巖石的變形特性及試驗(yàn)方法探究

摘要：文章首先分析了巖石在外力作用下的變形特性及變形階段，然后介紹了目前室內(nèi)測(cè)定巖石變形的試驗(yàn)方法，并講述了變形參數(shù)的確定方法，最后探索了改進(jìn)巖石變形試驗(yàn)的途徑。

關(guān)鍵詞：巖石；變形特性；試驗(yàn)方法；變形參數(shù)；工程巖體；建筑物失穩(wěn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：P641 文章編號(hào)：1009-2374（2015）12-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.076

巖石的變形特性是指巖石在外力作用下巖石中的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系特性，它是影響建筑物穩(wěn)定的重要因素。巖石在較小的力的作用下首先發(fā)生變形，變形量隨作用力增大而增大，當(dāng)作用力和變形量超過(guò)一定的限度后就會(huì)發(fā)生破壞，在作用力不斷增大的過(guò)程中，巖石的變形和破壞是一個(gè)統(tǒng)一的、連續(xù)的過(guò)程。工程巖體如果變形過(guò)大就會(huì)導(dǎo)致上面的建筑物失穩(wěn)危及安全，因此工程勘察期間必須獲得可靠的變形參數(shù)，才能據(jù)此在施工時(shí)采取適當(dāng)措施防止其對(duì)工程的影響，保證建筑物的安全。下面分別從巖石的變形特性、變形階段和試驗(yàn)方法等方面進(jìn)行探究。

1 巖石變形的特性

巖石的變形性質(zhì)通常用應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示，它通過(guò)測(cè)量巖石試樣受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系得到。由于巖石的組成成分及其結(jié)構(gòu)與構(gòu)造比較復(fù)雜，所以巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也比較復(fù)雜，巖石變形過(guò)程中表現(xiàn)出彈性、塑性、黏性、脆性和延性等性質(zhì)。

1.1 彈性

在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，物體受外力作用產(chǎn)生變形，去除外力后能夠立即恢復(fù)原狀的性質(zhì)，這種變形稱(chēng)為彈性變形。

1.2 塑性

物體受外力作用后發(fā)生變形，去除外力后不能完全恢復(fù)原狀的性質(zhì)，這種變形稱(chēng)為塑性變形或永久變形。

1.3 黏性

物體在外力作用下變形不能立刻完成，應(yīng)變速率隨應(yīng)力增大而增大的性質(zhì)，這種變形稱(chēng)為流動(dòng)變形。

1.4 脆性

物體受力后，變形很小時(shí)就發(fā)生破裂的性質(zhì)。

1.5 延性

物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的

性質(zhì)。

另外，巖石的變形和破壞的性質(zhì)還會(huì)隨著受力狀態(tài)的變化而變化。巖石在三向受力狀態(tài)下與單向受力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有很大的區(qū)別，隨著圍壓增大，三向抗壓強(qiáng)度增加，峰值變形增加，彈性極限增加，巖石由彈脆性向彈塑性、應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變。

2 巖石變形的階段

根據(jù)單向無(wú)側(cè)限逐級(jí)維持荷載法應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線曲率的變化，可將巖石變形過(guò)程劃分為四個(gè)階段：

2.1 孔隙裂隙壓密階段

巖石中原有的微裂隙逐漸被壓密，曲線呈上凹形，巖石變形多為塑性變形，曲線斜率隨應(yīng)力增大而逐漸增大，表示微裂隙的變化開(kāi)始較快，隨后逐漸減慢，對(duì)于微裂隙發(fā)育的巖石，本階段較明顯，但致密堅(jiān)硬的巖石很難劃出這個(gè)階段，此階段末點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為壓密極限強(qiáng)度。

2.2 彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段

巖石中的微裂隙進(jìn)一步閉合，孔隙被壓縮，原有裂隙基本上沒(méi)有新的發(fā)展，也沒(méi)有產(chǎn)生新的裂隙，應(yīng)力與應(yīng)變基本上呈線性關(guān)系，曲線近于直線，巖石變形以彈性為主。此階段末點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為彈性極限強(qiáng)度。

2.3 塑性變形至破壞峰值階段

當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限強(qiáng)度后，巖石中產(chǎn)生新的裂隙，同時(shí)已有裂隙也有新的發(fā)展，應(yīng)變的增加速率超過(guò)應(yīng)力的增加速率，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率逐漸降低呈下凹形，體積變形由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹，隨著應(yīng)力增加裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，巖石局部破損，且破損范圍逐漸擴(kuò)大形成貫通的破裂面，導(dǎo)致巖石破壞，巖石變形不再恢復(fù)，此段末點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)單軸極限抗壓強(qiáng)度。

2.4 破壞后峰值跌落階段至殘余強(qiáng)度階段

巖石破壞后，經(jīng)過(guò)較大的變形，應(yīng)力下降到一定程度開(kāi)始保持常數(shù)，此段末端對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為殘余強(qiáng)度。

3 巖石變形的試驗(yàn)方法

3.1 單軸壓縮變形試驗(yàn)

