重慶幾種典型沉積巖單軸壓縮變形試驗的變形機理分析

張春玲 何姿霖

摘要：隨著中國社會經濟不斷的發展，城市建設規模越來越大，道路交通和高層建筑成為城市發展的評估指標，為了保證工程的總體質量和安全，巖石的力學試驗尤為重要，巖石的物理和力學性指標參數作為巖土工程勘察報告的重要依據，是諸多的工程建設和設計中的作重要參考指標，本文就不同巖石及不同規范的巖石變形試驗作簡要的分析探討。

關鍵詞：巖石單軸壓縮變形;變形模量;泊松比;變形機理

巖石力學是研究巖石（體）在各種外力作用下產生應力變形和破壞規律的一門學科。巖石變形的研究是巖石力學問題的重要內容之一，是公路、鐵路、水電、城市建筑等工程地質勘察中對巖石力（體）工程地質性質評價的重要依據。單軸壓縮變形試驗是測定規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，繪制出相應的應力～應變曲線，從而求出變形模量及泊松比。本文主要通過對泥巖、砂巖、灰巖在變形模量試驗中的對比試驗，初步分析影響巖石單軸壓縮變形的主要因素，進一步改善室內變形模量試驗工作。

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，內部顆粒間相對位置 變化而產生變形大小的變化，包括彈性變形和塑性變形，表征巖石變形性質的基本指標有兩個：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，壓應力與縱向應變之比。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。

室內變形試驗方法因測量的儀表不同，主要有兩種：電阻應變儀法、千分表法。千分表法用得最為廣泛。

2 巖石軸向應力～應變曲線的基本形狀及變形機理

（一）峰值前變形階段及變形機理

峰值變形前軸向應力～應變曲線有四個基本類型：直線型、下凹型、上凹型、S型。

當軸向應力～應變曲線呈直線型時，彈性模量E=δ/ε（公式中E為彈性模量δ為壓應力ε為軸向應變）。當軸向應力-應變曲線不呈直線型時，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。

峰值前的變形機理巖石是礦物的天然結合體，大多數巖石是由一種或幾種造巖礦物按一定方式結合而成的，其中礦物的硬度分布形式、結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、結構不同.其變形機理大致可以歸納為三種類型：（1）以裂紋行為為主導的變形：巖石軸向應力-應變曲線呈S型的，一些中～粗粒結構的巖石，如花崗巖、大理巖、砂巖等;（2）以彈性變形為主的變形：巖石軸向應力～應變曲線呈直線型的，一些結構致密、巖性堅硬的巖石，如石英巖、玄武巖、硅質灰巖等;（3）以塑性變形為主的變形：巖石軸向應力～應變曲線呈下凹型的，一些結構不夠致密、巖性軟弱的巖石，如巖鹽、泥巖、頁巖等。

（二）峰值后變形階段

根據峰值后的變形曲線（荷載～位移曲線），巖石峰值后變形、破壞發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反坡型，試樣在峰值后所儲存的變形能不能使破裂繼續擴展，只有對試樣做功才能使試樣進一步破裂。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，試樣在峰值后所儲存的變形能使破裂繼續擴展，盡管不對試樣做功一樣使試樣進一步繼續破裂。一般情況脆而堅硬的巖石，如花崗巖、灰巖、閃長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比

3.1同一組巖石，其在天然、飽和、烘干狀態下的單軸抗壓強度有所不同，一般情況下烘干抗壓強度值>天然抗壓強度值>飽和抗壓強度值。在單軸壓縮變形試驗中，其割線彈性模量又是按單軸抗壓強度的50%的變形模量作為基礎確定的，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下對壓縮變形的結果會產生影響。

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

4 結語

單軸壓縮變形試驗是巖石試驗的重要指標，巖石的物理和力學性成果指標往往作為巖土工程勘察報告的重要依據，是諸多的工程建設和設計參考指標，其試驗的質量和結果直接影響著建設工程的總體質量和安全。單軸壓縮變形指標是評價工程巖體變形的重要指標。

參考資料：

[1]黃祖基，《工程巖土學》，成都地質學院，1987.

[2]李智毅，《工程地質學概論》，成都理工大學，2002.

[3]李元松，《高等巖土力學》，武漢大學出版社，2013.

（作者單位：重慶巖土工程檢測中心有限公司）