巖石的變形特性及試驗方法研究論文
巖石的變形特性是指巖石在外力作用下巖石中的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系特性，它是影響建筑物穩(wěn)定的重要因素。巖石在較小的力的作用下首先發(fā)生變形，變形量隨作用力增大而增大，當(dāng)作用力和變形量超過一定的限度后就會發(fā)生破壞，在作用力不斷增大的過程中，巖石的變形和破壞是一個統(tǒng)一的、連續(xù)的過程。工程巖體如果變形過大就會導(dǎo)致上面的建筑物失穩(wěn)危及安全，因此工程勘察期間必須獲得可靠的變形參數(shù)，才能據(jù)此在施工時采取適當(dāng)措施防止其對工程的影響，保證建筑物的安全。下面分別從巖石的變形特性、變形階段和試驗方法等方面進行探究
1巖石變形的特性
巖石的變形性質(zhì)通常用應(yīng)力一應(yīng)變曲線表不，它通過測量巖石試樣受壓時的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系得到。山于巖石的組成成分及其結(jié)構(gòu)與構(gòu)造比較復(fù)雜，所以巖石的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系也比較復(fù)雜，巖石變形過程中表現(xiàn)出彈性、塑性、勃性、脆性和延性等性質(zhì)。
1. 1彈性
在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，物體受外力作用產(chǎn)生變形，去除外力后能夠立即恢復(fù)原狀的性質(zhì)，這種變形稱為彈性變形。
1.2塑性
物體受外力作用后發(fā)生變形，去除外力后不能完全復(fù)原狀的性質(zhì)，這種變形稱為塑性變形或永久變形。
1.3勃性
物體在外力作用下變形不能立刻完成，應(yīng)變速率隨應(yīng)力增大而增大的性質(zhì)，這種變形稱為流動變形。
1.4脆性
物體受力后，變形很小時就發(fā)生破裂的性質(zhì)。
1.5延性
物體能承受較大塑性變形而不喪失其承載力的'性質(zhì)。
另外，巖石的變形和破壞的性質(zhì)還會隨著受力狀態(tài)的變化而變化。巖石在三向受力狀態(tài)下與單向受力狀態(tài)下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系有很大的區(qū)別，隨著圍壓增大，三向抗壓強度增加，峰值變形增加，彈性極限增加，巖石山彈脆性向彈塑性、應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變。
2巖石變形的階段
根據(jù)單向無側(cè)限逐級維持荷載法應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線曲率的變化，可將巖石變形過程劃分為四個階段:
2. 1孔隙裂隙壓密階段
巖石中原有的微裂隙逐漸被壓密，曲線呈上升形，巖石變形多為塑性變形，曲線斜率隨應(yīng)力增大而逐漸增大，表不微裂隙的變化開始較快，隨后逐漸減慢，對于微裂隙發(fā)育的巖石，本階段較明顯，但致密堅硬的巖石很難劃出這個階段，此階段末點對應(yīng)的應(yīng)力稱為壓密極限強度。
2. 2彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段
巖石中的微裂隙進一步閉合，孔隙被壓縮，原有裂隙基本上沒有新的發(fā)展，也沒有產(chǎn)生新的裂隙，應(yīng)力與應(yīng)變基本上呈線性關(guān)系，曲線近于直線，巖石變形以彈性為主。此階段末點對應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性極限強度。
2. 3塑性變形至破壞峰值階段
當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限強度后，巖石中產(chǎn)生新的裂隙，同時已有裂隙也有新的發(fā)展，應(yīng)變的增加速率超過應(yīng)力的增加速率，應(yīng)力一應(yīng)變曲線的斜率逐漸降低呈下降形，體積變形山壓縮轉(zhuǎn)為膨脹，隨著應(yīng)力增加裂隙進一步擴展，巖石局部破損，且破損范圍逐漸擴大形成貫通的破裂面，導(dǎo)致巖石破壞，巖石變形不再恢復(fù)，此段末點對應(yīng)的應(yīng)力稱單軸極限抗壓強度。
2. 4破壞后峰值跌落階段至殘余強度階段
巖石破壞后，經(jīng)過較大的變形，應(yīng)力下降到一定程度開始保持常數(shù)，此段末端對應(yīng)的應(yīng)力稱為殘余強度。
3巖石變形的試驗方法
3. 1單軸壓縮變形試驗
