岩石强度尺寸效应研究现状及展望★

杜 彬

(江苏建筑职业技术学院,江苏 徐州 221116)

岩石强度尺寸效应研究现状及展望★

杜 彬

(江苏建筑职业技术学院,江苏 徐州 221116)

在总结大量文献的基础上，对岩石静态与动态强度尺寸效应的研究现状进行了总结，提出了现阶段研究存在的问题，并对岩石强度尺寸效应方面的发展趋势进行了展望，可为相关领域的研究提供一定参考。

岩石强度,尺寸效应,研究现状

0 引言

尺寸效应是指材料力学性能随几何尺寸变化而发生变化的一种性质[1]。然而，在实验室获得的试验数据大多是岩块的力学参数，如果将这些参数直接用于评估实际岩体的稳定性，结果是偏于不安全的。如果简单地采用平均值或者工程类比得到相关力学性能参数，这会对实际工程的设计与施工带来一定的不确定性与危险性。因此，如何用岩块的强度来准确估计实际岩体的强度，为实际工程提供可靠的理论技术支持是一个迫切需要解决的问题，这就关系到岩石强度的尺寸效应问题。自20世纪30年代以来，众多学者从试样的横截面(直径或者边长)及长径比两个角度，开展了大量有关尺寸效应的试验及理论研究，总结出许多有价值的规律，为岩石力学的发展做出很大的贡献。

1 岩石静态强度尺寸效应

1.1尺寸效应的形成机制

Weibull经典统计尺寸效应理论认为，大型结构中存在的许多低强度的材料小单元是产生尺寸效应的根本原因。基于能量释放准则的尺寸效应理论认为，裂纹的形成与发展带来的能量变化是导致尺寸效应形成的重要因素。基于这两个最具代表性的理论，许多学者借助实验与数值分析等方法阐述了尺寸效应的形成机制。

尤明庆等[2]将岩石强度离散性与尺寸效应综合考虑，认为材料非均质性对尺寸效应有明确的影响；杨圣奇等[3]认为端部摩擦效应是岩石强度尺寸效应形成的原因，而不是非均质性；张后全等[4]分析了岩石材料的尺度效应及其影响因素指出岩石材料的尺度效应根源于材料的非均匀性；孙超等[5]通过离散元数值计算证实了端部约束是试样单轴抗压强度尺寸效应的原因之一，无端部约束时尺寸效应消失。

1.2试验研究

刘宝琛等[6]在总结7种岩石力学岩石抗压强度基础上，提出一种岩石强度随尺寸变化的指数型衰减函数形式经验公式；李建林等[7]通过物理仿真模拟试验方法研究了卸荷岩体的尺寸效应问题，研究表明，岩体物理力学参数随尺寸的增大而降低；朱珍德等[8]对不同长径比的大理岩及灰岩进行单轴压缩试验，证实了脆性岩石抗压强度随长径比增大而减小的规律，并基于灰色预测模型建立了单轴抗压强度与长径比的非线性关系式；陈瑜等[9]对不同长径比的贫矿和白云石大理岩的强度与变形尺寸效应进行了试验研究，并对尺寸效应的机理进行了分析；王青元等[10]通过单轴压缩蠕变试验，分析了绿砂岩长期强度的尺寸效应，研究发现，岩石长期强度随试样尺寸的增大而逐渐减小，最后稳定在一个特性值附近；苏海健等[11]基于不同温度与不同厚度红砂岩的巴西劈裂试验，探讨了温度和岩样尺寸对抗拉强度的影响；邓华锋等[12]基于不同厚径比的砂岩圆盘劈裂抗拉试验，发现岩样的抗拉强度随厚径比的增大而减小；孟庆彬等[13]分析了岩石强度、变形、声发射特征等参数随试样尺寸的变化规律，探讨了能量与试样尺寸的内在联系。

1.3理论模型研究

梁昌玉等[14]从能量的角度对中低应变率加载条件下岩石强度的尺寸效应进行定量研究；何满潮等[15]建立了工程岩体的连续性概化模型，探讨了工程岩体力学参数的尺寸效应；王学滨等[16]建立了单轴受压岩石试件尺寸效应的塑性剪切应变梯度，并认为局部化是尺寸效应形成的原因；杨圣奇等[3]对岩石强度和变形的尺寸效应进行了探讨，提出了大理岩材料尺寸效应的理论模型；梁正召等[17]通过建立试样尺度随机概率模型与包含随机分布节理的岩体尺度模型，为岩石细观—宏观力学参数计算架设了桥梁；靖洪文等[18]通过PFC数值软件，对损伤岩样的单轴强度衰减尺寸效应进行研究，并提出单轴强度衰减的理论模型；张明等[19]结合体积和材质因素，在最弱链模型和缺陷的Poisson分布假设的基础上，建立了准脆性材料强度尺寸效应的统计模型和一般表达式。

2 岩石动态强度尺寸效应

煤矿凿岩、巷道掘进、硐室开挖等工程中的机械扰动和爆破冲击，以及冲击地压、岩爆和矿震等动力灾害都将产生冲击荷载，这些动力扰动是导致采场和巷道围岩局部失稳的重要诱因。因此，深入了解岩石在动载作用下的力学性能及损伤演化机理具有重要意义。岩石材料结构受到冲击荷载作用所表现的动态力学性能与静力特性存在显著差异，很多学者利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置从波形、冲击强度、应变率、能量耗散、破坏准则、本构关系等方面对岩石的动力特性进行了系统的试验研究，取得了许多重要成果，但是对岩石强度的尺寸效应研究的较少，主要研究成果如下：

