杜 彬

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

巖石強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究現(xiàn)狀及展望★

杜 彬

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

在總結(jié)大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對巖石靜態(tài)與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，提出了現(xiàn)階段研究存在的問題，并對巖石強(qiáng)度尺寸效應(yīng)方面的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，可為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定參考。

巖石強(qiáng)度,尺寸效應(yīng),研究現(xiàn)狀

0 引言

尺寸效應(yīng)是指材料力學(xué)性能隨幾何尺寸變化而發(fā)生變化的一種性質(zhì)[1]。然而，在實(shí)驗(yàn)室獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)大多是巖塊的力學(xué)參數(shù)，如果將這些參數(shù)直接用于評(píng)估實(shí)際巖體的穩(wěn)定性，結(jié)果是偏于不安全的。如果簡單地采用平均值或者工程類比得到相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，這會(huì)對實(shí)際工程的設(shè)計(jì)與施工帶來一定的不確定性與危險(xiǎn)性。因此，如何用巖塊的強(qiáng)度來準(zhǔn)確估計(jì)實(shí)際巖體的強(qiáng)度，為實(shí)際工程提供可靠的理論技術(shù)支持是一個(gè)迫切需要解決的問題，這就關(guān)系到巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)問題。自20世紀(jì)30年代以來，眾多學(xué)者從試樣的橫截面(直徑或者邊長)及長徑比兩個(gè)角度，開展了大量有關(guān)尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)及理論研究，總結(jié)出許多有價(jià)值的規(guī)律，為巖石力學(xué)的發(fā)展做出很大的貢獻(xiàn)。

1 巖石靜態(tài)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

1.1尺寸效應(yīng)的形成機(jī)制

Weibull經(jīng)典統(tǒng)計(jì)尺寸效應(yīng)理論認(rèn)為，大型結(jié)構(gòu)中存在的許多低強(qiáng)度的材料小單元是產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的根本原因。基于能量釋放準(zhǔn)則的尺寸效應(yīng)理論認(rèn)為，裂紋的形成與發(fā)展帶來的能量變化是導(dǎo)致尺寸效應(yīng)形成的重要因素。基于這兩個(gè)最具代表性的理論，許多學(xué)者借助實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析等方法闡述了尺寸效應(yīng)的形成機(jī)制。

尤明慶等[2]將巖石強(qiáng)度離散性與尺寸效應(yīng)綜合考慮，認(rèn)為材料非均質(zhì)性對尺寸效應(yīng)有明確的影響；楊圣奇等[3]認(rèn)為端部摩擦效應(yīng)是巖石強(qiáng)度尺寸效應(yīng)形成的原因，而不是非均質(zhì)性；張后全等[4]分析了巖石材料的尺度效應(yīng)及其影響因素指出巖石材料的尺度效應(yīng)根源于材料的非均勻性；孫超等[5]通過離散元數(shù)值計(jì)算證實(shí)了端部約束是試樣單軸抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的原因之一，無端部約束時(shí)尺寸效應(yīng)消失。

1.2試驗(yàn)研究

劉寶琛等[6]在總結(jié)7種巖石力學(xué)巖石抗壓強(qiáng)度基礎(chǔ)上，提出一種巖石強(qiáng)度隨尺寸變化的指數(shù)型衰減函數(shù)形式經(jīng)驗(yàn)公式；李建林等[7]通過物理仿真模擬試驗(yàn)方法研究了卸荷巖體的尺寸效應(yīng)問題，研究表明，巖體物理力學(xué)參數(shù)隨尺寸的增大而降低；朱珍德等[8]對不同長徑比的大理巖及灰?guī)r進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，證實(shí)了脆性巖石抗壓強(qiáng)度隨長徑比增大而減小的規(guī)律，并基于灰色預(yù)測模型建立了單軸抗壓強(qiáng)度與長徑比的非線性關(guān)系式；陳瑜等[9]對不同長徑比的貧礦和白云石大理巖的強(qiáng)度與變形尺寸效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對尺寸效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了分析；王青元等[10]通過單軸壓縮蠕變試驗(yàn)，分析了綠砂巖長期強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，巖石長期強(qiáng)度隨試樣尺寸的增大而逐漸減小，最后穩(wěn)定在一個(gè)特性值附近；蘇海健等[11]基于不同溫度與不同厚度紅砂巖的巴西劈裂試驗(yàn)，探討了溫度和巖樣尺寸對抗拉強(qiáng)度的影響；鄧華鋒等[12]基于不同厚徑比的砂巖圓盤劈裂抗拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖樣的抗拉強(qiáng)度隨厚徑比的增大而減??；孟慶彬等[13]分析了巖石強(qiáng)度、變形、聲發(fā)射特征等參數(shù)隨試樣尺寸的變化規(guī)律，探討了能量與試樣尺寸的內(nèi)在聯(lián)系。

