某水電站大理巖巖石強(qiáng)度試驗(yàn)研究

胡 濤

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

0 引言

巖石三軸壓縮試驗(yàn)具有很好的工程使用價(jià)值，因?yàn)閹r石三軸壓縮試驗(yàn)不僅能夠反映不同圍巖條件下的巖石強(qiáng)度變化特征，反映隨著圍壓變化巖石強(qiáng)度的變化規(guī)律，而且通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)可以獲得巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。因此，本文針對(duì)大理巖進(jìn)行室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)，研究其在三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度，為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 試樣制備和試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試樣制備

根據(jù)常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試要求，同一含水狀態(tài)下每組試驗(yàn)試件的數(shù)量不宜少于5個(gè)。試樣尺寸符合以下要求［1］：（1）圓柱體直徑宜為48～54 mm；（2）含水顆粒的巖石試件的直徑應(yīng)大于巖石最大顆粒尺寸的10倍；（3）試件高度與直徑之比宜為2.0～2.5。試件精度應(yīng)符合下列要求［1］：（1）試件兩端面不平整度誤差不得大于0.05 mm；（2）沿試件高度直徑的誤差不得大于0.3 mm；（3）端面應(yīng)垂直于試件軸線最大偏差不得大于0.25°。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次巖石三軸壓縮試驗(yàn)采用美國(guó)生產(chǎn)的“MTS巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱“MTS巖石壓力機(jī)”。MTS巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及設(shè)備見(jiàn)圖1。該設(shè)備具有自動(dòng)加壓、自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等自動(dòng)化高功能全、人為影響因素小等特點(diǎn)。

圖1 MTS巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 基本情況

（1）試樣種類：巖石、混凝土等脆性材料。

（2）試驗(yàn)類型：靜力學(xué)試驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、常溫常壓試驗(yàn)、高溫高壓試驗(yàn)、破壞力學(xué)試驗(yàn)、全過(guò)程試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)項(xiàng)目：常規(guī)壓縮、三軸壓縮、三點(diǎn)彎曲、直接拉伸、間接拉伸、斷裂韌度。

（4）特殊功能：孔隙水、滲透、彈性波、聲發(fā)射。

1.2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）靜力學(xué)試驗(yàn)：軸向荷載：4 600 k N（壓縮）、2 300 k N（拉伸）；軸向行程：100 mm；圍壓：140 MPa；孔隙壓力：140 MPa；溫度：室溫200℃。

（2）動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)：振動(dòng)頻率：最大達(dá)5 Hz以上；振動(dòng)波形：正弦波、三角波、方波、斜波、隨機(jī)波；相位差：0～2π任意設(shè)定。

（3）聲發(fā)射測(cè)量：Kaiser效應(yīng)測(cè)試、破壞過(guò)程三維監(jiān)測(cè)。

（4）彈性波（超聲波）：縱波及兩個(gè)相互垂直剪切波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄。

1.2.3 控制方式與參數(shù)

（1）控制方式：軸向加載、圍壓加載、孔隙水加載任意組合的聯(lián)合控制。

（2）控制參數(shù)：軸向荷載（應(yīng)力）、軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、圍壓、孔隙水壓、孔隙壓差、體積變化、撓度、裂紋開(kāi)度。

2 試驗(yàn)成果分析

按照工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2.1 峰值應(yīng)力和圍壓關(guān)系

根據(jù)GBT 50266—99《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的計(jì)算方法，根據(jù)各圍壓σ3和相應(yīng)的峰值軸向應(yīng)力σ1，以σ3為橫坐標(biāo)，σ1為縱坐標(biāo)，用最小二乘法繪制最佳關(guān)系曲線，可用如下表達(dá)式表示：

σ1＝kσ3＋t

式中：σ1—— 軸向峰值應(yīng)力，單位 MPa；

σ3—— 圍壓，單位 MPa；

t——σ1～σ3關(guān)系曲線在σ1軸上的截距，等同

于試件的單軸抗壓強(qiáng)度，單位MPa；k——巖石影響系數(shù)。

分別對(duì)天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的軸向破壞應(yīng)力σ1與圍壓σ3求最佳關(guān)系曲線，可得它們的關(guān)系分別如圖2和圖3所示。

根據(jù)圖2和圖3，可得天然狀態(tài)圍壓與對(duì)應(yīng)峰值軸向應(yīng)力為：

σ1＝3.321σ3＋129.2

圖2 天然狀態(tài)不同圍壓與對(duì)應(yīng)峰值軸向應(yīng)力關(guān)系圖

圖3 飽和狀態(tài)不同圍壓與對(duì)應(yīng)峰值軸向應(yīng)力關(guān)系圖

飽和狀態(tài)圍壓與對(duì)應(yīng)峰值軸向應(yīng)力為：

2.2 巖石的強(qiáng)度特性分析

試件的破壞如圖4所示，由圖可看出試件破壞均為剪切破壞，可用莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行分析。

圖4 三軸壓縮下巖石的破壞圖

根據(jù)圍壓與峰值軸向應(yīng)力的關(guān)系方程求得任意兩個(gè)圍壓對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力σ1，再以這兩組數(shù)據(jù)在τ－σ坐標(biāo)上以（σ1＋σ3）/2為圓心，以（σ1－σ3）/2為半徑繪制莫爾應(yīng)力圓，根據(jù)莫φ，可得天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的莫爾應(yīng)力圓分別如圖5與圖6。

圖5 天然狀態(tài)下的莫爾應(yīng)力圓

圖6 飽和狀態(tài)下的莫爾應(yīng)力圓

采用回歸分析得出強(qiáng)度差數(shù)c值和φ值，

天然狀態(tài)下，c＝35.45 MPa，φ＝32.89°tanφ＝0.647；可得強(qiáng)度準(zhǔn)確表達(dá)式：τ＝0.647σ＋35.45

飽和狀態(tài)下，c＝33.67 MPa，φ＝31.94°tanφ＝0.623?？傻脧?qiáng)度準(zhǔn)確表達(dá)式：τ＝0.623σ＋33.67

3 結(jié)語(yǔ)

（1）大理巖的峰值軸向應(yīng)力隨圍壓的增加而加大，可通過(guò)最小二乘法繪制最佳關(guān)系曲線；

（2）根據(jù)莫爾應(yīng)力圓可得巖石強(qiáng)度的準(zhǔn)確表達(dá)式；

（3）大理巖的飽和強(qiáng)度低于天然強(qiáng)度，但降低量不大；

（4）大理巖的c值和φ值在飽和狀態(tài)都低于天然狀態(tài)，但降低不明顯。

［1］GBT 50266－99，工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］熊贊民，高全臣，鄔愛(ài)清，等.不同圍壓下灰?guī)r的強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28：111－113.

［3］許寶田，閻長(zhǎng)虹，許宏發(fā).三軸試驗(yàn)?zāi)鄮r應(yīng)力—應(yīng)變特性分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26（6）：863－865.

［4］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994：97－114.

［5］沈明榮.巖體力學(xué)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999：12－16.