不同高径比岩石单轴抗压强度尺寸效应试验研究

傅伟斌

(广州地铁设计研究院股份有限公司,广东 广州 510010)

岩石单轴抗压强度是岩土设计中的一个重要参数,是评价工程岩体质量的重要指标,对结构的稳定性和安全性具有重要作用。但由于岩石的非均一性、各向异性和不连续性等特点,不同尺寸的岩石抗压强度等力学性质存在着差异性,即岩石抗压强度具有尺寸效应[1],从而使得岩石力学参数的选取需考虑岩石尺寸效应的影响。

岩石强度的尺寸效应研究需建立在不断扩大岩石样品的尺寸范围和一定数量试验结果的基础上,进而从机理上认识岩石强度的尺寸效应。目前国内外对各类岩石强度的尺寸效应从小试件室内测试、现场大型试验以及数值模拟等方面进行了探讨研究[1-8]。本次采取广州地区两种不同岩性的硬岩试样,按不同高径比进行室内单轴抗压强度试验,分析高径比与岩石抗压强度及破裂形式的关系,为岩石强度的尺寸效应研究丰富了基础数据,并对实际工程中岩石力学参数的选取具有一定参考价值。

1 试验方法与过程

在实验室对岩石试件进行单轴抗压强度测试是掌握岩石力学性质的主要手段之一。岩石单轴抗压强度是指岩石在无侧限条件下,受轴向压力作用破坏时,单位面积上所承受的荷载[9]。

(1)

式中:R为岩石单轴抗压强度(MPa);P为破坏荷载(N);A为试件截面积(mm2)。

本次试验样品选用微风化花岗岩和灰岩,岩石样品无肉眼可识别的明显缺陷和节理裂隙。试件采用钻孔岩芯制成,为圆柱体。

按不同高径比进行对比试验,分别将花岗岩和灰岩加工成直径约70 mm,高径比为1、1.5、2、2.5共4组岩石试件,每组制备平行试样3个,试件精度满足相关标准。采用YA-2000电子液压式压力试验机进行轴向一次连续加载法,加载速率按0.5～1.0 MPa/s控制,直至试件被破坏(如图1和图2所示)。

图1 灰岩(左)和花岗岩(右)样品制备Fig.1 Preparation of limestone (left) and granite (right) samples

2 试验成果

因岩石单轴抗压强度具离散性,本次每组岩石的单轴抗压强度取3个平行样品的平均值,花岗岩和灰岩的试样尺寸及单轴抗压强度如表1所示。

图2 试验仪器及加载Fig.2 Test instrument and load

表1 不同高径比岩样的力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock samples with different height-diameter ratios

2.1 不同高径比与岩石抗压强度

岩石抗压强度与试件尺寸的关系试验结果如图3。由图可见,岩石单轴抗压强度和其尺寸存在密切关系,随着高径比的增大,花岗岩和灰岩单轴抗压强度均呈现先减小后增大并趋于稳定的变化规律,且花岗岩的尺寸效应比灰岩的明显。当高径比为2.0～2.5时,试件抗压强度趋近于稳定值,这和国家标准规定采用高度与直径之比为2.0～2.5的试件进行岩石单轴抗压强度相吻合。

图3 不同高径比的岩石单轴抗压强度Fig.3 Uniaxial compressive strength of rocks with different height-diameter ratios

2.2 不同高径比的岩石破裂形式

不同高径比的岩石与单轴压缩破裂形式密切相关[5],直径一定时,不同高度的花岗岩和灰岩岩样破裂形式如图4所示。岩石主要为脆性破坏,当高度较小时,岩样沿轴向出现较多的劈裂面,试样以复杂劈裂破坏形式为主;而随着高度增加,岩样基本上为单一断面的剪切破坏。对于直径一定的岩样,高度对破坏形式的影响主要表现为端面摩擦效应[7]。由于试件上下表面和垫块之间存在摩擦作用,试件的高度影响了其应力分布形式,高径比越小,对试件上下端部压缩应力区的影响越大,从而使得岩石的破坏形式变得复杂。因此,在岩石力学实验中,端面摩擦效应对岩石强度等特性具有一定的影响。

图4 灰岩(左)和花岗岩(右)不同高径比破坏形式Fig.4 Failure modes of limestone (left) and granite (right) with different height-diameter ratios

3 结论

本文对不同高径比的花岗岩和灰岩做了单轴抗压强度试验,分析了不同高径比对岩石抗压强度和破裂形式的影响,结论如下:

(1) 高径比在1～2.5范围内,岩石单轴抗压强度随高径比的增加表现出先减小后增大并趋于稳定的变化规律,当高径比为2.0～2.5时,岩石抗压强度趋近于稳定值。

(2) 随着高径比的增加,岩样破坏形式由复杂劈裂破坏变为单一断面的剪切破坏,岩石的强度还需考虑端面摩擦效应的影响。

(3) 由于试验条件等因素限制,本文仅对小尺寸硬岩样品进行了试验,而岩石具有非均一性、各向异性和不连续性等特点,因此还应增加样品尺寸、类型和数量,同时结合数值模拟试验等方式,才能不断深入认识岩石强度的尺寸效应。