巖石的變形特性及試驗方法探究

摘要：文章首先分析了巖石在外力作用下的變形特性及變形階段，然后介紹了目前室內測定巖石變形的試驗方法，并講述了變形參數的確定方法，最后探索了改進巖石變形試驗的途徑。

關鍵詞：巖石；變形特性；試驗方法；變形參數；工程巖體；建筑物失穩 文獻標識碼：A

中圖分類號：P641 文章編號：1009-2374（2015）12-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.076

巖石的變形特性是指巖石在外力作用下巖石中的應力與應變的關系特性，它是影響建筑物穩定的重要因素。巖石在較小的力的作用下首先發生變形，變形量隨作用力增大而增大，當作用力和變形量超過一定的限度后就會發生破壞，在作用力不斷增大的過程中，巖石的變形和破壞是一個統一的、連續的過程。工程巖體如果變形過大就會導致上面的建筑物失穩危及安全，因此工程勘察期間必須獲得可靠的變形參數，才能據此在施工時采取適當措施防止其對工程的影響，保證建筑物的安全。下面分別從巖石的變形特性、變形階段和試驗方法等方面進行探究。

1 巖石變形的特性

巖石的變形性質通常用應力-應變曲線表示，它通過測量巖石試樣受壓時的應力-應變關系得到。由于巖石的組成成分及其結構與構造比較復雜，所以巖石的應力-應變關系也比較復雜，巖石變形過程中表現出彈性、塑性、黏性、脆性和延性等性質。

1.1 彈性

在一定應力范圍內，物體受外力作用產生變形，去除外力后能夠立即恢復原狀的性質，這種變形稱為彈性變形。

1.2 塑性

物體受外力作用后發生變形，去除外力后不能完全恢復原狀的性質，這種變形稱為塑性變形或永久變形。

1.3 黏性

物體在外力作用下變形不能立刻完成，應變速率隨應力增大而增大的性質，這種變形稱為流動變形。

1.4 脆性

物體受力后，變形很小時就發生破裂的性質。

1.5 延性

物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的

性質。

另外，巖石的變形和破壞的性質還會隨著受力狀態的變化而變化。巖石在三向受力狀態下與單向受力狀態下的應力-應變關系有很大的區別，隨著圍壓增大，三向抗壓強度增加，峰值變形增加，彈性極限增加，巖石由彈脆性向彈塑性、應變硬化轉變。

2 巖石變形的階段

根據單向無側限逐級維持荷載法應力-應變關系曲線曲率的變化，可將巖石變形過程劃分為四個階段：

2.1 孔隙裂隙壓密階段

巖石中原有的微裂隙逐漸被壓密，曲線呈上凹形，巖石變形多為塑性變形，曲線斜率隨應力增大而逐漸增大，表示微裂隙的變化開始較快，隨后逐漸減慢，對于微裂隙發育的巖石，本階段較明顯，但致密堅硬的巖石很難劃出這個階段，此階段末點對應的應力稱為壓密極限強度。

2.2 彈性變形至微破裂穩定發展階段

巖石中的微裂隙進一步閉合，孔隙被壓縮，原有裂隙基本上沒有新的發展，也沒有產生新的裂隙，應力與應變基本上呈線性關系，曲線近于直線，巖石變形以彈性為主。此階段末點對應的應力稱為彈性極限強度。

2.3 塑性變形至破壞峰值階段

當應力超過彈性極限強度后，巖石中產生新的裂隙，同時已有裂隙也有新的發展，應變的增加速率超過應力的增加速率，應力-應變曲線的斜率逐漸降低呈下凹形，體積變形由壓縮轉為膨脹，隨著應力增加裂隙進一步擴展，巖石局部破損，且破損范圍逐漸擴大形成貫通的破裂面，導致巖石破壞，巖石變形不再恢復，此段末點對應的應力稱單軸極限抗壓強度。

