1、1室内岩石试验成果与岩体强度的相关性【摘要】室内岩石实验为岩体强度的评价提供了相关的数据的建议，通过对岩石实验成果数据的分析，结合岩体强度评估结果，对两者的相关性加以研究分析，对岩体强度评估体系的发展具有重要作用。 【关键词】岩石试验成果；岩体强度；相关性 中图分类号：P588 文献标识码：A 前言 文章对岩体强度计算思路的提出和估算方法进行了详细的介绍，对岩石试验结果的取值进行了阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对室内岩石试验成果与岩体强度的相关性进行了探讨。 二、岩体强度概述 人们对岩体强度理论的研究最早始于 18 世纪。岩体的强度指的是岩体破坏时的应力状态或应变状态，或者
2、是岩体抵抗破坏的极限能力 ，而破坏则是岩体变形过程中的一个特殊阶段。对于一个实际工程而言，则指的是岩体失去了预期的承载任务的能力，显然，形成破坏的具体现象将取决于其承载的任务如何。岩体的强度与破坏是相关联的，简单应力状态下的强度可由试验确定，复杂应力状态下的强度则由强度理论来确定。岩体的强度准则又称破坏判据，是研究岩体在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系，一般用极限应力状态下的主应力关2系方程表示 ： 或者用处于极限平衡状态下斜面上的剪应力和正应力关系方程表示：在岩体强度理论一百多年的发展过程中，许多专家学者相继提出许多非常有价值的强度准则。根据他们的研究理论和方法 ，可将岩体强
3、度理论划分为“理论强度准则”和“经验强度准则”两大类。前者基于材料力学和弹性力学的知识体系，包括 3 个经典强度理论：Mohr-Coulomb强度理论、Griffith 和修正的 Griffith 理论以及双剪强度理论。后者则是以试验为主要研究手段，近似地描述岩体破坏机理的破坏判据最著名的有 Hoek-Brown 经验强度准则等。 三、岩体强度理论分析 1、Mohr-Coulomb 岩体强度理论分析 这是岩体力学 中最常用的理论 ，该强度理论认为，材料达到极限状态时，某剪切面上的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值。 用摩尔应力圆来表示任意一点的应力： 我们把应力圆和强度曲线联系起来，
4、建立强度准则 ： 摩尔强度理论比较全面地反映了岩石的强度特性，它反映了岩石的3抗拉强度远小于抗压强度。该理论只能为岩石的破坏提供强度准则，而不能对岩石的破坏机理以及破坏的发生和发展过程进行描述。此外 ，该理论没有考虑中间主应力的影响，虽然在很多情况下，对岩石的破坏起主要作用的是最大、最小主应力，中间主应力起次要作用，但在某些情况下却不能忽略。对于摩尔强度理论，如果岩石的破坏机制是 由剪切作用引起的，该理论是有效的，否则 ，就不再适用。 2Griffith 强度 理论 和修 正的 Griffith 强度理论 大多数理论均把岩体材料看作连续的均质介质，实际上，岩体内部存在着许多细微裂隙，在力的作用
5、下，这些细微裂隙周围，特别是裂隙尖端产生较大的应力集中，从而增加裂隙端区域的弹性能。当由应力集中造成的弹性能积累到能使岩体沿裂纹扩展所作阻力功，岩体材料将沿裂纹开裂。Griffith 通过对材料及裂隙进行简化，提出了自己的强度准则。其表达式为： 3、经验强度准则 在众多经验强度准则中，Hoek-Bmwn 经验强度准则是被应用最广的强度准则之一，它不仅反映了岩体的固有特点和非线性破坏特征，以及岩石强度、结构面组数及所处应力状态对岩体强度的影响，而且弥补了 Mohr-oculomb 强度准则的不足。它能解释低应力区、拉应力区和最小主应力对强度的影响，并能沿用到破碎岩体和各向异性岩体的情况。其表达式
