现场点荷载强度的破坏模式及其与单轴拉压强度的相关性研究

徐 飞，陈 阳，李亚俊，文 磊

现场点荷载强度的破坏模式及其与单轴拉压强度的相关性研究

徐 飞1，陈 阳1，李亚俊1，文 磊2

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410014；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 4100831)

对不同破坏方式和不同岩性的点荷载强度与室内试验的岩石强度的相关性系数进行研究。通过现场点荷载强度测试，得出岩块的破坏方式主要分为平直破坏，不规则的弯曲破坏和沿节理面的不规则破坏，分析3种破坏方式的强度特征和破坏特征。结果表明：沿节理破坏的岩块破坏面有明显节理裂痕；平直破坏的岩块表现为弹性破坏，破坏面平整且新鲜；弯曲破坏岩块的点荷载强度较大，岩块的破坏面表现出微小的节理。3种不同破坏方式的点荷载强度相差较大，因此，认为不能盲目的将现场点荷载强度测试结果的平均值作为最终的实验结果，必须根据不同的破坏形式分析点荷载强度，从而提高测试结果的可靠性。

点荷载强度;破坏模式;单轴抗拉强度;单轴抗压强度;转化系数

0 前 言

岩石点荷载试验作为一种方便、快捷且费用低的强度试验方法，可以采用现场不规则岩块进行试验，接近现场实际情况。随着地下矿山开采深度的逐年增加，矿山面临高应力等复杂条件，这为标准试样的采集带来一定的困难。正因为现场点荷载试验方便的特性，使得点荷载强度测试针对深井矿山有更好的使用性。同时，国际岩石力学学会公布了《测定点荷载强度的建议方法》，通过点荷载强度来估算单轴抗压强度（UCS）和单轴抗拉强度（BTS）。T. N. Singh等人[1]对标准岩石试样进行点荷载强度测试，并通过线性回归方法研究不同类型岩石的BTS和UCS与点荷载强度的性关系系数，得出了通过点荷载强度快速评估UCS和BTS的经验方法。Kahraman S等人[2]研究了点荷载强度与单轴抗压强度之间的向光性，并进一步分析其相关系数对岩体分级的影响。Basu A等人[3]建立标准岩石试件的点荷载强度与单轴抗压强度之间的经验关系，并通过点荷载强度预测岩石的单轴抗压强粘度。Azimian A等人[4]运用点荷载强度结合P波速度来预测岩石的单轴抗压强度。郭曼丽[5]通过集中方法来讨论点荷载强度试验在工程上的适用性。

本文以云南某深井矿山（深度约为1000 m）的探矿巷道为研究对象，该矿处于高原地区，深部岩体面临高应力的复杂环境，并且深部岩体比较破碎。以该探矿巷道所揭露的4种不同的岩性岩层组为研究对象，该4组岩层分别为：栖霞茅口组，虎斑状灰色深灰色浅灰色细晶至隐晶质灰岩、白云岩，部分节理发育；威宁组，灰色细晶灰岩，断面有青灰色泥质物，部分节理发育浅灰至深灰色灰岩及白云质灰岩；摆佐组，白色，中至细晶结构，块状厚层白云岩，部分节理发育，浅灰白色、肉红色粗晶白云岩；大塘组，深灰色、灰色细晶灰岩，部分节理发育，深灰色隐晶白云岩。在现场对不规则岩块进行点荷载强度试验，并且对试验岩块的破坏方式做详细的记录。由于点荷载试验数据离散性较大的缺点，详细记录实验过程和岩块的破坏方式，分析得出不同破坏方式的点荷载强度与岩石的单轴抗压强度、抗拉强度的相关性系数，以便能更好的判断哪种破坏方式的岩块对现场试验有更高的精确度。从而对岩石点荷载强度的现场测试有重要的指导意义和实际意义。