1.3理論模型研究

梁昌玉等[14]從能量的角度對中低應(yīng)變率加載條件下巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行定量研究；何滿潮等[15]建立了工程巖體的連續(xù)性概化模型，探討了工程巖體力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)；王學(xué)濱等[16]建立了單軸受壓巖石試件尺寸效應(yīng)的塑性剪切應(yīng)變梯度，并認(rèn)為局部化是尺寸效應(yīng)形成的原因；楊圣奇等[3]對巖石強(qiáng)度和變形的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了探討，提出了大理巖材料尺寸效應(yīng)的理論模型；梁正召等[17]通過建立試樣尺度隨機(jī)概率模型與包含隨機(jī)分布節(jié)理的巖體尺度模型，為巖石細(xì)觀—宏觀力學(xué)參數(shù)計(jì)算架設(shè)了橋梁；靖洪文等[18]通過PFC數(shù)值軟件，對損傷巖樣的單軸強(qiáng)度衰減尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，并提出單軸強(qiáng)度衰減的理論模型；張明等[19]結(jié)合體積和材質(zhì)因素，在最弱鏈模型和缺陷的Poisson分布假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了準(zhǔn)脆性材料強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型和一般表達(dá)式。

2 巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

煤礦鑿巖、巷道掘進(jìn)、硐室開挖等工程中的機(jī)械擾動(dòng)和爆破沖擊，以及沖擊地壓、巖爆和礦震等動(dòng)力災(zāi)害都將產(chǎn)生沖擊荷載，這些動(dòng)力擾動(dòng)是導(dǎo)致采場和巷道圍巖局部失穩(wěn)的重要誘因。因此，深入了解巖石在動(dòng)載作用下的力學(xué)性能及損傷演化機(jī)理具有重要意義。巖石材料結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊荷載作用所表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與靜力特性存在顯著差異，很多學(xué)者利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置從波形、沖擊強(qiáng)度、應(yīng)變率、能量耗散、破壞準(zhǔn)則、本構(gòu)關(guān)系等方面對巖石的動(dòng)力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，取得了許多重要成果，但是對巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究的較少，主要研究成果如下：

李夕兵等[20]對直徑相同、長徑比不同的石灰?guī)r進(jìn)行SHPB試驗(yàn)，獲得了巖石破碎強(qiáng)度與長徑比的變化規(guī)律；高科[21]通過數(shù)值模擬分析了SHPB桿徑、試件長徑比與試樣應(yīng)變率的關(guān)系，研究結(jié)果證實(shí)了桿徑、試件長度、試件長徑比與試件應(yīng)變率呈反比這一事實(shí)；杜晶[22]通過對不同長徑比砂巖試樣進(jìn)行沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨試件長徑比的增大而增大；洪亮[23]通過對不同尺寸巖石進(jìn)行SHPB試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著試件尺寸的增大，巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度逐漸提高，與靜載條件下巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)相反；雷繼轅[24]基于動(dòng)態(tài)條件下砂巖的單軸抗壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單軸抗壓強(qiáng)度隨尺寸的增加而增加，且尺寸效應(yīng)隨應(yīng)變率的提高而越發(fā)顯著。

3 存在問題及展望

本文對目前巖石靜態(tài)與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)已取得的若干成果進(jìn)行了介紹，但是仍有一些問題亟待解決，主要表現(xiàn)為：

1)巖石靜態(tài)強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)已被學(xué)術(shù)界和工程界普遍認(rèn)同，而對巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)研究的較少，學(xué)術(shù)界仍沒有達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí)。因此，為了解決工程上巖體動(dòng)力學(xué)問題，需要加大對巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究。

2)上述對于巖石尺寸效應(yīng)的研究大多基于天然干燥試樣，考慮的影響因素較為單一，雖然有些學(xué)者們對高溫、凍融、含水飽和、干濕循環(huán)等影響下巖土體的力學(xué)性能變化、劣化機(jī)理等進(jìn)行了研究，但是在上述影響條件下，巖石的尺寸效應(yīng)是否發(fā)生變化仍需要進(jìn)一步研究，這決定著在實(shí)驗(yàn)室獲得的物理力學(xué)性能參數(shù)能否準(zhǔn)確用于實(shí)際工程巖體穩(wěn)定性的安全評(píng)估。

3)眾多學(xué)者從試樣的橫截面(直徑或者邊長)及長徑比兩個(gè)角度，開展了大量有關(guān)尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)及理論研究，由于控制因素不同，得出的結(jié)論可能會(huì)存在偏差，滿足不了實(shí)際工程的需求。因此，為了更加有針對性地研究巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，需要對這兩個(gè)控制因素進(jìn)行對比分析，確定每個(gè)控制要素所適用的具體范圍。

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Researchstatusandprospectofsizeeffectonrockstrength★

DuBin

(JiangsuVocationalInstituteofArchitecturalTechnology,Xuzhou221116,China)

The paper analyzes the strength of rock, indicts the research status of rock strength and main research results, sums up its problems in the application, and points out the research direction, so as to provide references for relevant research areas.

rock strength, size effect, research status

P584

A

1009-6825(2017)26-0064-03

2017-07-06 ★:江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金項(xiàng)目(SJXTQ1608);江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題資助項(xiàng)目(JYA315-05)

杜 彬(1988- )，男，博士，助教