地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展過程的單軸與三軸壓縮實驗及力學(xué)特性分析

劉 靜

（遼寧省東煤測試分析研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

地質(zhì)結(jié)構(gòu)作為一種巖體集合體，內(nèi)部包含多種礦物，其力學(xué)參數(shù)在不同的實驗條件下所表現(xiàn)出的特征存在一定的差異性。而地殼中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)始終處于三向受力狀態(tài)，通過對地質(zhì)進行單軸實驗和三軸壓縮實驗，可以精確測量力學(xué)參數(shù)值，為工程理論計算與施工提供重要的依據(jù)和參考。因此，為了更好地分析力學(xué)特性，如何科學(xué)開展地質(zhì)單軸和三軸壓縮實驗是實驗人員必須思考和解決的問題。

1 實驗準(zhǔn)備

在本次實驗中，所用到的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的巖體主要以輝綠巖為主，這種巖體主要由多種成分組成，如輝巖、橄欖石、基性長石、石英等。為了進一步提高地質(zhì)的統(tǒng)一性和完整性，所選用的地質(zhì)樣本必須要來自同一區(qū)域的巖石，同時，還要采用塑料包裹的方式，將其進行密封保存和運輸，確保巖樣的質(zhì)量。同時，還要使用游標(biāo)卡尺對樣本進行測量，獲得如表1所示的巖體尺寸。

表1 地質(zhì)樣品尺寸

2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分析

在地質(zhì)單軸和三軸壓縮實驗條件下，為了進一步提高巖石應(yīng)力相關(guān)參數(shù)，現(xiàn)利用數(shù)據(jù)處理軟件，并借助相關(guān)繪圖軟件，得到如圖1所示的單軸壓縮條件下輝綠巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，從圖中可以看出，當(dāng)軸向應(yīng)力較小時，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)出上凹趨勢，當(dāng)軸向應(yīng)力不斷增加時，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出直線上升的趨勢，當(dāng)達到一定的峰值后，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)驟降現(xiàn)象。在整個實驗中，如果聽到清脆的聲音，說明巖樣出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，同時，曲線突然下降，此外，由于受地質(zhì)圍壓的制約和影響，當(dāng)巖體樣本的峰值應(yīng)力出現(xiàn)驟降后，會逐漸喪失自身的承載能力。

圖1 單軸壓縮條件下輝綠巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2 基本物理力學(xué)參數(shù)計算

根據(jù)如圖1所示的單軸壓縮條件下輝綠巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，對地質(zhì)基本物理力學(xué)參數(shù)進行計算，得到如表2所示的地質(zhì)基本物理力學(xué)參數(shù)。

表2 地質(zhì)巖體樣本基本物理力學(xué)參數(shù)

當(dāng)巖石圍壓分別設(shè)置為1MPa、3MPa、5MPa、10MPa時，需要利用三個試件，計算出如表3所示的地質(zhì)巖體基本物理力學(xué)參數(shù)平均值。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著巖體圍壓的不斷增大，地質(zhì)巖體平均峰值強度、平均峰值應(yīng)變以及平均殘余強度等參數(shù)呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，由此可見，導(dǎo)致巖體泊松比較大的根本原因是試件中間位置發(fā)生變化。

表3 地質(zhì)巖體基本物理力學(xué)參數(shù)平均值

2.3 試樣離散性分析

為了準(zhǔn)確地描述地質(zhì)巖體在不同圍壓條件下所表現(xiàn)出來的力學(xué)參數(shù)離散程度，實驗人員要在綜合考慮工程力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對地質(zhì)的峰值強度、彈性模量以及離散程度等相關(guān)參數(shù)進行計算和統(tǒng)計，為后期全面了解和掌握力學(xué)特性創(chuàng)造良好的條件。同時，還要根據(jù)的離散程度，采用指標(biāo)表征表示法，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本物理力學(xué)參數(shù)進行準(zhǔn)確計算，為后期實際工程施工工作的有效開展提供有力的保障。

