巖石力學特性測試方法及發展趨勢

王想 高貝貝

摘 要：目前大多數土木工程都是建在巖基上，巖石在載荷作用下發生變形、破壞，嚴重威脅工程建筑物的安全。掌握巖石的變形、破壞等力學特性可為工程的安全提供保障，使其經濟合理。巖石力學發展到現在，一系列的測試方法被總結出來，應用于實際的工程之中，并且隨著科技的進步，新的儀器設備，新的測試方法不斷被提出來，總結和了解這些測試方法將有助于我們對巖石力學更進一步認識。

關鍵詞：巖石力學特性；測試方法；發展趨勢

1 巖石強度特性測試方法

1.1 巖石抗壓強度

經典的巖石抗壓強度的測試是在實驗室內的壓力機上進行測定的，試件用圓柱形或立方柱體。

圓柱試件的斷面尺寸一般采用直徑：D=5cm或D=7cm；高度：h=（2-2.5）D

立方柱體試件的斷面尺寸一般采用：5cm×5cm或7cm×7cm；高度滿足：h=（2-2.5）

對于圓柱形試件，沿試件各截面的直徑誤差應不大于0.3mm，兩端面的不平行度最大不超過0.05mm。試驗時以0.5-0.8Mpa/s的加荷速率加荷，直至試件破壞。實驗結果按下式計算抗壓強度：

Rc=P/A

式中 Rc——巖石單軸抗壓強度（Mpa）

P——巖石試件破壞時的載荷（MN）

A——試件的橫斷面面積（m2）

在此基礎上，曾偉雄等[1]提出了一種點荷載試驗方法測量破碎巖石的單軸飽和抗壓強度，解決了破碎巖石測量其單軸抗壓強度的難題。通過試件的浸水飽和來反映試件飽和抗壓強度的飽和狀態，接近實際情況，結果與經典抗壓強度試驗符合的較好。

1.2 巖石抗拉強度

巖石的抗拉強度試驗方法最常用的是巴西試驗法，試件多是圓柱體，又稱巴西圓盤試驗法。試驗時沿著圓柱體的直徑方向施加集中荷載，試件受力后可能沿著受力方向的直徑裂開。根據彈性力學相關知識，最終得出抗拉強度公式：

Rt=2Pmax/ΠDL

式中 Pmax——破裂時的最大荷載（MN）；

D——圓柱形試件的直徑（m）

L——圓柱形試件的長度（m）

不過，試樣在集中載荷作用處會首先屈服碎裂。另一方面，加載軸線上除中心點壓、拉應力比等于3之外，其余都大于3，從 Griffith準則考慮，試樣并不是由中心起始的張拉破裂。

這就讓許多學者對劈裂試驗能否確定巖石的抗拉強度產生了懷疑。并對此進行了大量的理論和試驗研究，并尋找各種試驗方法 [2～7]，尤明慶，蘇承東等[8]的研究表明，巴西圓盤試驗中的集中載荷不容忽視，但并未得出具體的數值處理方法。向寶山[9]等人研究了巴西試驗改進方法。此外鄭州大學王志[10]通過計算截面形狀函數，確定最大拉應力出現的位置，建立了方形巖石劈裂抗拉強度計算公式。能真實反映巖石的力學性能，是測定巖石抗拉強度的一種有效方法。

1.3 巖石的抗剪強度

巖石的抗剪強度試驗分為室內和現場兩大類。室內試驗常采用直接剪切試驗、鍥形剪切試驗和三軸壓縮試驗測定巖石抗剪強度指標。現場試驗主要以直接剪切試驗為主，也可做三軸強度試驗。直接剪切試驗的優點是簡單方便在剪切儀上進行，無需特殊設備，缺點是不易反映層理面的抗剪強度。而三軸壓縮試驗可以很好的解決不連續面的抗剪強度測量問題。到目前為止抗剪強度的測量依然以以上三種方法為主。

2巖石的變形特性測試方法

巖石的變形指標以及應力-應變關系，可以在實驗室里測定，也可以在現場進行測定。試驗方法分為靜力法和動力法兩種。目前用的較多的是實驗室的單軸壓縮試驗、實驗室或者現場的波速測定法、用千斤頂或承壓板的現場試驗以及鉆孔膨脹劑法。此外，有時也做室內的三軸試驗、彎曲試驗、現場水壓試驗等。國內學者葛修潤[11]肖建清[12]等人分別研究了巖石疲勞破壞過程中的變形、常幅循環載荷下巖石的變形特性。

3結語

巖石力學性能的測試是巖石性能研究最基礎的工作。隨著社會生產力的發展，新的儀器設備，新的測試方法不斷被提出來，對巖石力學特性的研究也不會不斷的精確和深入。

參考文獻

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[7]Tang CA，et al.Numerical studies of the influence of microstructure on rock failure in uniaxial compression - Part II：Constraint，slenderness and size effect[J].International journal of rock mechanics and mining sciences，2000，37（4）：571-583.

[8]尤明慶，蘇承東.平臺巴西圓盤劈裂和巖石抗拉強度的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004，（18）：3106-3112.

[9]王志.長方形巖石抗拉強度測試方法研究[J].地下空間與工程學報，2015，11（02）：370-374+403.

[10]向寶山.巴西試驗改進方法研究[D].西南交通大學，2012.

[11]葛修潤等.巖石疲勞破壞過程中的變形規律及聲發射特性[J].巖石力學與工程學報，2004，23（11）：1810-1814.

[12]肖建清，丁德馨，徐根等.常幅循環荷載下巖石的變形特性[J].中南大學學報（自然科學版），2010，41（2）：685-69

（作者單位：四川大學）