(西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院 四川 成都 610039)

單軸抗壓強(qiáng)度是巖石最基本的力學(xué)參數(shù)之一，常用于巖石堅(jiān)硬程度分級(jí)和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。巖石的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)可通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)兩種方法獲取。對(duì)于風(fēng)化程度較高，節(jié)理發(fā)育的巖石，通常不能制備滿足單軸抗壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣。因此，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)于1972年制定了巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度具有良好的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過(guò)換算即可得到巖石的抗壓強(qiáng)度。由于點(diǎn)荷載試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，儀器便于攜帶，對(duì)巖樣要求較低，得到廣泛的應(yīng)用。為更加全面的掌握點(diǎn)荷載試驗(yàn)的相關(guān)特性，分析巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)的影響因素，通過(guò)收集整理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)試驗(yàn)要點(diǎn)，分析破壞模式，對(duì)點(diǎn)荷載與單軸抗壓強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行討論。

一、點(diǎn)荷載試驗(yàn)

巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)方法是將巖石試樣置于2個(gè)角度相同的同軸線加荷錐之間，穩(wěn)定施加荷載，使巖石試件在10～60s的時(shí)間內(nèi)破壞。

試樣要選取具有代表性的巖石，尤其是對(duì)于風(fēng)化程度高或者層理明顯的軟質(zhì)巖，應(yīng)避免試樣帶有裂紋，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差。試樣在運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)避免擾動(dòng)，并保持含水率穩(wěn)定。非規(guī)則試樣的選取要符合尺寸和數(shù)量要求，通常一組點(diǎn)荷載試驗(yàn)的試樣數(shù)不應(yīng)少于15個(gè)。

試樣安裝應(yīng)保持試樣中心放入點(diǎn)荷載儀的兩球錐之間，且上下兩加荷錐與試樣應(yīng)緊密接觸，試樣自由端的距離應(yīng)大于兩加載點(diǎn)間距的0.5倍；試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)穩(wěn)定的進(jìn)行施加荷載，破壞面貫穿整個(gè)試樣并通過(guò)兩加荷點(diǎn)才能視為有效試驗(yàn)。記錄下試樣破壞瞬間的荷載大小，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量破壞面的寬度和加荷點(diǎn)間距。

二、破壞機(jī)理研究

Peng S S[1]通過(guò)對(duì)圓柱狀試樣在點(diǎn)荷載作用下的應(yīng)力場(chǎng)分析，認(rèn)為試樣中的壓應(yīng)力只存在于試樣表面，其內(nèi)部則主要分布為拉應(yīng)力。平松良雄[2]開(kāi)展了彈性球體的點(diǎn)荷載試驗(yàn)，分析了加載中心角與不同性質(zhì)球體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)除加載點(diǎn)附近外，大范圍內(nèi)為均勻的拉應(yīng)力，試樣破壞主要是因?yàn)橹醒雲(yún)^(qū)的拉應(yīng)力超過(guò)球體承載極限而斷裂。Reichmuth[3]發(fā)現(xiàn)點(diǎn)荷載試驗(yàn)時(shí)試樣內(nèi)部會(huì)形成拉應(yīng)力和壓應(yīng)力區(qū)，當(dāng)荷載增大時(shí)，試樣在靠近錐頭附近因?yàn)楫a(chǎn)生壓應(yīng)力而形成裂紋，裂紋貫通形成滑動(dòng)線并不斷深入，最終試樣在拉應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂。綜上所述，點(diǎn)荷載強(qiáng)度的力學(xué)實(shí)質(zhì)是試樣單位破壞面積上所能承受的最大拉應(yīng)力。

三、計(jì)算方法

1972年，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)制定了點(diǎn)荷載強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，建議對(duì)于非規(guī)則塊體采用加荷間距D的平方作為承載面積計(jì)算點(diǎn)荷載強(qiáng)度。如式(1)所示。

Is=P/D2

(1)

1985年，ISRM通過(guò)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(duì)于軸向、方塊體和非規(guī)則試樣，等效直徑的表達(dá)式如式(3)所示。同時(shí)ISRM利用點(diǎn)荷載強(qiáng)度的修正系數(shù)，并認(rèn)為單軸抗壓強(qiáng)度為點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)的20～25倍，計(jì)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(shù)；m為修正系數(shù)，取0.40～0.45。

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

(5)

式中Af為試樣破壞實(shí)際面積。

綜上所述，我國(guó)不同行業(yè)對(duì)于點(diǎn)荷載的計(jì)算方法并不統(tǒng)一，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象合理選擇。若能夠測(cè)量出破壞面的實(shí)際面積，建議采用文獻(xiàn)[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(duì)強(qiáng)度帶來(lái)的影響。

四、點(diǎn)荷載強(qiáng)度影響因素

對(duì)于各向異性巖石而言，平行于軟弱面加載的強(qiáng)度小于垂直軟弱面加載，因此，試樣強(qiáng)度應(yīng)以垂直于軟弱面加載得到的強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，當(dāng)平行軟弱面加載時(shí)應(yīng)乘以異性指數(shù)進(jìn)行換算。

巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度是隨著試樣含水率的提高而降低的，且?guī)r石強(qiáng)度等級(jí)越低，水對(duì)其影響越明顯。巖石試驗(yàn)規(guī)程以飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度作為巖石強(qiáng)度分類依據(jù)，因此現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)時(shí)應(yīng)以飽和狀態(tài)下試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度作為基準(zhǔn)。

結(jié)論

點(diǎn)荷載試驗(yàn)是工程應(yīng)用中獲取巖石強(qiáng)度特性的重要手段，通過(guò)收集整理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了試驗(yàn)要點(diǎn)與破壞實(shí)質(zhì)，討論了不同計(jì)算方法的特點(diǎn)，分析了點(diǎn)荷載強(qiáng)度的影響因素，得到以下結(jié)論：

(1)點(diǎn)荷載試驗(yàn)的力學(xué)實(shí)質(zhì)，是試樣單位破壞面積上的受拉極限破壞，計(jì)算時(shí)應(yīng)采用考慮破壞面積的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，物理意義更加明確。

(2)對(duì)于各向異性巖石而言，應(yīng)以垂直于軟弱面加載獲取的強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，當(dāng)平行于軟弱面加載時(shí)應(yīng)乘以異性指數(shù)進(jìn)行換算。

(3)點(diǎn)荷載強(qiáng)度受試樣含水狀態(tài)的影響，工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)以飽和狀態(tài)下點(diǎn)荷載強(qiáng)度作為基準(zhǔn)。