3 地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形特征分析

圖2 彈性模量與圍壓的關(guān)系

圖3 變形模量與圍壓的關(guān)系

為了找出地質(zhì)中在不同圍壓條件下所呈現(xiàn)的變形特征，實驗人員要選取合適的變形指標(biāo)參數(shù)，并完成對相關(guān)曲線的繪制。同時，通過采用剔除力學(xué)離散較大數(shù)據(jù)的方式，繪制出如圖3—圖4曲線。從這些圖中可以看出，當(dāng)?shù)刭|(zhì)圍壓不斷增大時，地質(zhì)巖體的彈性模量、泊松比等相關(guān)參數(shù)均呈現(xiàn)出非線性增長趨勢，這些參數(shù)均可以利用冪函數(shù)擬合法，完成對相關(guān)變量的控制和調(diào)整，為提高巖體力學(xué)特性分析結(jié)果的真實性、準(zhǔn)確性和完整性打下堅實的基礎(chǔ)。另外，還要利用巖石變形特征，實現(xiàn)對巖體的力學(xué)相關(guān)參數(shù)的調(diào)整和設(shè)置，只有這樣，才能保證地質(zhì)三軸壓縮實驗結(jié)果的真實性、準(zhǔn)確性和完整性。

圖4 變形模量與圍壓的關(guān)系

4 地質(zhì)巖體強度特征分析

對于地質(zhì)巖體而言，其黏聚力與內(nèi)摩擦角在實際工程設(shè)計和施工中發(fā)揮出重要作用，其設(shè)計水平直接影響了巖體工程施工的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，因此，加強對地質(zhì)強度特征的分析顯得尤為重要。首先，嚴(yán)格按照庫倫強度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，采用回歸分析法，對巖體的黏聚力與內(nèi)摩擦角進行精確測量，同時，還要對離散程度較大的數(shù)據(jù)進行刪除，然后，采用函數(shù)擬合的方式，將巖樣的單軸壓縮強度設(shè)置為235MPa，并得出如表4所示的地質(zhì)巖體強度參數(shù)。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)巖體的黏聚力達到45.6MPa，地質(zhì)中巖體樣本內(nèi)摩擦角達到50.6°時，在巖體殘余強度下所獲得的黏聚力為13.1MPa，相當(dāng)于峰值黏聚力的28%，而內(nèi)摩擦角大約是峰值內(nèi)摩擦角的84%，由此可見，當(dāng)巖樣出現(xiàn)局部破裂時，地質(zhì)中的黏聚力呈現(xiàn)出現(xiàn)下降趨勢，但是，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦角基本不變，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)?shù)刭|(zhì)樣本出現(xiàn)斷裂面后，地質(zhì)巖體內(nèi)摩擦角表明出現(xiàn)粗糙不平現(xiàn)象，這無疑增加了樣本內(nèi)摩擦角之間的咬合摩擦力。

表4 地質(zhì)樣本強度參數(shù)

5 結(jié)束語

綜上所述，在本次實驗中，通過對地質(zhì)進行單軸和三軸壓縮實驗，得出以下結(jié)論：（1）隨著地質(zhì)周圍圍壓不斷增大，巖體的峰值應(yīng)變、彈性模量以及泊松比等相關(guān)參數(shù)均呈現(xiàn)出不斷增長趨勢。其中，通過采用函數(shù)擬合的方式，可以確保地質(zhì)樣本峰值應(yīng)變呈現(xiàn)出線性增長狀態(tài)，這為后期開展實際工程項目提供重要的依據(jù)和參考。（2）通過對力學(xué)參數(shù)的離散程度進行定義和描述，可以對相關(guān)參數(shù)的離散程度指標(biāo)值進行科學(xué)調(diào)整和控制，使其在0.27%—3.49%范圍內(nèi)波動，當(dāng)其離散程度指標(biāo)值較低時，可以直觀形象地突出巖體的變形特性。（3）在巖體圍壓的不斷增大下，地質(zhì)巖體峰值強度和殘余強度均呈現(xiàn)出正線性增長的趨勢，通過采用函數(shù)模擬的方式，以保證巖體的穩(wěn)定性和可靠性，為后期實際工程計算和施工打下堅實的基礎(chǔ)。