6、为： 4四、岩体强度计算思路的提出 在岩体工程中，我们接触的是岩体，而不是岩石。但岩体是由岩石组成的，两者的力学参数必然有一定的联系。但岩体毕竟与岩石不同，其性质并不完全由岩石决定，它们的力学参数也不完全相等。岩体是由包含一系列结构面的结构体所组成的复杂介质，从而岩体性质取决于所组成的岩石性质及结构面性质。于是，我们就自然会想到用室内岩石力学性质试验得到的参数来推算岩体力学参数。许多岩石力学文献中都介绍了计算岩体强度的 一种方法，即根据弹性波在岩体和该岩石试件中的传播速度比，可判别岩体裂隙发育的程度，称此值的平方为龟裂系数，以 K 表示为 K=V/v,式中:V岩体中弹性波的传播速度;v岩石中弹
7、性波的传播速度。 各种岩体的龟裂系数见表 1。 准岩体抗压强度计算式为:SMC=Kc,准岩体抗拉强度计算式为:Smt=Kt,式中 c、t 分别为岩石试件的单轴抗压强度和抗拉强度。 通过龟裂系数的计算，可得到岩体的力学参数，但有其本身的应用范围，用龟裂系数计算得到的岩体强度本身也是一种近似估算值。一些室内和现场测试资料表明，同类岩性在相距不远的不同地点，得到的测试结果可能相差较大，且测试地点中岩性变化、断层产状及规模、地下水、岩体含水率变化等对声波波速的影响较大，表现出较大的离散性，其测试结果在应用中存在一定困难，导致通过龟裂系数得到的岩体强度可靠性低。但前述的龟裂系数给我们提供了一种思路，即采
8、用某种计算方法，通过室内抗压强度试验，获得岩体抗压强度的推算值，并用岩体5抗压强度推算值与岩石抗压强度之比，作为岩体强度的弱化系数，然后就可用该系数来计算该岩体其它参数。 五、岩体强度估算方法 1.基于节理密度的岩体强度估算及修正岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对岩体力学性质及变形特征的影响，从而产生了结构效应。节理对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著的影响，是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非弹性的本质原因之一。 2.对于岩体与岩块之间的强度关系，国外学者 Vardar 年基于节理密度提出: Protodyakonov 在隧道工程中基于节理系数得出: 式中：
9、节理系数是指节理间距与样品的长度的比值；l 为节理间距（m） ；L 为试样长度（m） 。工程实践证明，两种方法在野外可行性比较高，可以在短时间根据现场粗略估算出岩体的强度。Vadar 提出的经验公式（1）得出的值与实际比较吻合，Protodyakonov 经验公式中 l 一般定义为典型段试样长度为 10m 的节理间距（即 L=10m） 。在野外的岩石边坡工程中，可取典型段来估算岩体强度，但在隧道工程中掌子面由于受爆破影响，常导致掌子面节理密度偏大，应用该法计算结果偏大。上述两个基于节理密度的经验公式重点考虑节理，没有考虑水对岩石的软化作用。笔者认为，对于岩块的强度应该进一步修正。因为除了岩块孔
10、隙中流体6内压力的影响外，无压力空隙流体的存在对岩块（尤其软弱岩石）强度具有很大的影响。Colback 等指出，对页岩或砂岩试件来说，水的存在使其强度大大降低，即饱和样比烘干样的强度减小一半；对于黏土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩、泥灰岩等岩石，软化性较强，岩石的软化系数一般为 0.40.6。Hoek 和 Bray 认为，孔隙压力会减少岩体结构面的抗剪强度. 六、岩石试验结果的取值 岩石的物理性指标中,一般来说,比重、密度(包括天然密度、干密度和饱和密度)试验结果较为集中,孔隙率和饱和吸水率结果较为离散,但由于岩石中的孔隙体积极小,它们在数值上的绝对差值仍是很小的,所以对于一个工程来说,只要有一定数
