地质力学学报  2017, Vol. 23 Issue (2): 327-333
引用本文
王连山, 孙东生, 郑秀华, 赵卫华, 李阿伟, 李全. 三种典型岩石单轴抗压强度的尺寸效应试验研究[J]. 地质力学学报, 2017, 23(2): 327-333.
WANG Lian-shan, SUN Dong-sheng, ZHENG Xiu-hua, ZHAO Wei-hua, LI A-wei, LI Quan. SIZE EFFECT EXPERIMENT OF UNIAXIAL COMPRESSIVE STRENGTH OF THREE TYPICAL ROCKS[J]. Journal of Geomechanics, 2017, 23(2): 327-333.
三种典型岩石单轴抗压强度的尺寸效应试验研究
王连山1,2 , 孙东生1,3 , 郑秀华2 , 赵卫华1,3 , 李阿伟1,3 , 李全1,3     
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 中国地质大学(北京)工程技术学院, 北京 100083;
3. 国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081
摘要:尺寸效应是岩石力学领域研究的难点与热点。本文利用自主研发的大尺寸刚性试验机,开展了最大样品尺寸为400 mm×400 mm×800 mm大理岩、闪长岩和凝灰岩的单轴抗压强度试验,从等高宽比条件下岩石强度的尺寸效应和不同高宽比条件下岩石强度变化两个方面开展了岩石强度尺寸效应研究,结果表明:相同高宽比条件下,岩石强度随样品尺寸的增大呈对数形式减小,且逐渐趋于定值;不同高宽比情况,岩石长宽为200 mm×200 mm,高度分别为200 mm,400 mm,600 mm和800 mm,岩石单轴抗压强度随高宽比的增加表现出先减小后增大的变化规律,对应的破坏形式表现为复杂劈裂、劈裂和剪切破坏。本文试验结果为丰富岩石尺寸效应研究提供了基础数据,同时对实际工程中岩体强度尺寸效应的修正具有一定参考价值。
关键词大尺寸岩石    单轴抗压强度    尺寸效应    高宽比    破坏形式    
SIZE EFFECT EXPERIMENT OF UNIAXIAL COMPRESSIVE STRENGTH OF THREE TYPICAL ROCKS
WANG Lian-shan1,2 , SUN Dong-sheng1,3 , ZHENG Xiu-hua2 , ZHAO Wei-hua1,3 , LI A-wei1,3 , LI Quan1,3     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. Key Laboratory of Neotectonic Movement & Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China
Abstract: Size effect is a popular and difficult issue in the field of rock mechanics. In this paper, the uniaxial compressive strength of marble, diorite and tuffsamples with the maximum sample size 400 mm×400 mm×800 mm were tested using the self-developed large-scale rigid testing machine. Two cases of size effect of rock uniaxial compression strength were conducted:one is with the same aspect ratio and the other is different aspect ratio with the same length and width. The results show that, with the increase of samples dimensions, the uniaxial compression strength decrease in logarithmic function form and gradually approach to a certain value in the case that with the same aspect ratio; In the case that with different aspect ratios, the length and width of the samples are 200 mm×200 mm, and the heights are 200 mm, 400 mm, 600 mm and 800 mm respectively. The uniaxial compression strength decreased first and then increased as the increase of aspect ratio of samples. And the corresponding failure modes of samples are complex splitting, splitting and shear failure respectively as the increase of aspect ratio. The results of uniaxial compression strength of different dimensions presented in this paper provide the basic data for the size effect research of rock samples. At the same time, the results have some reference value for the correction of size effect in the practical engineering.
Key words: large-size rock    uniaxial compressive strength    size effect    aspect ratio    failure mode    
0 引言

岩体强度是评价岩石工程稳定性的重要参数之一,是地下矿山开采中矿柱设计、数值模拟中岩石力学参数选取等地下工程设计施工及稳定性评价的重要力学指标[1~3],同时岩石的单轴抗压强度存在尺寸效应[4]。现有结果尽管在岩石强度尺寸效应研究方面取得了一定进展,但由于岩石材料的非均质性、各向异性和不连续性等特点,不同岩性的强度及尺寸效应模型不同[5~9]。同时不同高宽(径)比岩石强度亦存在不同的认识,如陈瑜等[10]和陈鹏等[11]通过实验和数值模拟等手段得出岩石的单轴抗压强度随高径比的增加而增大,而其他学者则得出了与上述相反的结论[12~18]。因此岩石强度的尺寸效应研究是岩石力学中尚未解决的问题之一,岩石单轴抗压强度的尺寸效应研究需建立在不断扩大岩石样品的尺寸范围和一定数量试验结果的基础上,进而从机理上认识岩石强度的尺寸效应[4, 19]

