点荷载试验研究①

姜彬 夏帆 杨大明

(1.中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳 110015;2.沈阳双兴建设集团有限公司，辽宁沈阳 110021)

点荷载试验研究①

姜彬1②夏帆2杨大明1

(1.中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳 110015;2.沈阳双兴建设集团有限公司，辽宁沈阳 110021)

分析点荷载试验的方法和岩石在点荷载试验中的破坏机理，阐述了点荷载试验的适用性以及在工程应用中应注意的问题。根据大量实测数据，用蒙特卡罗法得出了点荷载强度分布的规律。

点荷载;破坏机理;强度

0 引言

点荷载试验具有仪器体积小、重量轻、携带方便、操作简单、利于现场试验;且对岩样的要求不高，可利用不规则试样进行试验，不需要对岩样进行加工，降低成本费用，节省时间;对低强度和风化严重的岩样进行试验，这是常规的试验无法做到的。由于其具有如此多的优点而被广泛的应用于现场试验，为我们及时提供重要的岩石力学参数，使我们更加快捷地解决工程实际中问题，为工程建设提供了良好的背景。

1 点荷载的方法

所谓点荷载试验［1］将待测岩样放在上、下两个球端圆锥状压板之间，对试样施加集中荷载，直至试样破坏，然后根据仪器记录下的压力值求得岩石的点荷载强度。点荷载强度，可作为岩石强度分类及岩体风化分类的指标，亦可评价岩石强度的各向异性程度，预估岩石的单轴抗压强度和抗拉强度等指标。

2 点荷载试验的破坏机理

Reichmuth对点荷载下材料破坏机制的分析指出，在点荷载作用下，岩石试样中同时形成拉应力区和压应力区，如图1所示：

1)在距加荷点一定距离周围之内的岩石所受到的力接近压应力，形成压应力区;

2)在距加荷点一定距离之外的一个范围内，岩石受到了垂直加载轴方向的弹性拉应力，形成弹性拉应力区。

图1 破坏机理示意图

在拉应力区中，加荷点附近的岩石产生弯曲状排列的雁行式裂隙。当荷载增大时，这些裂纹互相靠拢而形成滑动线，随着荷载的进一步作用，这种裂纹逐步发展，并最终与弹性拉应力区相连接，试样即

在拉应力作用下发生劈裂［2］［3］。

点荷载试验是由于加载方式使其产生有规律的裂纹，而岩石抗压试验主要是岩石本身的特性和非均质性(如矿物成分、胶结情况等)在压力作用下产生裂纹，而由于压力试验机与岩石试样是面接触，因此在岩石受力后，裂隙有一个闭合的过程(即压密过程)，其内部会有一个相互平衡效应。

由于点荷载试验与岩石抗压试验在破坏机理上的区别，使得用点荷载强度值测岩石抗压强度值时，存在不精确的因素。

3 影响因素

3.1 试件数量的影响

经验表明，试件的数量越多，统计出来的试验结构越趋近真实的数值，能较精确的反应岩体的本身特征，试件的数量越少，试验的结果偏差就越大。据统计试样数量为5块时其偏差最大;10块时，偏差也较大;当数量为15块时，其偏差基本接近20块时的偏差。因此，建议每组试验数量应不少于15块。

3.2 岩石试样的形状

试验所采用的岩石试样大致可分为两种：芯样(钻孔取出的圆柱形岩样)和不规则试样。对于芯样，若圆柱面光滑则试验的精度就会高一些;对于不规则试样，由于试样表面不平整，在这些凹凸不平的地方容易形成局部的应力异常场，从而影响试验精度。

3.3 岩石试样的长径比

试验证明，在径向试验中，当l/d≥0.5时(l为试件端面至载荷作用点的轴向距离;d为岩芯直径)，Is基本保持一常数值;当l/d＜0.5时，Is随l/ d的减少而下降。在轴向试验中，当l/d＜0.5时，Is随l/d的增加而迅速下降;1≥l/d≥0.5时，Is的下降变慢;而在l/d＞1时，Is趋于一常数。

研究表明，轴向试验受长径比的影响比径向试验要明显得多。

4 点荷载强度值的分析

由于试样的形状对试验结果的离散性有着直接的关系，且试样的形状越规整，所得数据的离散性越小，因此在试验时应尽量选取形状较为规整的岩样［4］。

本次点荷载试验所测孔段均位于岩体破碎带上，因此试验选用的试样多数较不规则。为了弄清点荷载强度指标的分布规律，确定该工程中点荷载强度指标与单轴抗压强度之间的换算关系，以弱风化石英砂岩为例，从160个试验结果中选取133个试验结果进行分析，其中不规则试样试验结果102个，规则试样21个。应用基于最优化的蒙特卡罗法对采集的数据进行分析处理，具体步骤如下

4.1 正态分布检验：

图2 规则与不规则试样点荷载强度指标频率分布与正态曲线图

图3 规则与不规则试样点荷载强度指标正态频率分布检验图

4.2 计算点荷载强度指标均值

通过分布拟合和X2检验，得到：

1)规则弱风化石英砂岩试样的点荷载强度指标均值为2.3721MPa，置信区间为［2.2601，2.4858］，置信度95%;

2)不规则的弱风化石英砂岩试样的点荷载强度指标均值为2.2841MPa，置信区间为［2.1525，2.4801］，置信度95%;

4.3 分析结果

1)在相同置信度下，不规则试验的点荷载强度指标的置信区间大于规则试样，这也证明了试样形状对点荷载试验结果的离散性有着一定影响，试样形状越不规则，结果离散性越大。

2)不规则试样的点荷载强度指标均值与规则试样的相比相差仅为0.088MPa，偏差仅3.71%，因此选取合适长宽比的不规则试样进行试验，所得出的试验结果也是具有一定代表性的，即用不规则试样进行点荷载试验是可行的。

3)综合规则试样与不规则试样的试验结果，得出弱风化石英砂岩的点荷载强度指标均值为2.3122MPa，置信区间为［2.2004，2.4575］，置信度95%。

5 结论

点荷载试验以其特有的优势广泛应用于不规则岩样的试验中，在试件数量足够多的情况下试验的结果比较接近规则试样的结果，一般情况下可以满足工程需要，为工程建设节约时间和成本，有一定的工程实际意义。

［1］工程岩体试验方法标准(GB/T 50266－99).中国建筑工业出版社

［2］杨红梅．点荷载试验探讨与应用［J］．露天采矿技术，2006，2(1)：17－20

［3］郭曼丽．试论岩石点荷载试验的适用性［J］．岩石力学，2003，24(3)：487－490

［4］赵奎，金解放，等．用岩石点荷载指标确定其单轴抗压强度的试验研究［J］．矿业研究与开发，2005，25(6)：32－33

On Point Load Test

JIANG Bin，XIA Fan，YANG Daming

(1.Shengyang Design and Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group，Shenyang Liaoning 110015;2.Shengyang Shuangxing Construction Group，Co．Ltd．，Shenyang Liaoning 110021)

The testing method of point load test，the failure mechanism of rock in point load test，the applicability of point load test and the matters of attention in applying point load test are also introduced in this paper.According to abundant measured data，the law that point load strength obeys normal distribution is educed by using Monte Carlo method.

point load test;failure mechanism;strength

TU459

A

1672－7169(2011)04－0020－03

2011－07－22

姜彬(1973－)男，辽宁沈阳人高级工程师，主要从事岩土工程勘察、设计工作。