不同高徑比巖石單軸抗壓強度尺寸效應試驗研究

傅偉斌

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010)

巖石單軸抗壓強度是巖土設計中的一個重要參數,是評價工程巖體質量的重要指標,對結構的穩(wěn)定性和安全性具有重要作用。但由于巖石的非均一性、各向異性和不連續(xù)性等特點,不同尺寸的巖石抗壓強度等力學性質存在著差異性,即巖石抗壓強度具有尺寸效應[1],從而使得巖石力學參數的選取需考慮巖石尺寸效應的影響。

巖石強度的尺寸效應研究需建立在不斷擴大巖石樣品的尺寸范圍和一定數量試驗結果的基礎上,進而從機理上認識巖石強度的尺寸效應。目前國內外對各類巖石強度的尺寸效應從小試件室內測試、現場大型試驗以及數值模擬等方面進行了探討研究[1-8]。本次采取廣州地區(qū)兩種不同巖性的硬巖試樣,按不同高徑比進行室內單軸抗壓強度試驗,分析高徑比與巖石抗壓強度及破裂形式的關系,為巖石強度的尺寸效應研究豐富了基礎數據,并對實際工程中巖石力學參數的選取具有一定參考價值。

1 試驗方法與過程

在實驗室對巖石試件進行單軸抗壓強度測試是掌握巖石力學性質的主要手段之一。巖石單軸抗壓強度是指巖石在無側限條件下,受軸向壓力作用破壞時,單位面積上所承受的荷載[9]。

(1)

式中:R為巖石單軸抗壓強度(MPa);P為破壞荷載(N);A為試件截面積(mm2)。

本次試驗樣品選用微風化花崗巖和灰?guī)r,巖石樣品無肉眼可識別的明顯缺陷和節(jié)理裂隙。試件采用鉆孔巖芯制成,為圓柱體。

按不同高徑比進行對比試驗,分別將花崗巖和灰?guī)r加工成直徑約70 mm,高徑比為1、1.5、2、2.5共4組巖石試件,每組制備平行試樣3個,試件精度滿足相關標準。采用YA-2000電子液壓式壓力試驗機進行軸向一次連續(xù)加載法,加載速率按0.5～1.0 MPa/s控制,直至試件被破壞(如圖1和圖2所示)。

圖1 灰?guī)r(左)和花崗巖(右)樣品制備Fig.1 Preparation of limestone (left) and granite (right) samples

2 試驗成果

因巖石單軸抗壓強度具離散性,本次每組巖石的單軸抗壓強度取3個平行樣品的平均值,花崗巖和灰?guī)r的試樣尺寸及單軸抗壓強度如表1所示。

圖2 試驗儀器及加載Fig.2 Test instrument and load

表1 不同高徑比巖樣的力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock samples with different height-diameter ratios

2.1 不同高徑比與巖石抗壓強度

巖石抗壓強度與試件尺寸的關系試驗結果如圖3。由圖可見,巖石單軸抗壓強度和其尺寸存在密切關系,隨著高徑比的增大,花崗巖和灰?guī)r單軸抗壓強度均呈現先減小后增大并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,且花崗巖的尺寸效應比灰?guī)r的明顯。當高徑比為2.0～2.5時,試件抗壓強度趨近于穩(wěn)定值,這和國家標準規(guī)定采用高度與直徑之比為2.0～2.5的試件進行巖石單軸抗壓強度相吻合。

圖3 不同高徑比的巖石單軸抗壓強度Fig.3 Uniaxial compressive strength of rocks with different height-diameter ratios

2.2 不同高徑比的巖石破裂形式

不同高徑比的巖石與單軸壓縮破裂形式密切相關[5],直徑一定時,不同高度的花崗巖和灰?guī)r巖樣破裂形式如圖4所示。巖石主要為脆性破壞,當高度較小時,巖樣沿軸向出現較多的劈裂面,試樣以復雜劈裂破壞形式為主;而隨著高度增加,巖樣基本上為單一斷面的剪切破壞。對于直徑一定的巖樣,高度對破壞形式的影響主要表現為端面摩擦效應[7]。由于試件上下表面和墊塊之間存在摩擦作用,試件的高度影響了其應力分布形式,高徑比越小,對試件上下端部壓縮應力區(qū)的影響越大,從而使得巖石的破壞形式變得復雜。因此,在巖石力學實驗中,端面摩擦效應對巖石強度等特性具有一定的影響。

圖4 灰?guī)r(左)和花崗巖(右)不同高徑比破壞形式Fig.4 Failure modes of limestone (left) and granite (right) with different height-diameter ratios

3 結論

本文對不同高徑比的花崗巖和灰?guī)r做了單軸抗壓強度試驗,分析了不同高徑比對巖石抗壓強度和破裂形式的影響,結論如下:

(1) 高徑比在1～2.5范圍內,巖石單軸抗壓強度隨高徑比的增加表現出先減小后增大并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,當高徑比為2.0～2.5時,巖石抗壓強度趨近于穩(wěn)定值。

(2) 隨著高徑比的增加,巖樣破壞形式由復雜劈裂破壞變?yōu)閱我粩嗝娴募羟衅茐?巖石的強度還需考慮端面摩擦效應的影響。

(3) 由于試驗條件等因素限制,本文僅對小尺寸硬巖樣品進行了試驗,而巖石具有非均一性、各向異性和不連續(xù)性等特點,因此還應增加樣品尺寸、類型和數量,同時結合數值模擬試驗等方式,才能不斷深入認識巖石強度的尺寸效應。