這是室內(nèi)測(cè)定巖石變形參數(shù)最常用的方法，是指試件在軸向壓力下產(chǎn)生軸向壓縮、橫向膨脹，最后導(dǎo)致破壞的試驗(yàn)。適用于能制成圓柱體（高徑比2～2.5∶1）試件的各類(lèi)巖石，可在不同含水狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，同一含水狀態(tài)下每組試件應(yīng)為3個(gè)。可采用電阻應(yīng)變片法或千分表法，堅(jiān)硬和較堅(jiān)硬的巖石宜采用電阻應(yīng)變片法，較軟巖和軟巖宜采用千分表法。一般采用一次連續(xù)加載法或逐級(jí)一次循環(huán)法，最大循環(huán)載荷為預(yù)估極限載荷的50%，試驗(yàn)時(shí)以每秒0.5～1.0MPa的速度逐級(jí)加載，施加一級(jí)載荷后立即測(cè)讀相應(yīng)載荷下的縱向和橫向變形值，一分鐘后再讀一次，再施加下一級(jí)載荷，讀數(shù)不少于10組。用電阻應(yīng)變片法時(shí)軸向或徑向的應(yīng)變片的數(shù)量可采用2片或4片且應(yīng)牢固地貼在試件上；用千分表法時(shí)軸向和徑向的千分表各采用2只或4只且應(yīng)分別安裝在試件直徑的對(duì)稱(chēng)位置上。測(cè)試完成后根據(jù)測(cè)得的應(yīng)力和應(yīng)變值繪制應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，可分別計(jì)算巖石的彈性模量、變形模量和泊松比等變形參數(shù)。

3.2 三軸壓縮變形試驗(yàn)

這是室內(nèi)測(cè)定巖石變形參數(shù)較少用的方法，一般在測(cè)定三軸壓縮強(qiáng)度的同時(shí)測(cè)讀三軸壓縮變形數(shù)據(jù)。適用于能制成圓柱體試件的各類(lèi)巖石（高徑比2～2.5∶1），同一含水狀態(tài)下每組不少于5個(gè)試件，5個(gè)試件分別在5級(jí)（一般按等差數(shù)列來(lái)分）不同的側(cè)壓下做試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將巖石試件放在密閉容器內(nèi)，先以每秒0.05MPa的速度同步施加側(cè)壓和軸壓至預(yù)定的側(cè)壓值，并在試驗(yàn)過(guò)程中保持不變，再以每秒0.5～1.0MPa的速度連續(xù)施加軸向荷載，直至試件破壞。在加壓過(guò)程中同時(shí)測(cè)定不同荷載下的軸向變形值，每個(gè)試件測(cè)值不少于10組。測(cè)試完成后繪制軸向與側(cè)向應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，可根據(jù)需要分別計(jì)算彈性模量、變形模量等三軸壓縮變形參數(shù)。

4 巖石變形參數(shù)的確定

4.1 彈性模量

應(yīng)力應(yīng)變曲線上直線段的斜率，對(duì)同一巖石在極限彈性范圍內(nèi)接近常數(shù)，反映的是巖石在彈性變形范圍內(nèi)的平均彈性模量，是最常用的變形參數(shù)。

4.2 割線模量（變形模量）

應(yīng)力應(yīng)變曲線上任意一點(diǎn)與原點(diǎn)的連線的斜率，工程勘察通常取抗壓強(qiáng)度50%處的點(diǎn)來(lái)計(jì)算，也叫割線彈性模量。

4.3 泊松比

應(yīng)力應(yīng)變曲線上任意一點(diǎn)橫向應(yīng)變跟縱向應(yīng)變的比值，對(duì)同一巖石在極限彈性范圍內(nèi)接近常數(shù)，工程勘察通常用抗壓強(qiáng)度50%處的點(diǎn)來(lái)計(jì)算，反映的是巖石在彈性變形范圍內(nèi)的平均泊松比，這也是常用的變形參數(shù)。

4.4 初始模量

應(yīng)力應(yīng)變曲線在原點(diǎn)處的切線的斜率。

4.5 切線模量

應(yīng)力應(yīng)變曲線上任意一點(diǎn)的切線的斜率。

5 巖石變形試驗(yàn)的改進(jìn)

在普通柔性試驗(yàn)機(jī)上做巖石壓縮試驗(yàn)時(shí)，絕大多數(shù)試件破壞時(shí)突然崩潰、碎塊四射，只能測(cè)得峰值前的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，無(wú)法記錄下峰值后的情況，其根本原因是試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，為了獲得包括峰值后變形在內(nèi)的全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變曲線，就需要提高試驗(yàn)機(jī)的剛度，同時(shí)降低巖石試件的剛度。這可從以下四個(gè)方面來(lái)改進(jìn)：（1）增加鋼架構(gòu)的截面積并減小其長(zhǎng)度；（2）增加液壓柱的截面積并減小其長(zhǎng)度；（3）減小巖石試件的截面積并增加其長(zhǎng)度；（4）增加伺服控制系統(tǒng)，控制巖石變形速度恒定。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，巖石的變形特性雖然很復(fù)雜，但在實(shí)際工程中，建筑物作用于巖石的應(yīng)力遠(yuǎn)低于單軸極限抗壓強(qiáng)度，巖石所處變形多為彈性變形狀態(tài)，因此可在一定程度上將巖石看作準(zhǔn)彈性體，用彈性模量來(lái)表示其變形特征，一般只需測(cè)定抗壓強(qiáng)度50%處的彈性模量和泊松比就可以了。另外在彈性極限壓力之內(nèi)單軸壓縮變形和三軸壓縮變形試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)值基本接近，而單軸壓縮試驗(yàn)更簡(jiǎn)單易行，故一般采用單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)測(cè)定巖石的變形指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：馬玉華（1969-），女，重慶人，供職于重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，研究方向：巖土測(cè)試。

（責(zé)任編輯：陳 倩）