1 点荷载强度的计算方法

现场点荷载试验因为试件的随机性和不规则性导致测试结果有一定的差异。王茹等人[6]通过对点荷载强度试件的形状尺寸以及测试数量等若干问题进行探讨，以便推广现场点荷载强度测试方法。王维刚[7]等人通过对比两种点荷载强度试验方法分析不同计算方法和数据的不同处理方法来对比其误差，从而是电荷在强度测试结果更加精确。彭杰[8]等人运用BAYES理论研究现场点荷载测试小样本数据的可靠性。此外，国内外其他一些学者针对点荷载强度与UCS和BTS的相关性作了比较深入的研究[9-13]。但是在已有的研究中，都没有对破坏方式进行完整的统计和分析，并且大多数试验都是在实验室进行。笔者认为，现场点荷载试样来自于现场随机拾取的岩块，随机性比较大并且形状和尺寸都不规则，所以有必要对试验结果进行分类，根据不同的破坏方式进行详细的统计和分析，并且将实验结果转化为标准试件的点荷载强度。

因此本文针对现场不规则的岩石试样，结合ISRM法，在不规则试件的破坏面上，通过评估破坏面的面积来计算测试试件的等效直径，从而获得试件的点荷载强度。

式中，e为试样的等效直径；为破坏面两加载点的间距；为破坏面的平均宽度；为施加的荷载；s为试样的点荷载强度。为了最大程度的消除不同尺寸引起的误差影响，通过尺寸修正系数，将不规则形状和尺寸的点荷载强度转换为标准试件的点荷载强度，其经验公式为：

2 试验结果及其分析

此次试验主要是针对该矿区内揭露的四种不同岩层的岩石，对这4种不同的岩层分别进行室内UCS试验和室内BTS试验以及现场点荷载试验。UCS和BTS的试件采用标准试件(UCS:100 mm× Φ50 mm; BTS:50 mm×Φ50 mm)，现场点荷载强度测试试样则通过现场随机拾取。

2.1 试验结果

本次实验采用MTS-815液压伺服控制力学试验机对岩石试件进行单向压缩试验。岩石抗拉强度测定采用巴西劈裂法，采用MTS-322试验机进行。为了与现场含水条件下的点荷载试验结果相对应，将实验室制作的标准样品置入水中浸泡48 h，然后再进行试验，所获得岩石的UCS和BTS平均值如表1所示。

表1 岩石UCS和BTS平均值/MPa

点荷载仪器采用SD-1数码点荷载仪。针对该区域常见的4种不同岩性的岩体按规定尺寸进行现场拾取岩样。结合仪器的尺寸，现场拾取样品的尺寸为长度小于15 cm，宽度小于10 cm，试件的厚度小于10 cm。现场岩块试样如图1所示。

图1 现场点荷载试件

根据现场点荷载测试结果，4种不同岩性岩块的破坏形式大体上总结分为规则平直破坏、不规则面弯曲破坏和沿节理面不规则破坏3种破坏方式。即破坏面比较平整，且破坏面没有明显的节理裂隙面；破坏面不规则，但是看不到明显的节理裂隙面；破坏面不平整，破坏面能表现出明显的节理面。岩石点荷载平均强度见表2。

2.2 点荷载与拉压强度的相关性分析

对点荷载试验实测数据进行线性回归分析，分析不同破坏方式对应的转换因子的特征如图2至图9所示，线性回归结合统计结果分析，同一种岩性的岩块在三种不同破坏形式的点荷载强度有明显的差别，并且强度值相差较大。在与单轴抗压强度和单轴抗拉强度进行换算时，获得的转换因子也相差较大（见表3和表4）。

表3和表4表明，不同破坏形式的破坏强度特征差距很大，转换因子相差也很大，发生弯曲破坏时的强度最大，裂隙破坏时的强度最小。发生平直破坏的岩块从破坏面看，表现出较好的完整性，但是却没有表现出最高的强度特征，说明完整岩块表现出弹性体的特征，破坏机理是超过岩体本身的弹性极限发生弹性体的破坏，与加荷速率也有很大关系。