這是室內(nèi)測定巖石變形參數(shù)最常用的方法，是指試件在軸向壓力下產(chǎn)生軸向壓縮、橫向膨脹，最后導(dǎo)致破壞的試驗。適用于能制成圓柱體(高徑比2~2:1)試件的各類巖石，可在不同含水狀態(tài)下進行試驗，同一含水狀態(tài)下每組試件應(yīng)為3個。可采用電阻應(yīng)變片法或千分表法，堅硬和較堅硬的巖石宜采用電阻應(yīng)變片法，較軟巖和軟巖宜采用千分表法。一般采用一次連續(xù)加載法或逐級一次循環(huán)法，最大循環(huán)載荷為預(yù)估極限載荷的50%，試驗時以每秒0. 5~1. 0Pa的速度逐級加載，施加一級載荷后立即測讀相應(yīng)載荷下的縱向和橫向變形值，一分鐘后再讀一次，再施加下一級載荷，讀數(shù)不少于10組。用電阻應(yīng)變片法時軸向或徑向的應(yīng)變片的數(shù)量可采用2片或吐片且應(yīng)牢固地貼在試件上;用千分表法時軸向和徑向的千分表各采用2只或吐只且應(yīng)分別安裝在試件直徑的對稱位置上。測試完成后根據(jù)測得的應(yīng)力和應(yīng)變值繪制應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，可分別計算巖石的彈性模量、變形模量和泊松比等變形參數(shù)。
3. 2三軸壓縮變形試驗
這是室內(nèi)測定巖石變形參數(shù)較少用的方法，一般在測定三軸壓縮強度的同時測讀三軸壓縮變形數(shù)據(jù)。適用于能制成圓柱體試件的各類巖石(高徑比2 ~ 2. 5:1)，同一含水狀態(tài)下每組不少于5個試件，5個試件分別在5級(一般按等差數(shù)列來分)不同的側(cè)壓下做試驗。試驗時將巖石試件放在密閉容器內(nèi)，先以每秒0. 05MPa的速度同步施加側(cè)壓和軸壓至預(yù)定的側(cè)壓值，并在試驗過程中保持不變，再以每秒0. 5~1. OMPa的速度連續(xù)施加軸向荷載，直至試件破壞。在加壓過程中同時測定不同荷載下的軸向變形值，每個試件測值不少于10組。測試完成后繪制軸向與側(cè)向應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，可根據(jù)需要分別計算彈性模量、變形模量等三軸壓縮變形參數(shù)。
4巖石變形參數(shù)的確定
4. 1彈性模量
應(yīng)力應(yīng)變曲線上直線段的斜率，對同一巖石在極限彈性范圍內(nèi)接近常數(shù)，反映的是巖石在彈性變形范圍內(nèi)的平均彈性模量，是最常用的變形參數(shù)。
4. 2割線模量(變形模量)
應(yīng)力應(yīng)變曲線上任意一點與原點的連線的斜率，工程勘察通常取抗壓強度50%處的點來計算，也叫割線彈性模量。
4. 3泊松比
應(yīng)力應(yīng)變曲線上任意一點橫向應(yīng)變跟縱向應(yīng)變的比值，對同一巖石在極限彈性范圍內(nèi)接近常數(shù)，工程勘察通常用抗壓強度50%處的點來計算，反映的是巖石在彈性變形范圍內(nèi)的平均泊松比，這也是常用的變形參數(shù)。
4. 4初始模量
應(yīng)力應(yīng)變曲線在原點處的切線的斜率。
4. 5切線模量
應(yīng)力應(yīng)變曲線上任意一點的切線的斜率。
5巖石變形試驗的改進
在普通柔性試驗機上做巖石壓縮試驗時，絕大多數(shù)試件破壞時突然崩潰、碎塊四射，只能測得峰值前的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，無法記錄下峰值后的情況，其根本原因是試驗機的剛度不夠大，為了獲得包括峰值后變形在內(nèi)的全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線，就需要提高試驗機的剛度，同時降低巖石試件的剛度。這可從以下四個方面來改進:
1架構(gòu)的截面積并減小其長度;2增加液壓柱的截面積并減小其長度;3減小巖石試件的截面積并增加其長度;4增加伺服控制系統(tǒng)，控制巖石變形速度恒定。
6結(jié)語
綜上所述，巖石的變形特性雖然很復(fù)雜，但在實際工程中，建筑物作用于巖石的應(yīng)力遠(yuǎn)低于單軸極限抗壓強度，巖石所處變形多為彈性變形狀態(tài)，因此可在一定程度上將巖石看作準(zhǔn)彈性體，用彈性模量來表不其變形特征，一般只需測定抗壓強度50%處的彈性模量和泊松比就可以了。另外在彈性極限壓力之內(nèi)單軸壓縮變形和三軸壓縮變形試驗結(jié)果參數(shù)值基本接近，而單軸壓縮試驗更簡單易行，故一般采用單軸壓縮試驗來測定巖石的變形指標(biāo)。
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