大尺寸岩石强度试验是岩石强度尺寸效应研究的重要组成部分,随着岩石样品尺寸的增加,要求试验设备具有较高的加载能力和较大的加载空间,目前由于试验条件等限制,岩石尺寸效应研究的样品直径主要集中在100 mm及100 mm以下[9, 12~14],样品直径(边长)大于100 mm的岩石力学试验,尤其是伺服控制刚性条件下大尺寸坚硬岩石单轴抗压强度试验数据有限。基于此,本文利用自主研发的大尺寸10000 kN双轴岩石力学试验机,初步开展了不同尺寸和高宽比条件下大理岩、闪长岩和凝灰岩单轴抗压强度的尺寸效应试验研究,研究成果可为基于统计基础上的岩石力学尺寸效应研究提供基础数据,对涉及大尺寸岩石抗压强度的工程设计、施工具有一定的指导意义。

1 岩石样品及试验设备 1.1 样品描述

试验样品选用分属变质岩、岩浆岩和沉积岩的大理岩、闪长岩和凝灰岩。三种岩石薄片照片如图 1所示,大理岩为白色,玻璃光泽,细晶结构,块状构造。主要矿物为白云石,含少量的石英和白云母,主要化学成分为CaO、MgO;闪长岩为灰白色,粗—中粒半自形粒状花岗结构,块状构造,主要矿物为斜长石(见环带结构和卡式双晶)、石英和正长石,次生变化不明显,主要化学成分是SiO2;凝灰岩是一种火山碎屑岩,经风化后呈灰绿色,致密块状,岩石中岩屑含量接近60%,基质含量为10%,主要由安山岩岩屑和长石、石英晶屑组成,颗粒分选性差,隐晶质基质,主要化学成分是SiO2,但含量略低于闪长岩。

a-大理石;b-闪长石;c-凝灰石
Qtz-石英;Dol-白云石;Mus-白云母;Fsp-长石;Bit-黑云母;Hb-角闪石
图 1 样品显微薄片照片(正交偏光) Figure 1 Microstructure photo of rock samples (crossed polars)
1.2 样品尺寸

为便于比较和样品的加工,本次试验样品均为正方棱柱状,样品端面边长介于25~400 mm之间,高度介于50~800 mm之间。为比较三种岩石抗压强度的尺寸效应,试验分为2种方案进行,一种为相同高宽比(高宽比为2:1) 情况下的对比试验;另一种为相同端面面积(端面200 mm×200 mm),高宽比分别为1,2,3,4情况下的对比试验。每个尺寸的平行试样为2~3个,岩石样品无肉眼可识别的明显缺陷和节理裂隙,试件上、下两端面的平行度按相关规程和标准进行控制[8, 20]

1.3 试验设备及方法

试验在中国地质科学院地质力学研究所10000 kN室内双轴加载装置上进行,该装置可实现双轴(轴向和水平方向)伺服控制独立加载,单向最大试验力为10000 kN,可装载的最大岩石尺寸为800 mm×800 mm×800 mm,如图 2所示。试验采用位移控制加载方式,加载速率控制在0.03 mm/min,直至样品破坏,其中小尺寸样品(25 mm×25 mm×50 mm和50 mm×50 mm×100 mm)在200吨刚性实验机上完成,其他大尺寸样品在10000 kN室内双轴加载装置上完成。试验过程中采用大尺寸电阻应变片(应变片有效面积为5 mm×30 mm)测量岩石的轴向和径向变形。由于大尺寸试件主要依赖手工制备,为保证试验过程中试样加载受力均匀,试验加载过程中在样品上下端面垫有10 mm厚铅版。

