巖石強度尺寸效應研究現狀及展望★

杜 彬

(江蘇建筑職業技術學院,江蘇 徐州 221116)

巖石強度尺寸效應研究現狀及展望★

杜 彬

(江蘇建筑職業技術學院,江蘇 徐州 221116)

在總結大量文獻的基礎上，對巖石靜態與動態強度尺寸效應的研究現狀進行了總結，提出了現階段研究存在的問題，并對巖石強度尺寸效應方面的發展趨勢進行了展望，可為相關領域的研究提供一定參考。

巖石強度,尺寸效應,研究現狀

0 引言

尺寸效應是指材料力學性能隨幾何尺寸變化而發生變化的一種性質[1]。然而，在實驗室獲得的試驗數據大多是巖塊的力學參數，如果將這些參數直接用于評估實際巖體的穩定性，結果是偏于不安全的。如果簡單地采用平均值或者工程類比得到相關力學性能參數，這會對實際工程的設計與施工帶來一定的不確定性與危險性。因此，如何用巖塊的強度來準確估計實際巖體的強度，為實際工程提供可靠的理論技術支持是一個迫切需要解決的問題，這就關系到巖石強度的尺寸效應問題。自20世紀30年代以來，眾多學者從試樣的橫截面(直徑或者邊長)及長徑比兩個角度，開展了大量有關尺寸效應的試驗及理論研究，總結出許多有價值的規律，為巖石力學的發展做出很大的貢獻。

1 巖石靜態強度尺寸效應

1.1尺寸效應的形成機制

Weibull經典統計尺寸效應理論認為，大型結構中存在的許多低強度的材料小單元是產生尺寸效應的根本原因。基于能量釋放準則的尺寸效應理論認為，裂紋的形成與發展帶來的能量變化是導致尺寸效應形成的重要因素。基于這兩個最具代表性的理論，許多學者借助實驗與數值分析等方法闡述了尺寸效應的形成機制。

尤明慶等[2]將巖石強度離散性與尺寸效應綜合考慮，認為材料非均質性對尺寸效應有明確的影響；楊圣奇等[3]認為端部摩擦效應是巖石強度尺寸效應形成的原因，而不是非均質性；張后全等[4]分析了巖石材料的尺度效應及其影響因素指出巖石材料的尺度效應根源于材料的非均勻性；孫超等[5]通過離散元數值計算證實了端部約束是試樣單軸抗壓強度尺寸效應的原因之一，無端部約束時尺寸效應消失。

1.2試驗研究

劉寶琛等[6]在總結7種巖石力學巖石抗壓強度基礎上，提出一種巖石強度隨尺寸變化的指數型衰減函數形式經驗公式；李建林等[7]通過物理仿真模擬試驗方法研究了卸荷巖體的尺寸效應問題，研究表明，巖體物理力學參數隨尺寸的增大而降低；朱珍德等[8]對不同長徑比的大理巖及灰巖進行單軸壓縮試驗，證實了脆性巖石抗壓強度隨長徑比增大而減小的規律，并基于灰色預測模型建立了單軸抗壓強度與長徑比的非線性關系式；陳瑜等[9]對不同長徑比的貧礦和白云石大理巖的強度與變形尺寸效應進行了試驗研究，并對尺寸效應的機理進行了分析；王青元等[10]通過單軸壓縮蠕變試驗，分析了綠砂巖長期強度的尺寸效應，研究發現，巖石長期強度隨試樣尺寸的增大而逐漸減小，最后穩定在一個特性值附近；蘇海健等[11]基于不同溫度與不同厚度紅砂巖的巴西劈裂試驗，探討了溫度和巖樣尺寸對抗拉強度的影響；鄧華鋒等[12]基于不同厚徑比的砂巖圓盤劈裂抗拉試驗，發現巖樣的抗拉強度隨厚徑比的增大而減小；孟慶彬等[13]分析了巖石強度、變形、聲發射特征等參數隨試樣尺寸的變化規律，探討了能量與試樣尺寸的內在聯系。

