點荷載試驗研究①

姜彬 夏帆 楊大明

(1.中煤國際工程集團沈陽設計研究院，遼寧沈陽 110015;2.沈陽雙興建設集團有限公司，遼寧沈陽 110021)

點荷載試驗研究①

姜彬1②夏帆2楊大明1

(1.中煤國際工程集團沈陽設計研究院，遼寧沈陽 110015;2.沈陽雙興建設集團有限公司，遼寧沈陽 110021)

分析點荷載試驗的方法和巖石在點荷載試驗中的破壞機理，闡述了點荷載試驗的適用性以及在工程應用中應注意的問題。根據大量實測數據，用蒙特卡羅法得出了點荷載強度分布的規律。

點荷載;破壞機理;強度

0 引言

點荷載試驗具有儀器體積小、重量輕、攜帶方便、操作簡單、利于現場試驗;且對巖樣的要求不高，可利用不規則試樣進行試驗，不需要對巖樣進行加工，降低成本費用，節省時間;對低強度和風化嚴重的巖樣進行試驗，這是常規的試驗無法做到的。由于其具有如此多的優點而被廣泛的應用于現場試驗，為我們及時提供重要的巖石力學參數，使我們更加快捷地解決工程實際中問題，為工程建設提供了良好的背景。

1 點荷載的方法

所謂點荷載試驗［1］將待測巖樣放在上、下兩個球端圓錐狀壓板之間，對試樣施加集中荷載，直至試樣破壞，然后根據儀器記錄下的壓力值求得巖石的點荷載強度。點荷載強度，可作為巖石強度分類及巖體風化分類的指標，亦可評價巖石強度的各向異性程度，預估巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度等指標。

2 點荷載試驗的破壞機理

Reichmuth對點荷載下材料破壞機制的分析指出，在點荷載作用下，巖石試樣中同時形成拉應力區和壓應力區，如圖1所示：

1)在距加荷點一定距離周圍之內的巖石所受到的力接近壓應力，形成壓應力區;

2)在距加荷點一定距離之外的一個范圍內，巖石受到了垂直加載軸方向的彈性拉應力，形成彈性拉應力區。

圖1 破壞機理示意圖

在拉應力區中，加荷點附近的巖石產生彎曲狀排列的雁行式裂隙。當荷載增大時，這些裂紋互相靠攏而形成滑動線，隨著荷載的進一步作用，這種裂紋逐步發展，并最終與彈性拉應力區相連接，試樣即

在拉應力作用下發生劈裂［2］［3］。

點荷載試驗是由于加載方式使其產生有規律的裂紋，而巖石抗壓試驗主要是巖石本身的特性和非均質性(如礦物成分、膠結情況等)在壓力作用下產生裂紋，而由于壓力試驗機與巖石試樣是面接觸，因此在巖石受力后，裂隙有一個閉合的過程(即壓密過程)，其內部會有一個相互平衡效應。

由于點荷載試驗與巖石抗壓試驗在破壞機理上的區別，使得用點荷載強度值測巖石抗壓強度值時，存在不精確的因素。

3 影響因素

3.1 試件數量的影響

經驗表明，試件的數量越多，統計出來的試驗結構越趨近真實的數值，能較精確的反應巖體的本身特征，試件的數量越少，試驗的結果偏差就越大。據統計試樣數量為5塊時其偏差最大;10塊時，偏差也較大;當數量為15塊時，其偏差基本接近20塊時的偏差。因此，建議每組試驗數量應不少于15塊。

3.2 巖石試樣的形狀

試驗所采用的巖石試樣大致可分為兩種：芯樣(鉆孔取出的圓柱形巖樣)和不規則試樣。對于芯樣，若圓柱面光滑則試驗的精度就會高一些;對于不規則試樣，由于試樣表面不平整，在這些凹凸不平的地方容易形成局部的應力異常場，從而影響試驗精度。

