淺析巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)的影響因素

劉華平

摘 要：在實(shí)際工作中，由于對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)評(píng)論是公路、鐵路等工程地質(zhì)勘察不可或缺的要素，因此采取巖石單軸壓縮試驗(yàn)這種最通用的試驗(yàn)方法，研究巖石變形，成為巖石力學(xué)問(wèn)題的重要內(nèi)容之一，這也對(duì)實(shí)際工程施工原料選擇起到一定的參考作用。這個(gè)問(wèn)題的研究由于操作起來(lái)比較方便，理論基礎(chǔ)比較明顯，所以被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐和各種科研工作中。作者試圖按照這個(gè)理論的思路，簡(jiǎn)單分析巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)的影響因素，進(jìn)而為相關(guān)科研和實(shí)際工程施工提供一些有參考價(jià)值的東西。

關(guān)鍵詞：巖石；單軸壓縮變形；影響

引言

巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)是檢驗(yàn)巖石抗壓承載力的一種試驗(yàn)，屬于物理試驗(yàn)的范疇。文章中提出的試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕怯没◢弾r、泥巖兩種規(guī)則形狀的巖石作為試樣，用單軸荷載來(lái)進(jìn)行壓力作用，來(lái)測(cè)定其縱向和橫向的變形量，進(jìn)而形成相應(yīng)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，得出彈性模量及泊松比。作者以花崗巖和泥巖兩種巖石為試驗(yàn)樣本，采取彈性模量試驗(yàn)對(duì)兩種巖石的受力變形等情況進(jìn)行對(duì)比和分析，來(lái)具體總結(jié)影響巖石壓縮變形試驗(yàn)的主要因素有哪些。

1 彈性模量的概念及其取值方法

1.1 彈性模量的概念

彈性理論是以應(yīng)力、應(yīng)變的線性關(guān)系為基礎(chǔ)的一種理論，其中應(yīng)力與應(yīng)變之比就是彈性模量，從力學(xué)角度來(lái)看它表示巖石材料的堅(jiān)硬程度，更具體地來(lái)說(shuō)是指巖石材料在壓縮或拉伸時(shí)，材料對(duì)彈性變形的抵抗能力，這是在本類試驗(yàn)中應(yīng)用的重要基礎(chǔ)理論和概念。

1.2 巖石彈性模量的取值方法

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》，巖石彈性模量的取值方法主要是割線彈性模量及泊松比的取值方法，以抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的變形量為基礎(chǔ)，在縱向應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的原點(diǎn)與應(yīng)力相應(yīng)于極限抗壓強(qiáng)度50%處的應(yīng)力點(diǎn)的連線，其斜率為割線模量，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值就是泊松比。一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際工作中，大多數(shù)巖石這個(gè)應(yīng)力水平下仍處于彈性范圍內(nèi)，很少出現(xiàn)細(xì)微裂縫擴(kuò)展乃至斷裂破碎等現(xiàn)象。

2 影響巖石彈性模量的主要因素

2.1 構(gòu)成巖石的礦物及巖石物理性質(zhì)的影響

巖石是礦物的物理形態(tài)之一，是由一種或幾種造巖礦物按一定方式結(jié)合的天然集合體。巖石彈性模量的大小，主要受到礦物的硬度分布形式、結(jié)晶方式以及孔隙大小和分布方向等多種因素的影響。舉例說(shuō)明它在這方面的特性，即巖石的質(zhì)地越堅(jiān)硬，礦物分布越均勻，孔隙越小，其巖石的抗壓強(qiáng)度就越大，其彈性模量就越小，泊松比就愈小。文章主要以花崗巖及泥巖兩種不同巖性的巖石為例，作為本次試驗(yàn)的試樣，來(lái)分析這兩種不同巖性的巖石對(duì)彈性模量試驗(yàn)的各種影響關(guān)系。

2.1.1 花崗巖的巖性在彈性模量試驗(yàn)中的作用

本試驗(yàn)的樣品采用廣州市軌道交通四號(hào)線折返線詳勘工程中的一塊花崗巖，試驗(yàn)人員將其制成天然狀態(tài)下的三塊標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行彈性模量試驗(yàn)，試驗(yàn)品的樣編號(hào)為MDZ3-HHD2-7Y，其取樣深度為地下20.6～21.50m。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出，由于花崗巖這類巖石雖然巖質(zhì)較為致密，含晶質(zhì)粒狀結(jié)構(gòu)，孔隙率也較小，塊狀構(gòu)造，花崗巖的變形模量越大，其泊松比越小。但是試驗(yàn)樣品的構(gòu)成質(zhì)地存在一些不確定因素，具體地說(shuō)就是含有一些影響試驗(yàn)結(jié)果的成分，組成花崗巖的巖石礦物不僅含有一定量的黑色云母，而且由于集合嵌布在微結(jié)晶中，具有這些排列方向不規(guī)則的片狀晶體以及部分非結(jié)晶的二氧化硅。加之有些長(zhǎng)石又具有一定的節(jié)理面，花崗巖的抗壓荷載能力直接受到這些巖石礦物的特性及巖性的影響，使試樣結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生壓密的作用，發(fā)生了不可復(fù)原的塑性變形，從而影響彈性模量試驗(yàn)的取值。

