地质结构发展过程的单轴与三轴压缩实验及力学特性分析

刘 静

（辽宁省东煤测试分析研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

地质结构作为一种岩体集合体，内部包含多种矿物，其力学参数在不同的实验条件下所表现出的特征存在一定的差异性。而地壳中的地质结构始终处于三向受力状态，通过对地质进行单轴实验和三轴压缩实验，可以精确测量力学参数值，为工程理论计算与施工提供重要的依据和参考。因此，为了更好地分析力学特性，如何科学开展地质单轴和三轴压缩实验是实验人员必须思考和解决的问题。

1 实验准备

在本次实验中，所用到的地质结构中的岩体主要以辉绿岩为主，这种岩体主要由多种成分组成，如辉岩、橄榄石、基性长石、石英等。为了进一步提高地质的统一性和完整性，所选用的地质样本必须要来自同一区域的岩石，同时，还要采用塑料包裹的方式，将其进行密封保存和运输，确保岩样的质量。同时，还要使用游标卡尺对样本进行测量，获得如表1所示的岩体尺寸。

表1 地质样品尺寸

2 实验数据分析

2.1 应力-应变关系曲线分析

在地质单轴和三轴压缩实验条件下，为了进一步提高岩石应力相关参数，现利用数据处理软件，并借助相关绘图软件，得到如图1所示的单轴压缩条件下辉绿岩轴向应力-轴向应变关系曲线，从图中可以看出，当轴向应力较小时，应力-应变关系曲线均呈现出上凹趋势，当轴向应力不断增加时，应力-应变关系曲线呈现出直线上升的趋势，当达到一定的峰值后，应力-应变关系曲线出现骤降现象。在整个实验中，如果听到清脆的声音，说明岩样出现破裂现象，同时，曲线突然下降，此外，由于受地质围压的制约和影响，当岩体样本的峰值应力出现骤降后，会逐渐丧失自身的承载能力。

图1 单轴压缩条件下辉绿岩轴向应力-轴向应变关系曲线

2.2 基本物理力学参数计算

根据如图1所示的单轴压缩条件下辉绿岩轴向应力-轴向应变关系曲线，对地质基本物理力学参数进行计算，得到如表2所示的地质基本物理力学参数。

表2 地质岩体样本基本物理力学参数

当岩石围压分别设置为1MPa、3MPa、5MPa、10MPa时，需要利用三个试件，计算出如表3所示的地质岩体基本物理力学参数平均值。从表中的数据可以看出，随着岩体围压的不断增大，地质岩体平均峰值强度、平均峰值应变以及平均残余强度等参数呈现出不断上升的趋势，由此可见，导致岩体泊松比较大的根本原因是试件中间位置发生变化。

表3 地质岩体基本物理力学参数平均值

2.3 试样离散性分析

为了准确地描述地质岩体在不同围压条件下所表现出来的力学参数离散程度，实验人员要在综合考虑工程力学参数的基础上，对地质的峰值强度、弹性模量以及离散程度等相关参数进行计算和统计，为后期全面了解和掌握力学特性创造良好的条件。同时，还要根据的离散程度，采用指标表征表示法，对地质结构的基本物理力学参数进行准确计算，为后期实际工程施工工作的有效开展提供有力的保障。

3 地质结构变形特征分析

图2 弹性模量与围压的关系

图3 变形模量与围压的关系

为了找出地质中在不同围压条件下所呈现的变形特征，实验人员要选取合适的变形指标参数，并完成对相关曲线的绘制。同时，通过采用剔除力学离散较大数据的方式，绘制出如图3—图4曲线。从这些图中可以看出，当地质围压不断增大时，地质岩体的弹性模量、泊松比等相关参数均呈现出非线性增长趋势，这些参数均可以利用幂函数拟合法，完成对相关变量的控制和调整，为提高岩体力学特性分析结果的真实性、准确性和完整性打下坚实的基础。另外，还要利用岩石变形特征，实现对岩体的力学相关参数的调整和设置，只有这样，才能保证地质三轴压缩实验结果的真实性、准确性和完整性。

图4 变形模量与围压的关系

4 地质岩体强度特征分析

对于地质岩体而言，其黏聚力与内摩擦角在实际工程设计和施工中发挥出重要作用，其设计水平直接影响了岩体工程施工的稳定性、可靠性和安全性，因此，加强对地质强度特征的分析显得尤为重要。首先，严格按照库伦强度相关标准和要求，采用回归分析法，对岩体的黏聚力与内摩擦角进行精确测量，同时，还要对离散程度较大的数据进行删除，然后，采用函数拟合的方式，将岩样的单轴压缩强度设置为235MPa，并得出如表4所示的地质岩体强度参数。从表中的数据可以看出，当岩体的黏聚力达到45.6MPa，地质中岩体样本内摩擦角达到50.6°时，在岩体残余强度下所获得的黏聚力为13.1MPa，相当于峰值黏聚力的28%，而内摩擦角大约是峰值内摩擦角的84%，由此可见，当岩样出现局部破裂时，地质中的黏聚力呈现出现下降趋势，但是，地质结构的内摩擦角基本不变，出现这一现象的原因是当地质样本出现断裂面后，地质岩体内摩擦角表明出现粗糙不平现象，这无疑增加了样本内摩擦角之间的咬合摩擦力。

表4 地质样本强度参数

5 结束语

综上所述，在本次实验中，通过对地质进行单轴和三轴压缩实验，得出以下结论：（1）随着地质周围围压不断增大，岩体的峰值应变、弹性模量以及泊松比等相关参数均呈现出不断增长趋势。其中，通过采用函数拟合的方式，可以确保地质样本峰值应变呈现出线性增长状态，这为后期开展实际工程项目提供重要的依据和参考。（2）通过对力学参数的离散程度进行定义和描述，可以对相关参数的离散程度指标值进行科学调整和控制，使其在0.27%—3.49%范围内波动，当其离散程度指标值较低时，可以直观形象地突出岩体的变形特性。（3）在岩体围压的不断增大下，地质岩体峰值强度和残余强度均呈现出正线性增长的趋势，通过采用函数模拟的方式，以保证岩体的稳定性和可靠性，为后期实际工程计算和施工打下坚实的基础。