某水电站大理岩岩石强度试验研究

胡 涛

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

0 引言

岩石三轴压缩试验具有很好的工程使用价值，因为岩石三轴压缩试验不仅能够反映不同围岩条件下的岩石强度变化特征，反映随着围压变化岩石强度的变化规律，而且通过三轴压缩试验可以获得岩石的抗剪强度参数。因此，本文针对大理岩进行室内三轴压缩试验，研究其在三向应力状态下的强度，为工程实践提供参考依据。

1 试样制备和试验设备

1.1 试样制备

根据常规力学性能测试要求，同一含水状态下每组试验试件的数量不宜少于5个。试样尺寸符合以下要求［1］：（1）圆柱体直径宜为48～54 mm；（2）含水颗粒的岩石试件的直径应大于岩石最大颗粒尺寸的10倍；（3）试件高度与直径之比宜为2.0～2.5。试件精度应符合下列要求［1］：（1）试件两端面不平整度误差不得大于0.05 mm；（2）沿试件高度直径的误差不得大于0.3 mm；（3）端面应垂直于试件轴线最大偏差不得大于0.25°。

1.2 试验设备

本次岩石三轴压缩试验采用美国生产的“MTS岩石力学实验系统”，简称“MTS岩石压力机”。MTS岩石力学实验系统以及设备见图1。该设备具有自动加压、自动记录实验数据等自动化高功能全、人为影响因素小等特点。

图1 MTS岩石力学实验系统

1.2.1 基本情况

（1）试样种类：岩石、混凝土等脆性材料。

（2）试验类型：静力学试验、动力学试验、常温常压试验、高温高压试验、破坏力学试验、全过程试验。

（3）试验项目：常规压缩、三轴压缩、三点弯曲、直接拉伸、间接拉伸、断裂韧度。

（4）特殊功能：孔隙水、渗透、弹性波、声发射。

1.2.2 主要技术指标

（1）静力学试验：轴向荷载：4 600 k N（压缩）、2 300 k N（拉伸）；轴向行程：100 mm；围压：140 MPa；孔隙压力：140 MPa；温度：室温200℃。

（2）动力学试验：振动频率：最大达5 Hz以上；振动波形：正弦波、三角波、方波、斜波、随机波；相位差：0～2π任意设定。

（3）声发射测量：Kaiser效应测试、破坏过程三维监测。

（4）弹性波（超声波）：纵波及两个相互垂直剪切波实时监测、记录。

1.2.3 控制方式与参数

（1）控制方式：轴向加载、围压加载、孔隙水加载任意组合的联合控制。

（2）控制参数：轴向荷载（应力）、轴向应变、横向应变、围压、孔隙水压、孔隙压差、体积变化、挠度、裂纹开度。

2 试验成果分析

按照工程岩体试验方法标准，本次试验数据结果如表1所示。

表1 岩土物理力学参数

2.1 峰值应力和围压关系

根据GBT 50266—99《工程岩体试验方法标准》中规定的计算方法，根据各围压σ3和相应的峰值轴向应力σ1，以σ3为横坐标，σ1为纵坐标，用最小二乘法绘制最佳关系曲线，可用如下表达式表示：

σ1＝kσ3＋t

式中：σ1—— 轴向峰值应力，单位 MPa；

σ3—— 围压，单位 MPa；

t——σ1～σ3关系曲线在σ1轴上的截距，等同

于试件的单轴抗压强度，单位MPa；k——岩石影响系数。

分别对天然状态和饱和状态的轴向破坏应力σ1与围压σ3求最佳关系曲线，可得它们的关系分别如图2和图3所示。

根据图2和图3，可得天然状态围压与对应峰值轴向应力为：

σ1＝3.321σ3＋129.2

图2 天然状态不同围压与对应峰值轴向应力关系图

图3 饱和状态不同围压与对应峰值轴向应力关系图

饱和状态围压与对应峰值轴向应力为：

2.2 岩石的强度特性分析

试件的破坏如图4所示，由图可看出试件破坏均为剪切破坏，可用莫尔—库伦强度准则进行分析。

图4 三轴压缩下岩石的破坏图

根据围压与峰值轴向应力的关系方程求得任意两个围压对应的轴向应力σ1，再以这两组数据在τ－σ坐标上以（σ1＋σ3）/2为圆心，以（σ1－σ3）/2为半径绘制莫尔应力圆，根据莫φ，可得天然状态和饱和状态的莫尔应力圆分别如图5与图6。

图5 天然状态下的莫尔应力圆

图6 饱和状态下的莫尔应力圆

采用回归分析得出强度差数c值和φ值，

天然状态下，c＝35.45 MPa，φ＝32.89°tanφ＝0.647；可得强度准确表达式：τ＝0.647σ＋35.45

饱和状态下，c＝33.67 MPa，φ＝31.94°tanφ＝0.623。可得强度准确表达式：τ＝0.623σ＋33.67

3 结语

（1）大理岩的峰值轴向应力随围压的增加而加大，可通过最小二乘法绘制最佳关系曲线；

（2）根据莫尔应力圆可得岩石强度的准确表达式；

（3）大理岩的饱和强度低于天然强度，但降低量不大；

（4）大理岩的c值和φ值在饱和状态都低于天然状态，但降低不明显。

［1］GBT 50266－99，工程岩体试验方法标准［S］.

［2］熊赞民，高全臣，邬爱清，等.不同围压下灰岩的强度与变形特性试验研究［J］.岩土力学，2007，28：111－113.

［3］许宝田，阎长虹，许宏发.三轴试验泥岩应力—应变特性分析［J］.岩土工程学报，2004，26（6）：863－865.

［4］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京：地质出版社，1994：97－114.

［5］沈明荣.岩体力学［M］.上海：同济大学出版社，1999：12－16.