1.3理論模型研究

梁昌玉等[14]從能量的角度對中低應變率加載條件下巖石強度的尺寸效應進行定量研究；何滿潮等[15]建立了工程巖體的連續性概化模型，探討了工程巖體力學參數的尺寸效應；王學濱等[16]建立了單軸受壓巖石試件尺寸效應的塑性剪切應變梯度，并認為局部化是尺寸效應形成的原因；楊圣奇等[3]對巖石強度和變形的尺寸效應進行了探討，提出了大理巖材料尺寸效應的理論模型；梁正召等[17]通過建立試樣尺度隨機概率模型與包含隨機分布節理的巖體尺度模型，為巖石細觀—宏觀力學參數計算架設了橋梁；靖洪文等[18]通過PFC數值軟件，對損傷巖樣的單軸強度衰減尺寸效應進行研究，并提出單軸強度衰減的理論模型；張明等[19]結合體積和材質因素，在最弱鏈模型和缺陷的Poisson分布假設的基礎上，建立了準脆性材料強度尺寸效應的統計模型和一般表達式。

2 巖石動態強度尺寸效應

煤礦鑿巖、巷道掘進、硐室開挖等工程中的機械擾動和爆破沖擊，以及沖擊地壓、巖爆和礦震等動力災害都將產生沖擊荷載，這些動力擾動是導致采場和巷道圍巖局部失穩的重要誘因。因此，深入了解巖石在動載作用下的力學性能及損傷演化機理具有重要意義。巖石材料結構受到沖擊荷載作用所表現的動態力學性能與靜力特性存在顯著差異，很多學者利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置從波形、沖擊強度、應變率、能量耗散、破壞準則、本構關系等方面對巖石的動力特性進行了系統的試驗研究，取得了許多重要成果，但是對巖石強度的尺寸效應研究的較少，主要研究成果如下：

李夕兵等[20]對直徑相同、長徑比不同的石灰巖進行SHPB試驗，獲得了巖石破碎強度與長徑比的變化規律；高科[21]通過數值模擬分析了SHPB桿徑、試件長徑比與試樣應變率的關系，研究結果證實了桿徑、試件長度、試件長徑比與試件應變率呈反比這一事實；杜晶[22]通過對不同長徑比砂巖試樣進行沖擊動力學試驗，發現巖石動態強度隨試件長徑比的增大而增大；洪亮[23]通過對不同尺寸巖石進行SHPB試驗，發現隨著試件尺寸的增大，巖石動態強度逐漸提高，與靜載條件下巖石強度的尺寸效應相反；雷繼轅[24]基于動態條件下砂巖的單軸抗壓試驗，發現單軸抗壓強度隨尺寸的增加而增加，且尺寸效應隨應變率的提高而越發顯著。

3 存在問題及展望

本文對目前巖石靜態與動態強度尺寸效應已取得的若干成果進行了介紹，但是仍有一些問題亟待解決，主要表現為：

1)巖石靜態強度的尺寸效應已被學術界和工程界普遍認同，而對巖石動態力學性能的尺寸效應研究的較少，學術界仍沒有達成統一的共識。因此，為了解決工程上巖體動力學問題，需要加大對巖石動態強度尺寸效應的研究。

2)上述對于巖石尺寸效應的研究大多基于天然干燥試樣，考慮的影響因素較為單一，雖然有些學者們對高溫、凍融、含水飽和、干濕循環等影響下巖土體的力學性能變化、劣化機理等進行了研究，但是在上述影響條件下，巖石的尺寸效應是否發生變化仍需要進一步研究，這決定著在實驗室獲得的物理力學性能參數能否準確用于實際工程巖體穩定性的安全評估。

3)眾多學者從試樣的橫截面(直徑或者邊長)及長徑比兩個角度，開展了大量有關尺寸效應的試驗及理論研究，由于控制因素不同，得出的結論可能會存在偏差，滿足不了實際工程的需求。因此，為了更加有針對性地研究巖石強度的尺寸效應，需要對這兩個控制因素進行對比分析，確定每個控制要素所適用的具體范圍。

[1] 尤明慶.巖石試樣的強度及變形破壞過程[M].北京：地質出版社，2000：45-51.

[2] 尤明慶,鄒友峰.關于巖石非均質性與強度尺寸效應的討論[J].巖石力學與工程學報,2000,19(3):391-395.

