簡(jiǎn)單分析巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)的影響因素

簡(jiǎn)單分析巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)的影響因素[摘要]：巖石力學(xué)是研究巖體在各種不同受力狀態(tài)下產(chǎn)生變形和破壞的規(guī)律并在工程地質(zhì)定性分析的基礎(chǔ)上，定量地分析巖體穩(wěn)定性的一門(mén)學(xué)科。巖石變形的研究是巖石力學(xué)問(wèn)題的重要內(nèi)容之一，是公路、鐵路等工程地質(zhì)勘察中對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)評(píng)論的必不可少的依據(jù)。巖石單軸壓縮試驗(yàn)是最通用的一種試驗(yàn)方法，因其原理較為簡(jiǎn)單，也較容易配附加的測(cè)量?jī)x器，故至今廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐和各種科研工作中。

關(guān)鍵詞：彈性模量泊松比影響因素

1、序言巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)的目的是測(cè)定規(guī)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，繪制相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，從而求得彈性模量及泊松比。本文主要通過(guò)對(duì)花崗巖和泥巖在彈性模量試驗(yàn)中的比對(duì)試驗(yàn)，初步分析了影響巖石壓縮變形試驗(yàn)的主要因素，是室內(nèi)巖石彈性模量試驗(yàn)的工作總結(jié)。

2、彈性模量的概念及其取值方法

2.1彈性模量的概念

彈性理論的基礎(chǔ)，即應(yīng)力（σ）與—應(yīng)變（ε）的關(guān)系。從這簡(jiǎn)單的線性關(guān)系中得知：應(yīng)力與應(yīng)變之比σ/ε=e就稱(chēng)為彈性模量[1]。e值在物理意義上講，系代表在壓縮或拉伸時(shí)，材料對(duì)彈性變形的抵抗能力，但在力學(xué)意義上講，它反映了巖石材料的堅(jiān)硬程度。

2.2巖石彈性模量的取值方法

巖石彈性模量的取值方法是根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》中來(lái)計(jì)算的。主要是割線彈性模量e50及泊松比μ的取值方法。在縱向應(yīng)力一應(yīng)變曲線上的原點(diǎn)與應(yīng)力相應(yīng)于極限抗壓強(qiáng)度50%處的應(yīng)力點(diǎn)的連線，其斜率為割線模量e50[1]，國(guó)內(nèi)外規(guī)范多采用抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的變形量為基礎(chǔ)。大多數(shù)巖石這個(gè)應(yīng)力水平下仍處于彈性范圍內(nèi)，很少出現(xiàn)微裂隙擴(kuò)展現(xiàn)象，因此采用此應(yīng)力點(diǎn)與原點(diǎn)連線斜率確點(diǎn)e50。

泊松比μ（也稱(chēng)泊松系數(shù)），是指橫向應(yīng)變（εd）與縱向應(yīng)變（εh）的比值，即μ=εd/εh[1]。一般情況下，μ是采用抗壓強(qiáng)度50%應(yīng)力點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比來(lái)計(jì)算。

3、影響巖石彈性模量的主要因素

3.1構(gòu)成巖石的礦物及巖石物理性質(zhì)的影響

巖石是礦物的天然集合體。大多數(shù)巖石是由一種或幾種造巖礦物按一定方式結(jié)合

而成，其中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直接影響到巖石彈性模量的大小。巖石的質(zhì)地越堅(jiān)硬，礦物分布越均勻，孔隙越小，其巖石的抗壓強(qiáng)度就越大，其彈性模量就越小，泊松比就愈小。本試驗(yàn)主要分析花崗巖及泥巖兩種不同巖性的巖石在彈性模量試驗(yàn)中的影響關(guān)系。

3.1.1花崗巖的巖性在彈性模量試驗(yàn)中的作用。

本試驗(yàn)的樣品采用廣州市軌道交通四號(hào)線折返線詳勘工程中的一塊花崗巖。樣編號(hào)為mdz3-hhd2-7y，其取樣深度為地下20.6～21.50m。現(xiàn)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(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，花崗巖的變形模量越大，其泊松比越小，原因是由于花崗巖這類(lèi)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，但是組成花崗巖的巖石礦物集合嵌布在微結(jié)晶中，有些還含有黑色云母，這些片狀晶體以及部分非結(jié)晶的二氧華硅的排列方向都是不規(guī)則的，其中有些長(zhǎng)石又具有一定的節(jié)理面，這些巖石礦物的特性及巖性直接影響花崗巖的抗壓荷載能力，使試樣結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生壓密作用而發(fā)生塑性變形，從而影響彈性模量的取值。