李夕兵等[20]对直径相同、长径比不同的石灰岩进行SHPB试验，获得了岩石破碎强度与长径比的变化规律；高科[21]通过数值模拟分析了SHPB杆径、试件长径比与试样应变率的关系，研究结果证实了杆径、试件长度、试件长径比与试件应变率呈反比这一事实；杜晶[22]通过对不同长径比砂岩试样进行冲击动力学试验，发现岩石动态强度随试件长径比的增大而增大；洪亮[23]通过对不同尺寸岩石进行SHPB试验，发现随着试件尺寸的增大，岩石动态强度逐渐提高，与静载条件下岩石强度的尺寸效应相反；雷继辕[24]基于动态条件下砂岩的单轴抗压试验，发现单轴抗压强度随尺寸的增加而增加，且尺寸效应随应变率的提高而越发显著。

3 存在问题及展望

本文对目前岩石静态与动态强度尺寸效应已取得的若干成果进行了介绍，但是仍有一些问题亟待解决，主要表现为：

1)岩石静态强度的尺寸效应已被学术界和工程界普遍认同，而对岩石动态力学性能的尺寸效应研究的较少，学术界仍没有达成统一的共识。因此，为了解决工程上岩体动力学问题，需要加大对岩石动态强度尺寸效应的研究。

2)上述对于岩石尺寸效应的研究大多基于天然干燥试样，考虑的影响因素较为单一，虽然有些学者们对高温、冻融、含水饱和、干湿循环等影响下岩土体的力学性能变化、劣化机理等进行了研究，但是在上述影响条件下，岩石的尺寸效应是否发生变化仍需要进一步研究，这决定着在实验室获得的物理力学性能参数能否准确用于实际工程岩体稳定性的安全评估。

3)众多学者从试样的横截面(直径或者边长)及长径比两个角度，开展了大量有关尺寸效应的试验及理论研究，由于控制因素不同，得出的结论可能会存在偏差，满足不了实际工程的需求。因此，为了更加有针对性地研究岩石强度的尺寸效应，需要对这两个控制因素进行对比分析，确定每个控制要素所适用的具体范围。

[1] 尤明庆.岩石试样的强度及变形破坏过程[M].北京：地质出版社，2000：45-51.

[2] 尤明庆,邹友峰.关于岩石非均质性与强度尺寸效应的讨论[J].岩石力学与工程学报,2000,19(3):391-395.

[3] 杨圣奇，苏承东，徐卫亚.岩石材料尺寸效应的试验和理论研究[J].工程力学,2005(4):112-118.

[4] 张后全,徐建峰,贺永年,等.灰岩单轴压缩实验室尺度效应研究[J].岩石力学与工程学报,2012(S2):3491-3496.

[5] 孙 超,刘 芳,蒋明镜,等.岩石抗压强度的尺寸效应及端部约束的离散元数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2014(S2):3421-3428.

[6] 刘宝琛,张家生,杜奇中,等.岩石抗压强度的尺寸效应[J].岩石力学与工程学报,1998(6):611-614.

[7] 李建林,王乐华.卸荷岩体的尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报,2003(12):2032-2036.

[8] 朱珍德,张爱军,邢福东,等.岩石抗压强度与试件尺寸相关性试验研究[J].河海大学学报(自然科学版),2004(1):42-45.

[9] 陈 瑜,黄永恒,曹 平,等.不同高径比时软岩强度与变形尺寸效应试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2010(3):1073-1078.

[10] 王青元,朱万成,刘洪磊,等.单轴压缩下绿砂岩长期强度的尺寸效应研究[J].岩土学,2016(4):981-990.

[11] 苏海健,靖洪文,赵洪辉,等.高温处理后红砂岩抗拉强度及其尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报,2015(S1):2879-2887.

[12] 邓华锋,李建林,朱 敏,等.圆盘厚径比对岩石劈裂抗拉强度影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2012(4):792-798.

[13] 孟庆彬,韩立军,浦 海,等.尺寸效应和应变速率对岩石力学特性影响的试验研究[J].中国矿业大学学报,2016(2):233-243.

[14] 梁昌玉,李 晓,张 辉,等.中低应变率范围内花岗岩单轴压缩特性的尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报,2013(3):528-536.

[15] 何满潮,薛廷河,彭延飞.工程岩体力学参数确定方法的研究[J].岩石力学与工程学报,2001(2):225-229.

[16] 王学滨,潘一山,宋维源.岩石试件尺寸效应的塑性剪切应变梯度模型[J].岩土工程学报,2001(6):711-713.

[17] 梁正召,张永彬,唐世斌,等.岩体尺寸效应及其特征参数计算[J].岩石力学与工程学报,2013(6):1157-1166.

[18] 靖洪文,苏海健,杨大林,等.损伤岩样强度衰减规律及其尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报,2012(3):543-549.

[19] 张 明,卢裕杰,杨 强.准脆性材料的破坏概率与强度尺寸效应[J].岩石力学与工程学报,2010(9):1782-1789.

[20] 李夕兵,古德生.岩石冲击动力学研究内容及其应用[J].西部探矿工程,1996(6):1-2,35.

[21] 高 科.岩石SHPB实验技术数值模拟分析[D].长沙：中南大学,2009.

[22] 杜 晶.不同长径比下岩石冲击动力学特性研究[D].长沙：中南大学,2011.

[23] 洪 亮.冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究[D].长沙：中南大学,2008.

[24] 雷继辕.不同应变率下岩石抗拉与抗压尺寸效应对比研究[D].南京：南京大学,2015.

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 ★:江苏建筑节能与建造技术协同创新中心开放基金项目(SJXTQ1608);江苏建筑职业技术学院校级课题资助项目(JYA315-05)

杜 彬(1988- )，男，博士，助教