11、量具有代表性的岩石试验结果,其物理性指标就可按数理统计方法求得。 岩石的力学性指标试验结果的取值就要复杂一些,因为岩石力学性指标除了岩块的不均匀性等影响以外,还有岩石的各向异性等影响因素,所以力学性指标的离散性要大些,对于层理明显的岩石,平行层理和垂直层理分别进行试验,其力学性指标相差甚大。试验所用的岩块同一角上引出的 3 条棱应相互垂直,如达不到这个要求,其力学性指标的试验结果将会产生较大误差,尤以抗剪断强度受其影响最大。 岩石的破坏类型通常是脆性破坏和塑性破坏,脆性破坏主要是由于岩石中裂隙的产生和发展的结果,而塑性破坏可以处在塑性流动状态,这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。 七、室内岩石
12、试验成果与岩体强度的相关性 7本文目的在于将部分具有代表意义的实例资料以探讨室内岩样试验成果与岩体强度的相关性,进而以此为基础探讨评价岩体强度的有效方法。图 1 所示为不同侧限压力条件下,对现场制作的未扰动泥质灰岩半坚硬未风化岩石试件所做静载试验的应力应变曲线。图中曲线簇的一个共同特征是不论侧限压力如何变化,在该岩石破坏后的某一区间内,试件总具有一定的抗力稳定作用,这便是所谓“残余强度”的概念。 图 2 为新鲜花岗岩坚硬岩石试件的应力应变试验曲线,同样具有上述力学特性。这些曲线还反映出,即便是未经风化的同一岩性的岩石,达到峰值强度后,由于周向荷载围压的改变,其抗力值残余强度呈一定规律性变化,因
13、此笔者以为,“残余强度”的概念对于具天然结构面的破裂岩体强度评价具重要意义，,甚至可以用来作为一个评价岩体强度的重要参数。 通过原位试验成果分析,采用逆运算方法推测矿柱强度,在此基础上,将单轴应力状态下室内岩样的残余强度值与岩体强度评价值作对比舞,以此得出结论在变形破坏后阶段,室内岩样的残余强度可以看作是未经风化岩体的最低极限强度。 尽管下表 2 中岩体最低强度值是由试验结果分析和逆运算推定的,但它的意义在于,如果我们将室内岩样的平均单轴残余强度(用 R0r 表示)和平均单轴极限强度(用 R0u 表示)的比值(R0r/R0u)。看作是岩石的结构弱化系数的话,同时就可以考虑存在一个岩体的结构弱化
14、系数。不妨设岩体的结构弱化系数为“入”,则“入”可于工程最初设计阶段,通过现场大8型岩块原型试验加以确定。如果考虑天然应力状态对岩体强度特征的影响,那么,由图和图可知,其岩样的结构弱化系数仍可用其单轴平均残余强度和单轴平均极限强度的比值(R0r/R0u)取代,这样便使问题更加简化。笔者通过对部分岩石试验成果对比,在归纳、分析的基础上,依此提出一条在单轴或三轴应力状态下,评价岩体极限强度的经验关系曲线： Rn岩体极限强度; Ru岩样三轴(或单轴)应力状态下的极限强度; Rr岩样三轴(或单轴)应力状态下的残余强度; R0u岩样平均单轴极限强度; R0u岩样平均单轴残余强度; 入岩体结构弱化系数,可
15、于工程初设阶段通过原型试验推定。 八、结束语 综上所述，通过对室内岩石进行试验，研究了岩体在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的相关性。同时也有利于我国岩石强度评估理论体系的进一步完善，为节理岩体强度参数的研究提供了一条新的思路。然而较之欧美等发达国家，在岩石强度相关性方面的研究还是存在一定的差距，因此，需要我们投入更多的时间、财力、精力、科研力量加大研究力度，进一步促进我国的岩石强度评估理论体系的建设和发展。 参考文献： 1高磊矿山岩体力学M.北京:冶金工业出版社，2009 92姚宝魁，等矿山地下开采稳定性研究M 北京:中国科学技术出版社，2011 3西松裕一岩石力学基M 黄世衡译，北京:冶金工业出版社，2007 4刘宝琛，张家生，杜齐中岩石抗压强度的尺寸效应J 岩石力学与工程学报，2009，17(6)，611614