图2 点荷载强度与单轴抗压强度的相关性（C1d）

图3 点荷载强度与单轴抗拉强度的相关性（C1d）

大塘组对应平直破坏、弯曲破坏和沿节理面破坏的转换因子值分别为24.42，14.47，36.41，值分别1.77，1.01，2.54，不同破坏方式对应的线性回归见图2和图3；摆佐组对应平直破坏、弯曲破坏和沿节理面破坏的转换因子值分别为16.04，17.15，23.25，值分别为1.10，1.18，1.59，不同破坏方式对应的线性回归见图4和图5；栖霞茅口组对应平直破坏、弯曲破坏和沿节理面破坏的转换因子值分别为13.25，12.04，19.15，值分别为0.97，0.88，1.40，不同破坏方式对应的线性回归见图6和图7；威宁组对应平直破坏、弯曲破坏和沿节理面破坏的转换因子值分别为20.04，12.47，37.23，值分别为1.10，1.18，1.59，不同破坏方式对应的线性回归如图8和图9所示。考虑到现场测试试样的形状和尺寸的不规则性，因此，现场点荷载强度的测试作详细的记录非常重要，同一岩性的岩块不同破坏方式强度值不同，且不同岩性的岩块强度也不同，这为分析岩体的力学特性和破坏特性提供有力的参考。

图4 点荷载强度与单轴抗压强度的相关性（C1b）

图5 点荷载强度与单轴抗拉强度的相关性（C1b）

图6点荷载强度与单轴抗压强度的相关性（P1q+m）

图8点荷载强度与单轴抗压强度的相关性（C2w）

3 讨 论

（1）平直破坏。即破坏面比较平整，且破坏面没有明显的节理裂隙面。此种破坏主要发生在完整性较好的岩块试验过程中，这种岩块内部没有节理裂隙，可视为均质的材料。在试验过程中，破坏的瞬间发出“嘭”的一声响，然后破裂的岩块弹射出去，说明完整的岩块表现出脆弹性的性质。因此这种破坏可视为由于岩块所受荷载超过弹性极限，而发生的瞬间破坏。这种岩块受加荷速率的影响较大，加荷速率越快，岩块破坏时的强度就越低，弹射出去的距离就越近，并且在深部复杂环境下，这种岩体很容易产生岩爆。

（2）弯曲破坏。即破坏面不规则，但是又看不到明显的节理裂隙面。此种岩块内部含有微小非贯通的微裂隙。根据格里菲斯理论，岩块在受到单向荷载时，微裂隙的端部会出现较大的应力集中现象，致使微裂隙逐渐的扩展，最后多个微裂隙面贯通，导致岩块发生破坏。

（3）沿节理面弯曲破坏。即破坏面能表现出明显的节理面，这种破坏的岩块内部含有一组或多组贯通或半贯通的节理裂隙面，在受到单向荷载时，很容易沿着裂隙面发生破裂致使整个岩块发生破坏。因此，较低的荷载就能使岩块发生破坏且破坏面不规则，出现明显的结构面。

4 结 论

本文对不同类型的岩石进行现场点荷载强度测试，对结果进行详细的统计分析，同一岩性的岩块会发生不同形式的破坏，并且不同破坏方式的点荷载强度相差较大。因此，笔者得出以下结论和 建议：

（1）在进行现场点荷载强度测试时，一定要对破坏方式作详细的记录，不要盲目的就对所测得的数据求取平均值。

（2）破坏面有明显裂隙的岩块，点荷载强度较小，主要受到节理面发育程度的控制。建议这种试样不作为判断岩石强度的参数，最好也不要与其他实验数据综合求平均值。这种破坏主要受到节理面的影响，并且节理面的贯通程度很大。

（3）破坏面平整的试验岩块的强度可以作为岩石强度的参考，它主要代表完整岩块的点荷载强度。这与实验室单轴抗压和单轴抗拉强度试验作对比，并且也结合破坏形式进行强度转换系数的计算，这样会使计算结果更为精确。

（4）破坏面不平整的试验岩块可以结合工程地质岩体，计算和判断岩体的强度特性，当然也可以结合实验室内的岩石强度进行对比分析岩体的强度特性。

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(2018-11-14)

徐 飞(1988—),男,河南周口人,工程师,主要从事采矿技术、通风、采矿地质安全、采矿环境评价等工作, Email: ufei13@163.com。