2.4 破壞后峰值跌落階段至殘余強度階段

巖石破壞后，經過較大的變形，應力下降到一定程度開始保持常數，此段末端對應的應力稱為殘余強度。

3 巖石變形的試驗方法

3.1 單軸壓縮變形試驗

這是室內測定巖石變形參數最常用的方法，是指試件在軸向壓力下產生軸向壓縮、橫向膨脹，最后導致破壞的試驗。適用于能制成圓柱體（高徑比2～2.5∶1）試件的各類巖石，可在不同含水狀態下進行試驗，同一含水狀態下每組試件應為3個?？刹捎秒娮钁兤ɑ蚯Х直矸?，堅硬和較堅硬的巖石宜采用電阻應變片法，較軟巖和軟巖宜采用千分表法。一般采用一次連續加載法或逐級一次循環法，最大循環載荷為預估極限載荷的50%，試驗時以每秒0.5～1.0MPa的速度逐級加載，施加一級載荷后立即測讀相應載荷下的縱向和橫向變形值，一分鐘后再讀一次，再施加下一級載荷，讀數不少于10組。用電阻應變片法時軸向或徑向的應變片的數量可采用2片或4片且應牢固地貼在試件上；用千分表法時軸向和徑向的千分表各采用2只或4只且應分別安裝在試件直徑的對稱位置上。測試完成后根據測得的應力和應變值繪制應力應變關系曲線，可分別計算巖石的彈性模量、變形模量和泊松比等變形參數。

3.2 三軸壓縮變形試驗

這是室內測定巖石變形參數較少用的方法，一般在測定三軸壓縮強度的同時測讀三軸壓縮變形數據。適用于能制成圓柱體試件的各類巖石（高徑比2～2.5∶1），同一含水狀態下每組不少于5個試件，5個試件分別在5級（一般按等差數列來分）不同的側壓下做試驗。試驗時將巖石試件放在密閉容器內，先以每秒0.05MPa的速度同步施加側壓和軸壓至預定的側壓值，并在試驗過程中保持不變，再以每秒0.5～1.0MPa的速度連續施加軸向荷載，直至試件破壞。在加壓過程中同時測定不同荷載下的軸向變形值，每個試件測值不少于10組。測試完成后繪制軸向與側向應力差與軸向應變的關系曲線，可根據需要分別計算彈性模量、變形模量等三軸壓縮變形參數。

4 巖石變形參數的確定

4.1 彈性模量

應力應變曲線上直線段的斜率，對同一巖石在極限彈性范圍內接近常數，反映的是巖石在彈性變形范圍內的平均彈性模量，是最常用的變形參數。

4.2 割線模量（變形模量）

應力應變曲線上任意一點與原點的連線的斜率，工程勘察通常取抗壓強度50%處的點來計算，也叫割線彈性模量。

4.3 泊松比

應力應變曲線上任意一點橫向應變跟縱向應變的比值，對同一巖石在極限彈性范圍內接近常數，工程勘察通常用抗壓強度50%處的點來計算，反映的是巖石在彈性變形范圍內的平均泊松比，這也是常用的變形參數。

4.4 初始模量

應力應變曲線在原點處的切線的斜率。

4.5 切線模量

應力應變曲線上任意一點的切線的斜率。

5 巖石變形試驗的改進

在普通柔性試驗機上做巖石壓縮試驗時，絕大多數試件破壞時突然崩潰、碎塊四射，只能測得峰值前的應力—應變曲線，無法記錄下峰值后的情況，其根本原因是試驗機的剛度不夠大，為了獲得包括峰值后變形在內的全過程應力應變曲線，就需要提高試驗機的剛度，同時降低巖石試件的剛度。這可從以下四個方面來改進：（1）增加鋼架構的截面積并減小其長度；（2）增加液壓柱的截面積并減小其長度；（3）減小巖石試件的截面積并增加其長度；（4）增加伺服控制系統，控制巖石變形速度恒定。

6 結語

綜上所述，巖石的變形特性雖然很復雜，但在實際工程中，建筑物作用于巖石的應力遠低于單軸極限抗壓強度，巖石所處變形多為彈性變形狀態，因此可在一定程度上將巖石看作準彈性體，用彈性模量來表示其變形特征，一般只需測定抗壓強度50%處的彈性模量和泊松比就可以了。另外在彈性極限壓力之內單軸壓縮變形和三軸壓縮變形試驗結果參數值基本接近，而單軸壓縮試驗更簡單易行，故一般采用單軸壓縮試驗來測定巖石的變形指標。

參考文獻

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作者簡介：馬玉華（1969-），女，重慶人，供職于重慶一三六地質隊，研究方向：巖土測試。

（責任編輯：陳 倩）