图 2 10000 kN室内双轴加载装置 Figure 2 10000 kN indoor biaxial loading device
2 试验结果

利用上述加载设备,本文开展了9种尺寸样品的单轴压缩试验,试件尺寸及单轴抗压强度如表 1所示。试验分两种尺寸类型,一种为等高宽比,即样品长宽相同,高度是长或宽的2倍;一种为大尺寸不同高宽比的单轴抗压强度试验,即样品的长宽分别为200 mm×200 mm,高度分别为200 mm、400 mm、600 mm和800 mm。因为大尺寸样品加工及制备成本较高,本文每种岩石的各种尺寸分别加工3个平行样品,由于实验过程中部分样品未取得有效试验数据,故岩石的单轴抗压强度(UCS)为2个或3个样品的平均值(见表 1)。

表 1 各个尺寸岩样的力学参数 Table 1 The mechanical parameters of each sample size
2.1 相同高宽比时岩石单轴抗压强度的尺寸效应

为探寻岩石单轴抗压强度的尺寸效应,本文开展了高宽比为2,样品尺寸介于25 mm×25 mm×50 mm到400 mm×400 mm×800 mm之间6种不同尺寸的单轴抗压强度,并对不同岩石单轴抗压强度随尺寸变化的规律进行了拟合,试验结果及拟合曲线如图 3所示。试验结果表明:3种岩石的抗压强度均随样品尺寸的增加而降低,本文所取得的岩石单轴抗压强度随样品尺寸的增加用对数关系拟合效果更佳,与相关研究成果[5~9]等取得的随尺度增大岩石强度呈指数递减存在一定差异,可能是岩性及实验条件等差异带来的影响。

图 3 三种岩石平均抗压强度尺寸效应拟合曲线 Figure 3 Fitting curves of average compressive strength size effect of three kinds of rocks
2.2 高宽比与岩石单轴抗压强度

根据行业标准[21],岩石单轴抗压强度的高宽比(高径比)为2~2.5,但现实工程中根据实际需要(如预留矿柱等),可能存在不同高宽比的情况,同时已开展的不同高径比的岩石单轴抗压强度试验中,主要为常规直径(50 mm)高径比与岩石单轴抗压强度之间的关系研究。本文在相同高径比岩石单轴抗压强度尺寸效应试验结果的基础上,选择长宽分别为200 mm,高度分别为200 mm、400 mm、600 mm和800 mm,开展大尺寸样品高宽比与岩石单轴抗压强度关系分析,得到不同高宽比条件下大理岩、闪长岩和凝灰岩的单轴抗压强度(见表 1),试验结果表明样品长宽分别为200 mm的情况下,随着样品高度的增加,三种岩石的单轴抗压强度均表现出先减小后增大的变化趋势。试验结果如图 4所示。

图 4 不同宽高比条件下岩石单轴抗压强度(样品长宽为200mm×200mm) Figure 4 Uniaxial compressive strength with different aspect ratio
2.3 岩样尺寸与破裂形式

岩石尺寸与单轴压缩破裂形式密切相关[10~11, 13, 20]。样品长宽分别为200 mm,高度为200 mm、400 mm、600 mm和800 mm,大理岩、闪长岩和凝灰岩的单轴压缩破坏形式如图 5所示。当样品高度为200 mm时,样品以复杂劈裂破坏形式为主,沿轴向出现较多的破裂面;随着高度的增加,样品高度为400 mm,600 mm和800 mm时,样品破坏形式发生了明显的变化,呈现劈裂破坏和剪切破裂。

图 5 三种岩石不同高宽比破坏形式对比图 Figure 5 The different failure mode contrast photos of three kinds of rocks with the different aspect ratios
3 讨论 3.1 岩石强度的尺寸效应模型

