采用点荷载试验获取岩石力学强度参数

周 芬 赵武鹍

(1.安徽马钢罗河矿业有限责任公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；

3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

采用点荷载试验获取岩石力学强度参数

周 芬1赵武鹍2,3,4

(1.安徽马钢罗河矿业有限责任公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；

3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

对岩石点荷载试验结果精度的影响因素及各种采用点荷载试验获取岩石力学强度参数的方法进行了分析，提出了通过面积纸计算破裂面面积来提高点荷载试验结果精度的方法，给出了点荷载试验结果转换岩石力学强度参数的计算公式，并通过工程实践加以验证。结果表明，该公式可快速、可靠、低成本获取工程岩石力学强度参数，对于确保工程安全性与造价合理性具有一定的参考价值。

点荷载试验 力学强度参数 面积纸 工程实践

随着生产力水平的不断提高，水利建设、矿山开采、道路建设、桥梁架设等工程规模的不断扩大，该类工程均涉及到稳定性问题，而影响工程稳定性的重要因素之一是工程岩体力学强度。岩石力学强度基本上是在实验室按岩石试验规程的要求进行测定，由于试件数量有限，使得测试数量的代表性和可靠性受到很大影响。点荷载试验仪器小型轻便，并可采用不规则块体进行试验，为在现场开展岩石力学强度测试开辟了道路[1]。随着近年来对点荷载试验研究的不断深入，其所转化的岩石力学强度指标的精度大大提高，在很大程度上保证了工程的安全性与造价的合理性。因此，充分利用点荷载试验，在有限的勘查资料基础上，获取最为可靠的工程岩石力学参数，为一项非常有意义的工作。

1 点荷载试验简介及破坏机理

岩石点荷载试验是将规则的岩芯或不规则的岩石块体置于上下2个球端圆锥状之间，首先对试件施加竖向压力,直至试件破坏，然后根据仪器记录下的压力值P及试件破坏的尺寸L、D，求得岩石的点荷载强度Is。

在点荷载作用下，岩石试样在距加荷点一定距离内所受到的力接近压应力，形成压应力区；在距加荷点一定距离之外的一个范围内，岩石受到了垂直于加载轴方向的弹性拉应力，形成弹性拉应力区[2]。在拉应力区内，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，该类裂纹互相靠拢形成滑动线，随着荷载的进一步作用，该类裂纹逐步发展，并最终与弹性拉应力区相连接，即试样在拉应力作用下发生劈裂。

2 岩石力学强度参数获取

点荷载试验结果的影响因素有岩石试样的数量、形状、长径比等[2]，在大量试验的基础上，在试样数量足够多的情况下，可排除试样形状及尺寸对试验结果的影响。点荷载试验结果的应用存在2大问题：①破裂面的面积测量较困难且测量结果不准确；②点荷载试验确定Is(50)(岩心直径约 50 mm时的点载荷强度)方法十分复杂且修正方法难以消除误差的影响，此外，换算的单轴抗压强度不通用[3]。采用制作面积纸的方法来测量破裂面的面积，如图1所示。将透明的面积测量纸放置于点荷载试验压裂的岩石试样破裂面上，用笔画下其轮廓，并计算出面积，该方法简单省时且计算结果较为准确。

图1 面积纸计算破裂面面积示意

笔者通过大量工程实践，认为《工程岩体分级标准》(GB 50218-94)[4]给出的单轴抗压强度与文献[1]给出的单轴抗拉强度的计算公式是可行的，所得结果满足工程精度要求。

(1)

式中，σc为单轴抗压强度，MPa；σt为单轴抗拉强度，MPa。

图2 抗压抗拉应力圆公切线

已知∠O1O2D=∠CEO，故tanφ=tan∠CEO=tan∠O1O2D=O1D/O2D，所以内摩擦角为

(2)

在实践过程中，一般对式(2)折减后进行应用，文献[1]通过降低10%作为工程上岩石的内摩擦角。为了更好地与点荷载试验结果进行对比，利用FLAC3D软件分别对软岩、较软岩、硬岩进行三轴试验模拟，模型尺寸为100mm×50mm×50mm，加载速率为2.5×10-5m/s，加载等级分别为100，300，500kPa。本构模型均为莫尔-库仑模型，施加的边界和约束条件为：①在z=0端面施加法向约束，z=100的端面施加常速度；②在x=0和x=50的两平面施加法向约束；③在y=0和y=50两平面施加侧向压力。保持加载速度不变，直至试件屈服破坏，记录轴压方向和侧压方向多个监测点的应力、位移值；由屈服点对应的轴向应力和侧向应力大小，绘制主应力莫尔圆，依据常规三轴试验力学公式计算出抗剪强度参数。根据FLAC3D软件模拟结果，对式(2)进行适当修正，得到

(3)

式中,k为修正系数，当岩石为软岩时，k取0.6～0.7；当岩石为较软岩时，k取0.7～0.8；当岩石为硬岩时，k取0.8～0.9；其他符号意义同前。

3 工程应用

某露天矿边坡呈平缓弧形，坡高220 m，最终边坡角为47°，边坡控制岩性为片理化蛇纹岩、碳酸盐化蛇纹岩及蛇纹岩，岩体结构为散体-破裂-块状，结构面光滑，节理裂隙极为发育。+4 200～+4 272 m平台存在一滑坡区域，形成原因为：控制性岩性为片理化蛇纹岩，其物理力学性质较差，遇水极易软化，片理化蛇纹岩组成边坡岩体，导致该区台阶垮塌严重，边坡破坏模式为圆弧形破坏。应用STDZ-2数显点荷载试验仪对该区域组成边坡的岩性进行大量点荷载试验，部分结果见表1。该边坡控制岩性的力学强度参数计算结果见表2。根据表2获得的岩石力学强度参数，计算边坡稳定性，结果如图3～图5所示。由图3可知该局部台阶为片理化蛇纹岩边坡区域部分；由图4可知边坡最小安全系数为0.82；图5边坡塑性区贯通且塑性区台阶坡脚处位移变化较大,邻近区域的位移也较大，说明该边坡已破坏，这与实际情况吻合。勘查报告给出的参数与文中计算的正常破坏的参数一致，计算出的安全系数为1.21，据此可知边坡相对安全。因此，利用文中公式来获取岩石力学强度参数用于边坡稳定性分析是可行的。

4 结 语

通过对岩石点荷载试验过程、破坏机理及试验结果精度的影响因素以及采用点荷载试验获取岩石力学强度参数的方法进行了分析，提出了通过面积纸计算破裂面面积来提高点荷载试验结果精度的方法，给出了点荷载试验结果转换岩石力学强度参数的计算公式，并将该公式用于边坡稳定性计算中进行验证，所得结果与工程实际相吻合，具有一定的实用性。

[1] 李茂兰，钟光宙.岩石点荷载测试及其应用[M].成都：西南交通大学出版社，1994.

表1 边坡岩石点荷载试验结果

[2] 姜 彬，夏 帆，杨大明.点荷载试验研究[J].华北科技学院学报，2011(4)：20-22.

[3] 王 茹，唐春安，王述红.岩石点荷载试验若干问题的研究[J].东北大学学报：自然科学版，2008，29(1)：130-132.

表2 点荷载试验数据

图3 边坡模型

图4 极限平衡法计算边坡稳定性

图5 差分法边坡塑性区及速度示意

[4] 中华人民共和国国家技术监督局，中华人民共和国建设部.GB 50218-94 工程岩体分级标准[S].北京：中国计划出版社，1994.

2015-01-08)

周 芬(1986—)，女，助理工程师，231500 安徽省合肥巿庐江县罗河镇。