[3] 楊圣奇，蘇承東，徐衛亞.巖石材料尺寸效應的試驗和理論研究[J].工程力學,2005(4):112-118.

[4] 張后全,徐建峰,賀永年,等.灰巖單軸壓縮實驗室尺度效應研究[J].巖石力學與工程學報,2012(S2):3491-3496.

[5] 孫 超,劉 芳,蔣明鏡,等.巖石抗壓強度的尺寸效應及端部約束的離散元數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2014(S2):3421-3428.

[6] 劉寶琛,張家生,杜奇中,等.巖石抗壓強度的尺寸效應[J].巖石力學與工程學報,1998(6):611-614.

[7] 李建林,王樂華.卸荷巖體的尺寸效應研究[J].巖石力學與工程學報,2003(12):2032-2036.

[8] 朱珍德,張愛軍,邢福東,等.巖石抗壓強度與試件尺寸相關性試驗研究[J].河海大學學報(自然科學版),2004(1):42-45.

[9] 陳 瑜,黃永恒,曹 平,等.不同高徑比時軟巖強度與變形尺寸效應試驗研究[J].中南大學學報(自然科學版),2010(3):1073-1078.

[10] 王青元,朱萬成,劉洪磊,等.單軸壓縮下綠砂巖長期強度的尺寸效應研究[J].巖土學,2016(4):981-990.

[11] 蘇海健,靖洪文,趙洪輝,等.高溫處理后紅砂巖抗拉強度及其尺寸效應研究[J].巖石力學與工程學報,2015(S1):2879-2887.

[12] 鄧華鋒,李建林,朱 敏,等.圓盤厚徑比對巖石劈裂抗拉強度影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2012(4):792-798.

[13] 孟慶彬,韓立軍,浦 海,等.尺寸效應和應變速率對巖石力學特性影響的試驗研究[J].中國礦業大學學報,2016(2):233-243.

[14] 梁昌玉,李 曉,張 輝,等.中低應變率范圍內花崗巖單軸壓縮特性的尺寸效應研究[J].巖石力學與工程學報,2013(3):528-536.

[15] 何滿潮,薛廷河,彭延飛.工程巖體力學參數確定方法的研究[J].巖石力學與工程學報,2001(2):225-229.

[16] 王學濱,潘一山,宋維源.巖石試件尺寸效應的塑性剪切應變梯度模型[J].巖土工程學報,2001(6):711-713.

[17] 梁正召,張永彬,唐世斌,等.巖體尺寸效應及其特征參數計算[J].巖石力學與工程學報,2013(6):1157-1166.

[18] 靖洪文,蘇海健,楊大林,等.損傷巖樣強度衰減規律及其尺寸效應研究[J].巖石力學與工程學報,2012(3):543-549.

[19] 張 明,盧裕杰,楊 強.準脆性材料的破壞概率與強度尺寸效應[J].巖石力學與工程學報,2010(9):1782-1789.

[20] 李夕兵,古德生.巖石沖擊動力學研究內容及其應用[J].西部探礦工程,1996(6):1-2,35.

[21] 高 科.巖石SHPB實驗技術數值模擬分析[D].長沙：中南大學,2009.

[22] 杜 晶.不同長徑比下巖石沖擊動力學特性研究[D].長沙：中南大學,2011.

[23] 洪 亮.沖擊荷載下巖石強度及破碎能耗特征的尺寸效應研究[D].長沙：中南大學,2008.

[24] 雷繼轅.不同應變率下巖石抗拉與抗壓尺寸效應對比研究[D].南京：南京大學,2015.

Researchstatusandprospectofsizeeffectonrockstrength★

DuBin

(JiangsuVocationalInstituteofArchitecturalTechnology,Xuzhou221116,China)

The paper analyzes the strength of rock, indicts the research status of rock strength and main research results, sums up its problems in the application, and points out the research direction, so as to provide references for relevant research areas.

rock strength, size effect, research status

P584

A

1009-6825(2017)26-0064-03

2017-07-06 ★:江蘇建筑節能與建造技術協同創新中心開放基金項目(SJXTQ1608);江蘇建筑職業技術學院校級課題資助項目(JYA315-05)

杜 彬(1988- )，男，博士，助教