实际工程中,主要通过室内试验获取小尺寸岩石的强度,进而通过尺寸效应模型估算岩体的强度,因此选取恰当的尺寸效应模型是合理估算岩体力学参数的关键。刘宝琛院士基于国内外大尺寸单轴压缩试验数据,提出了用幂函数来表达岩石强度尺寸效应的经验公式[6];黄兴益等提出了改进的尺寸效应模型,指出岩石强度随尺寸增加呈幂指数衰减,并当尺寸达到某一临界值后,岩石强度趋于稳定[9],同时还有利用岩石和岩体之间弹性波速关系估算岩体强度等多种尺寸效应模型。而本文岩石强度尺寸效应试验结果表明,利用对数方程表达岩石的尺寸效应相关系数最高。出现上述多种岩石强度尺寸效应模型的原因可能包括以下几个方面:首先是岩石本身矿物成分、形成环境和结构的差异引起不同岩石的尺寸效应模型不同;其次是试验条件差异,如现场原位试验和室内刚性试验机的测量精度和采样频率等存在差异,对试验结果带来一定的测量误差;最后是样品尺寸的差异,由于室内大尺寸岩石强度试验机资源有限,目前多数岩石强度的尺寸效应模型是基于小尺寸样品试验结果的(直径或边长不大于100 mm),因此用小尺寸强度数据拟合的尺寸效应模型存在一定的局限性。本文利用自主研发的大尺寸加载装置,开展了大尺寸岩石强度试验(最大尺寸400 mm×400 mm×800 mm),为开展岩石强度的尺寸效应模型研究提供了大尺寸样品的试验结果。由于岩石材料非均质性、各向异性和不连续性等特点,可靠的岩石强度尺寸效应理论模型需建立在一定数量试验结果的基础上,岩石强度尺寸效应仍需深入研究。

3.2 不同高宽比岩石强度及破裂形式

如前所述,随着高宽(径)比的增加,岩石单轴抗压强度存在增大或减小不同的变化规律[10~18]。本文在岩石尺寸效应试验的基础上,根据特征尺度的概念[20],选择长宽分别为200 mm,高度为200 mm、400 mm、600 mm和800 mm的大尺寸样品,开展了大理岩、凝灰岩和闪长岩三种岩石不同高宽比的试验研究,试验结果如图 4所示,三种岩石随高宽比增加,岩石强度先减小后增大,出现上述岩石强度随高宽比变化规律的原因可能包括以下原因:当高宽比为1时,由于端面摩擦作用,岩样处于三维压缩受力状态,故具有较高的单轴抗压强度,破坏形势复杂;随着高宽比的增大,当高宽比为2~3时,岩样中部表现为一维应力状态,应力分布均匀,由于一维应力分布范围较小,样品以沿轴向张破坏为主;当高宽比为4时,相对于样品高度而言端部摩擦作用继续减弱,样品中部一维应力分布范围增大,样品以剪切破坏为主。三种岩石不同高宽比条件下的破坏形式如图 5所示。结果与前人(直径50 mm)强度试验的破裂形式基本一致,即直径一定时,随着长宽(径)比的增加,岩样破坏形式由劈裂破坏变为剪切破坏[10, 13]。随着高宽比的增大出现了岩石强度先减小后增大的试验结果,除端面摩擦效应影响之外有关,主要与岩石的破坏类型有关。因试验样品数量有限,本文仅形成以上初步认识,下一步我们将补充试验样品并开展数值模拟工作,深入探索岩石强度尺寸效应的破坏机理。

4 结论

(1) 岩石强度尺寸效应的拟合函数受试验条件、岩石成分、结构和尺寸等多因素影响,本文利用刚性试验机开展的大尺寸岩石强度试验结果表明,相同高宽比条件下,岩石强度与样品尺寸呈对数形式减小,且逐渐趋于定值。

(2) 通过不同高宽比岩石单轴试验研究发现,高宽比在1~4范围内,岩石强度随高宽比的增加表现出先减小后增大的变化规律,对应的破坏形式表现为复杂劈裂、劈裂和剪切破坏。

(3) 尺寸效应是岩石力学领域研究的难点与热点,尽管目前对该领域的研究取得了一定进展,但由于试验条件及成本等因素限制,相关试验以小尺寸样品为主,大尺寸岩石力学试验数据有限,再加上岩石非均质性和不连续性等特点,因此对于岩石强度尺寸效应的研究应从加大样品尺寸和增加样品数量两个方面着手,才能不断深入认识岩石的强度尺寸效应。

致谢:

本文研究工作得到了中国地质科学院地质力学研究所马寅生研究员、吴满路研究员的指导和帮助,审稿人提出了宝贵意见,在此一并表示感谢!

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