淺析巖石單軸壓縮變形試驗的影響因素

劉華平

摘 要：在實際工作中，由于對巖石力學(xué)性質(zhì)評論是公路、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這種最通用的試驗方法，研究巖石變形，成為巖石力學(xué)問題的重要內(nèi)容之一，這也對實際工程施工原料選擇起到一定的參考作用。這個問題的研究由于操作起來比較方便，理論基礎(chǔ)比較明顯，所以被廣泛應(yīng)用于工程實踐和各種科研工作中。作者試圖按照這個理論的思路，簡單分析巖石單軸壓縮變形試驗的影響因素，進(jìn)而為相關(guān)科研和實際工程施工提供一些有參考價值的東西。

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是檢驗巖石抗壓承載力的一種試驗，屬于物理試驗的范疇。文章中提出的試驗?zāi)Ｐ椭饕怯没◢弾r、泥巖兩種規(guī)則形狀的巖石作為試樣，用單軸荷載來進(jìn)行壓力作用，來測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樣本，采取彈性模量試驗對兩種巖石的受力變形等情況進(jìn)行對比和分析，來具體總結(jié)影響巖石壓縮變形試驗的主要因素有哪些。

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)角度來看它表示巖石材料的堅硬程度，更具體地來說是指巖石材料在壓縮或拉伸時，材料對彈性變形的抵抗能力，這是在本類試驗中應(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)國際巖石力學(xué)學(xué)會實驗室和現(xiàn)場試驗標(biāo)準(zhǔn)化委員會的《巖石力學(xué)試驗建議方法》，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，以抗壓強度50%時的變形量為基礎(chǔ)，在縱向應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的原點與應(yīng)力相應(yīng)于極限抗壓強度50%處的應(yīng)力點的連線，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。一般來說，在實際工作中，大多數(shù)巖石這個應(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。舉例說明它在這方面的特性，即巖石的質(zhì)地越堅硬，礦物分布越均勻，孔隙越小，其巖石的抗壓強度就越大，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，作為本次試驗的試樣，來分析這兩種不同巖性的巖石對彈性模量試驗的各種影響關(guān)系。

2.1.1 花崗巖的巖性在彈性模量試驗中的作用

本試驗的樣品采用廣州市軌道交通四號線折返線詳勘工程中的一塊花崗巖，試驗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，試驗品的樣編號為MDZ3-HHD2-7Y，其取樣深度為地下20.6～21.50m。通過實驗可以得出，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。但是試驗樣品的構(gòu)成質(zhì)地存在一些不確定因素，具體地說就是含有一些影響試驗結(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的取值。

2.1.2 泥巖的巖性在彈性模量試驗中的作用

本試驗以一塊粉沙質(zhì)泥巖作為采用的樣品，試驗人員將其制成天然狀態(tài)下的三塊標(biāo)準(zhǔn)試件。通過試驗證明，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，泥巖抗壓強度值明顯低于花崗巖的抗壓強度值，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 對于礫石類的較堅硬的巖石，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也在人們?nèi)庋鄄荒懿煊X的巖石內(nèi)部，如果試驗時電阻應(yīng)變片正好粘貼在內(nèi)部裂隙的表面，在變形試驗過程中，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，其抗壓強度值會明顯偏低，直接影響彈性模量的取值和測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使測試結(jié)果有所偏差。因此，在一般的實驗室彈模試驗中，礫巖類較堅硬的巖石不采用電阻應(yīng)變儀方法進(jìn)行變行試驗，而是采用千分表法。

2.2.2 對于泥質(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，直接影響實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，這類巖石樣品試驗前應(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)的抗壓強度值>飽和狀態(tài)抗壓強度值>天然含水狀態(tài)抗壓強度值。在壓縮變形試驗中，其割線模量又是按照抗壓強度值的50%的變形量作為基礎(chǔ)來確定的，因此巖石在不同的試驗狀態(tài)下對壓縮變形的結(jié)果也會產(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。花崗巖的抗壓強度值越大，其變形模量越大，其泊松反而越小；泥巖抗壓強度值明顯低于花崗巖的抗壓強度值，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越小，花崗巖的泊松比值應(yīng)小于泥巖的泊松比值。

對于礫巖類較堅硬的巖石不建議采用電阻應(yīng)變儀方法進(jìn)行彈模試驗，而應(yīng)采用千分表法。對于泥質(zhì)巖，泥灰?guī)r等泥質(zhì)巖石試驗前應(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）也會對壓縮變形的結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

巖石單軸壓縮變形試驗是一個實用意義非常強的試驗，同時也容易受到試樣等一些因素的影響。通過采用花崗巖、泥巖兩種試樣來進(jìn)行這個試驗，需要一系列科學(xué)的理論依據(jù)和方法，試驗結(jié)論可以反映兩種巖石的物理特性，同時通過兩種巖石的物理特性也可以分析影響這個試驗的一些重要因素是什么。此外，通過試驗，我們可以了解到不同狀態(tài)的同一種巖石作為試樣，也會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。如何在合理的條件下進(jìn)行這種試驗，使之與實際施工條件相吻合，將對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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