石在外荷載作用下，內(nèi)部顆粒間相對(duì)位置 變化而產(chǎn)生變形大小的變化，包括彈性變形和塑性變形，表征巖石變形性質(zhì)的基本指標(biāo)有兩個(gè)：彈性模量和泊松比。巖石彈性模量是指試樣在單向壓縮條件下，壓應(yīng)力與縱向應(yīng)變之比。包括初始彈性模量、切線彈性模量、割線彈性模量。其中切線彈性模量即是我們常說的彈性模量，割線彈性模量又稱變形模量。

室內(nèi)變形試驗(yàn)方法因測(cè)量的儀表不同，主要有兩種：電阻應(yīng)變儀法、千分表法。千分表法用得最為廣泛。

2 巖石軸向應(yīng)力～應(yīng)變曲線的基本形狀及變形機(jī)理

（一）峰值前變形階段及變形機(jī)理

峰值變形前軸向應(yīng)力～應(yīng)變曲線有四個(gè)基本類型：直線型、下凹型、上凹型、S型。

當(dāng)軸向應(yīng)力～應(yīng)變曲線呈直線型時(shí)，彈性模量E=δ/ε（公式中E為彈性模量δ為壓應(yīng)力ε為軸向應(yīng)變）。當(dāng)軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線不呈直線型時(shí)，有三種模量：初始彈性模量E初=、切線彈性模量E切=、割線彈性模量E割=δm/εm。

峰值前的變形機(jī)理巖石是礦物的天然結(jié)合體，大多數(shù)巖石是由一種或幾種造巖礦物按一定方式結(jié)合而成的，其中礦物的硬度分布形式、結(jié)晶方式及孔隙率的大小和分布方向直接影響巖石變形模量的大小。巖石由于成分、結(jié)構(gòu)不同.其變形機(jī)理大致可以歸納為三種類型：（1）以裂紋行為為主導(dǎo)的變形：巖石軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈S型的，一些中～粗粒結(jié)構(gòu)的巖石，如花崗巖、大理巖、砂巖等;（2）以彈性變形為主的變形：巖石軸向應(yīng)力～應(yīng)變曲線呈直線型的，一些結(jié)構(gòu)致密、巖性堅(jiān)硬的巖石，如石英巖、玄武巖、硅質(zhì)灰?guī)r等;（3）以塑性變形為主的變形：巖石軸向應(yīng)力～應(yīng)變曲線呈下凹型的，一些結(jié)構(gòu)不夠致密、巖性軟弱的巖石，如巖鹽、泥巖、頁巖等。

（二）峰值后變形階段

根據(jù)峰值后的變形曲線（荷載～位移曲線），巖石峰值后變形、破壞發(fā)展的方式可分為兩種類型。

（1）試樣峰值后的荷載～位移曲線呈不光滑循環(huán)反坡型，試樣在峰值后所儲(chǔ)存的變形能不能使破裂繼續(xù)擴(kuò)展，只有對(duì)試樣做功才能使試樣進(jìn)一步破裂。一般情況較軟的巖石，如泥巖、頁巖、砂巖、等往往呈這種變形、破壞形式。

（2）試樣峰值后的荷載～位移曲線呈光滑遞減的反坡型，試樣在峰值后所儲(chǔ)存的變形能使破裂繼續(xù)擴(kuò)展，盡管不對(duì)試樣做功一樣使試樣進(jìn)一步繼續(xù)破裂。一般情況脆而堅(jiān)硬的巖石，如花崗巖、灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖等往往呈這種變形、破壞形式。

3 不同巖性巖石的變形模量的對(duì)比

3.1同一組巖石，其在天然、飽和、烘干狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度有所不同，一般情況下烘干抗壓強(qiáng)度值>天然抗壓強(qiáng)度值>飽和抗壓強(qiáng)度值。在單軸壓縮變形試驗(yàn)中，其割線彈性模量又是按單軸抗壓強(qiáng)度的50%的變形模量作為基礎(chǔ)確定的，所以割線彈性模量（變形模量）E50烘干> E50天然>E50飽和。因此巖石在不同的含水狀態(tài)下對(duì)壓縮變形的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。

3.2礦物成分和結(jié)構(gòu)特征不同巖石，其在天然的單軸抗壓強(qiáng)度有所不同，一般情況下均勻致密單軸抗壓強(qiáng)度值高的巖石變形模量大，泊松比小。

4 結(jié)語

單軸壓縮變形試驗(yàn)是巖石試驗(yàn)的重要指標(biāo)，巖石的物理和力學(xué)性成果指標(biāo)往往作為巖土工程勘察報(bào)告的重要依據(jù)，是諸多的工程建設(shè)和設(shè)計(jì)參考指標(biāo)，其試驗(yàn)的質(zhì)量和結(jié)果直接影響著建設(shè)工程的總體質(zhì)量和安全。單軸壓縮變形指標(biāo)是評(píng)價(jià)工程巖體變形的重要指標(biāo)。

參考資料：

[1]黃祖基，《工程巖土學(xué)》，成都地質(zhì)學(xué)院，1987.

[2]李智毅，《工程地質(zhì)學(xué)概論》，成都理工大學(xué)，2002.

[3]李元松，《高等巖土力學(xué)》，武漢大學(xué)出版社，2013.

（作者單位：重慶巖土工程檢測(cè)中心有限公司）