3.3 巖石試樣的長徑比

試驗證明，在徑向試驗中，當l/d≥0.5時(l為試件端面至載荷作用點的軸向距離;d為巖芯直徑)，Is基本保持一常數值;當l/d＜0.5時，Is隨l/ d的減少而下降。在軸向試驗中，當l/d＜0.5時，Is隨l/d的增加而迅速下降;1≥l/d≥0.5時，Is的下降變慢;而在l/d＞1時，Is趨于一常數。

研究表明，軸向試驗受長徑比的影響比徑向試驗要明顯得多。

4 點荷載強度值的分析

由于試樣的形狀對試驗結果的離散性有著直接的關系，且試樣的形狀越規整，所得數據的離散性越小，因此在試驗時應盡量選取形狀較為規整的巖樣［4］。

本次點荷載試驗所測孔段均位于巖體破碎帶上，因此試驗選用的試樣多數較不規則。為了弄清點荷載強度指標的分布規律，確定該工程中點荷載強度指標與單軸抗壓強度之間的換算關系，以弱風化石英砂巖為例，從160個試驗結果中選取133個試驗結果進行分析，其中不規則試樣試驗結果102個，規則試樣21個。應用基于最優化的蒙特卡羅法對采集的數據進行分析處理，具體步驟如下

4.1 正態分布檢驗：

圖2 規則與不規則試樣點荷載強度指標頻率分布與正態曲線圖

圖3 規則與不規則試樣點荷載強度指標正態頻率分布檢驗圖

4.2 計算點荷載強度指標均值

通過分布擬合和X2檢驗，得到：

1)規則弱風化石英砂巖試樣的點荷載強度指標均值為2.3721MPa，置信區間為［2.2601，2.4858］，置信度95%;

2)不規則的弱風化石英砂巖試樣的點荷載強度指標均值為2.2841MPa，置信區間為［2.1525，2.4801］，置信度95%;

4.3 分析結果

1)在相同置信度下，不規則試驗的點荷載強度指標的置信區間大于規則試樣，這也證明了試樣形狀對點荷載試驗結果的離散性有著一定影響，試樣形狀越不規則，結果離散性越大。

2)不規則試樣的點荷載強度指標均值與規則試樣的相比相差僅為0.088MPa，偏差僅3.71%，因此選取合適長寬比的不規則試樣進行試驗，所得出的試驗結果也是具有一定代表性的，即用不規則試樣進行點荷載試驗是可行的。

3)綜合規則試樣與不規則試樣的試驗結果，得出弱風化石英砂巖的點荷載強度指標均值為2.3122MPa，置信區間為［2.2004，2.4575］，置信度95%。

5 結論

點荷載試驗以其特有的優勢廣泛應用于不規則巖樣的試驗中，在試件數量足夠多的情況下試驗的結果比較接近規則試樣的結果，一般情況下可以滿足工程需要，為工程建設節約時間和成本，有一定的工程實際意義。

［1］工程巖體試驗方法標準(GB/T 50266－99).中國建筑工業出版社

［2］楊紅梅．點荷載試驗探討與應用［J］．露天采礦技術，2006，2(1)：17－20

［3］郭曼麗．試論巖石點荷載試驗的適用性［J］．巖石力學，2003，24(3)：487－490

［4］趙奎，金解放，等．用巖石點荷載指標確定其單軸抗壓強度的試驗研究［J］．礦業研究與開發，2005，25(6)：32－33

On Point Load Test

JIANG Bin，XIA Fan，YANG Daming

(1.Shengyang Design and Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group，Shenyang Liaoning 110015;2.Shengyang Shuangxing Construction Group，Co．Ltd．，Shenyang Liaoning 110021)

The testing method of point load test，the failure mechanism of rock in point load test，the applicability of point load test and the matters of attention in applying point load test are also introduced in this paper.According to abundant measured data，the law that point load strength obeys normal distribution is educed by using Monte Carlo method.

point load test;failure mechanism;strength

TU459

A

1672－7169(2011)04－0020－03

2011－07－22

姜彬(1973－)男，遼寧沈陽人高級工程師，主要從事巖土工程勘察、設計工作。