3.1.2泥巖的巖性在彈性模量試驗(yàn)中的作用

本試驗(yàn)中采用的樣品是一塊粉沙質(zhì)泥巖，制成天然狀態(tài)下的三塊標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行彈模試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1及表2可以看出，泥巖彈性模量的數(shù)值明顯低于花崗巖，這是由兩類(lèi)不同巖性的巖石礦物成份、層理結(jié)構(gòu)與構(gòu)造以及相關(guān)的物理性質(zhì)各有不同影響決定的。泥巖這類(lèi)巖石礦物構(gòu)成份主要為粘土礦物，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。泥巖抗壓強(qiáng)度值明顯低于花崗巖的抗壓強(qiáng)度值。彈性模量的取值又是采用巖石單軸抗壓強(qiáng)度50%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值與縱向應(yīng)變的比值采確定的。因此，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，泊松比值反而越來(lái)越小，花崗巖的泊松比值應(yīng)小于泥巖的泊松比值。泥巖及花崗巖的彈性系數(shù)的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)表2。

表1

試件狀態(tài)

（天然狀態(tài)） 泥巖（4.92*9.22）cm 花崗巖（4.90*9.23）cm

破壞荷載（kn） 變形模量e50（mpa） 泊松比

（μ） 破壞荷載（kn） 變形模量e50（mpa） 泊松比

（μ）

試件1 24.4 4.06×103 0.23 227.5 5.69×104 0.27

試件2 40.8 4.37×103 0.24 290 6.76×104 0.28

試件3 29.2 4.78×103 0.24 259 6.80×104 0.25

表2

巖石名稱(chēng) 抗壓強(qiáng)度（mpa） 彈性模量e50 泊松比（μ）

花崗巖 75～110

120～180

180～200 1.4～5.6

5.43～6.69 0.36～0.16

0.16～0.10

0.10～0.02

泥巖 3.5～20

40～60 0.38～2.1 0.30～0.20

3.2電阻應(yīng)變片粘貼的影響

3.2.1對(duì)于礫石類(lèi)的較堅(jiān)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(shí)也在人們?nèi)庋鄄荒懿煊X(jué)的巖石內(nèi)部，如果試驗(yàn)時(shí)電阻應(yīng)變片正好粘貼在內(nèi)部裂隙的表面，在變形試驗(yàn)過(guò)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(qiáng)度值會(huì)明顯偏低，直接影響彈性模量的取值和測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使測(cè)試結(jié)果有所偏差。因此，在一般的實(shí)驗(yàn)室彈模試驗(yàn)中，礫巖類(lèi)較堅(jiān)硬的巖石不采用電阻應(yīng)變儀方法進(jìn)行變行試驗(yàn)，而是采用千分表法[2]。

3.2.2對(duì)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份，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，這類(lèi)巖石樣品試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行防潮處理，再進(jìn)行電阻應(yīng)變片的粘貼。

3.3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(qiáng)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(qiáng)度值>飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度值>天然含水狀態(tài)抗壓強(qiáng)度值。在壓縮變形試驗(yàn)中，其割線模量又是按照抗壓強(qiáng)度值的50%的變形量作為基礎(chǔ)來(lái)確定的[3]，因比巖石在不同的試驗(yàn)狀態(tài)下對(duì)壓縮變形的結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

4.結(jié)論

4.1不同巖石礦物及其物理性質(zhì)的巖石在彈性模量試驗(yàn)中數(shù)據(jù)有明顯差異，其彈性模量與泊松比互影響?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度值越大，其變形模量越大，其泊松反而越?。荒鄮r抗壓強(qiáng)度值明顯低于花崗巖的抗壓強(qiáng)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(lái)越小，花崗巖的泊松比值應(yīng)小于泥巖的泊松比值。

42對(duì)于礫巖類(lèi)較堅(jiān)硬的巖石不建議采用電阻應(yīng)變儀方法進(jìn)行彈模試驗(yàn)，而應(yīng)采用千分表法。對(duì)于泥質(zhì)巖，泥灰?guī)r等泥質(zhì)巖石試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行防潮處理，再