巖石點荷載強度指數影響因素分析

(西華大學土木建筑與環境學院 四川 成都 610039)

單軸抗壓強度是巖石最基本的力學參數之一，常用于巖石堅硬程度分級和巖體質量評價。巖石的抗壓強度指標可通過單軸抗壓強度試驗和點荷載強度試驗兩種方法獲取。對于風化程度較高，節理發育的巖石，通常不能制備滿足單軸抗壓試驗的標準試樣。因此，國際巖石力學學會于1972年制定了巖石點荷載強度試驗的標準，點荷載強度指數與單軸抗壓強度具有良好的轉換關系，通過換算即可得到巖石的抗壓強度。由于點荷載試驗操作簡單，儀器便于攜帶，對巖樣要求較低，得到廣泛的應用。為更加全面的掌握點荷載試驗的相關特性，分析巖石點荷載強度指數的影響因素，通過收集整理國內外相關文獻，總結試驗要點，分析破壞模式，對點荷載與單軸抗壓強度之間的轉換關系進行討論。

一、點荷載試驗

巖石點荷載試驗方法是將巖石試樣置于2個角度相同的同軸線加荷錐之間，穩定施加荷載，使巖石試件在10～60s的時間內破壞。

試樣要選取具有代表性的巖石，尤其是對于風化程度高或者層理明顯的軟質巖，應避免試樣帶有裂紋，導致試驗結果產生偏差。試樣在運輸過程中應避免擾動，并保持含水率穩定。非規則試樣的選取要符合尺寸和數量要求，通常一組點荷載試驗的試樣數不應少于15個。

試樣安裝應保持試樣中心放入點荷載儀的兩球錐之間，且上下兩加荷錐與試樣應緊密接觸，試樣自由端的距離應大于兩加載點間距的0.5倍；試驗過程中應穩定的進行施加荷載，破壞面貫穿整個試樣并通過兩加荷點才能視為有效試驗。記錄下試樣破壞瞬間的荷載大小，并用游標卡尺測量破壞面的寬度和加荷點間距。

二、破壞機理研究

Peng S S[1]通過對圓柱狀試樣在點荷載作用下的應力場分析，認為試樣中的壓應力只存在于試樣表面，其內部則主要分布為拉應力。平松良雄[2]開展了彈性球體的點荷載試驗，分析了加載中心角與不同性質球體內部的應力狀態，發現除加載點附近外，大范圍內為均勻的拉應力，試樣破壞主要是因為中央區的拉應力超過球體承載極限而斷裂。Reichmuth[3]發現點荷載試驗時試樣內部會形成拉應力和壓應力區，當荷載增大時，試樣在靠近錐頭附近因為產生壓應力而形成裂紋，裂紋貫通形成滑動線并不斷深入，最終試樣在拉應力作用下發生斷裂。綜上所述，點荷載強度的力學實質是試樣單位破壞面積上所能承受的最大拉應力。

三、計算方法

1972年，國際巖石力學學會制定了點荷載強度的試驗方法，建議對于非規則塊體采用加荷間距D的平方作為承載面積計算點荷載強度。如式(1)所示。

Is=P/D2

(1)

1985年，ISRM通過引入等效巖芯直徑De的概念，提出Is為P與試樣De的平方之比，如式(2)所示。對于軸向、方塊體和非規則試樣，等效直徑的表達式如式(3)所示。同時ISRM利用點荷載強度的修正系數，并認為單軸抗壓強度為點荷載強度指數的20～25倍，計算公式為式(4)。

(2)

(3)

Rc=(20～25)Is(50)

(4)

式中，De為等效圓直徑(mm)；F為尺寸修正系數；m為修正系數，取0.40～0.45。

1986年，向桂馥[9]提出了考慮破壞面積的點荷載強度PLS，其計算方法如式(5)所示。

(5)

式中Af為試樣破壞實際面積。

綜上所述，我國不同行業對于點荷載的計算方法并不統一，應用時應根據試驗對象合理選擇。若能夠測量出破壞面的實際面積，建議采用文獻[5]建議方法，其具有明確物理意義，且較好的避免了試樣尺寸和形狀對強度帶來的影響。

四、點荷載強度影響因素

對于各向異性巖石而言，平行于軟弱面加載的強度小于垂直軟弱面加載，因此，試樣強度應以垂直于軟弱面加載得到的強度作為基準，當平行軟弱面加載時應乘以異性指數進行換算。

巖石的點荷載強度是隨著試樣含水率的提高而降低的，且巖石強度等級越低，水對其影響越明顯。巖石試驗規程以飽和狀態下的單軸抗壓強度作為巖石強度分類依據，因此現場勘測進行點荷載試驗時應以飽和狀態下試樣的點荷載強度作為基準。

結論

點荷載試驗是工程應用中獲取巖石強度特性的重要手段，通過收集整理國內外相關文獻，總結了試驗要點與破壞實質，討論了不同計算方法的特點，分析了點荷載強度的影響因素，得到以下結論：

(1)點荷載試驗的力學實質，是試樣單位破壞面積上的受拉極限破壞，計算時應采用考慮破壞面積的點荷載強度，物理意義更加明確。

(2)對于各向異性巖石而言，應以垂直于軟弱面加載獲取的強度作為基準，當平行于軟弱面加載時應乘以異性指數進行換算。

(3)點荷載強度受試樣含水狀態的影響，工程應用時應以飽和狀態下點荷載強度作為基準。