2.1.2 泥巖的巖性在彈性模量試驗(yàn)中的作用

本試驗(yàn)以一塊粉沙質(zhì)泥巖作為采用的樣品，試驗(yàn)人員將其制成天然狀態(tài)下的三塊標(biāo)準(zhǔn)試件。通過(guò)試驗(yàn)證明，由于泥巖和花崗巖兩類不同巖性的巖石礦物成分、層理結(jié)構(gòu)與構(gòu)造以及相關(guān)的物理性質(zhì)各有不同，泥巖的主要成分是粘土礦物，質(zhì)地細(xì)密而土質(zhì)松軟，孔隙較大，層理節(jié)理面較多，這些因素直接影響其抗壓破壞荷載值的大小，可以看出泥巖彈性模量的數(shù)值明顯低于花崗巖，泥巖抗壓強(qiáng)度值明顯低于花崗巖的抗壓強(qiáng)度值，花崗巖的彈性模量值明顯大于泥巖的彈性模量值，而花崗巖的泊松比值應(yīng)小于泥巖的泊松比值。

2.2 電阻應(yīng)變片粘貼的影響

2.2.1 對(duì)于礫石類的較堅(jiān)硬的巖石，巖石礦物的結(jié)構(gòu)為礫粒或較硬的晶體及斑晶，有些裂隙不僅在試樣的表面同時(shí)也在人們?nèi)庋鄄荒懿煊X(jué)的巖石內(nèi)部，如果試驗(yàn)時(shí)電阻應(yīng)變片正好粘貼在內(nèi)部裂隙的表面，在變形試驗(yàn)過(guò)程中，這些內(nèi)部裂隙及外部礫粒等使樣品的容易形成剪切破壞，其抗壓強(qiáng)度值會(huì)明顯偏低，直接影響彈性模量的取值和測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使測(cè)試結(jié)果有所偏差。因此，在一般的實(shí)驗(yàn)室彈模試驗(yàn)中，礫巖類較堅(jiān)硬的巖石不采用電阻應(yīng)變儀方法進(jìn)行變行試驗(yàn)，而是采用千分表法。

2.2.2 對(duì)于泥質(zhì)巖，泥灰?guī)r等泥質(zhì)巖石，其在天然狀態(tài)下較為濕潮，樣品表面含有較多水分，質(zhì)地較為松散，孔隙較大，這種情況下電阻應(yīng)變片的粘貼較為不易，容易造成電阻應(yīng)變片粘貼不牢而脫落，直接影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，這類巖石樣品試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行防潮處理，再進(jìn)行電阻應(yīng)變片的粘貼。

2.3 試樣不同狀態(tài)的影響

同一組巖石，其在天然含水狀態(tài)，飽和狀態(tài)風(fēng)干狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度值都有所不同，一般情況下，巖石的風(fēng)干狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度值>飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度值>天然含水狀態(tài)抗壓強(qiáng)度值。在壓縮變形試驗(yàn)中，其割線模量又是按照抗壓強(qiáng)度值的50%的變形量作為基礎(chǔ)來(lái)確定的，因此巖石在不同的試驗(yàn)狀態(tài)下對(duì)壓縮變形的結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3 結(jié)論

不同巖石礦物及物理性質(zhì)的巖石在彈性模量試驗(yàn)中數(shù)據(jù)有明顯差異，其彈性模量與泊松比相互影響。花崗巖的抗壓強(qiáng)度值越大，其變形模量越大，其泊松反而越小；泥巖抗壓強(qiáng)度值明顯低于花崗巖的抗壓強(qiáng)度值，花崗巖的彈性模量值一般情況下明顯大于泥巖的彈性模量值，彈性模量值越大，其泊松比值反而越來(lái)越小，花崗巖的泊松比值應(yīng)小于泥巖的泊松比值。

對(duì)于礫巖類較堅(jiān)硬的巖石不建議采用電阻應(yīng)變儀方法進(jìn)行彈模試驗(yàn)，而應(yīng)采用千分表法。對(duì)于泥質(zhì)巖，泥灰?guī)r等泥質(zhì)巖石試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行防潮處理，再進(jìn)行電阻應(yīng)變片的粘貼，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

試樣的不同狀態(tài)（天然、飽和、風(fēng)干）也會(huì)對(duì)壓縮變形的結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)是一個(gè)實(shí)用意義非常強(qiáng)的試驗(yàn)，同時(shí)也容易受到試樣等一些因素的影響。通過(guò)采用花崗巖、泥巖兩種試樣來(lái)進(jìn)行這個(gè)試驗(yàn)，需要一系列科學(xué)的理論依據(jù)和方法，試驗(yàn)結(jié)論可以反映兩種巖石的物理特性，同時(shí)通過(guò)兩種巖石的物理特性也可以分析影響這個(gè)試驗(yàn)的一些重要因素是什么。此外，通過(guò)試驗(yàn)，我們可以了解到不同狀態(tài)的同一種巖石作為試樣，也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。如何在合理的條件下進(jìn)行這種試驗(yàn)，使之與實(shí)際施工條件相吻合，將對(duì)交通道路燈工程的施工產(chǎn)生一定的積極作用。

參考文獻(xiàn)

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