徐 飛，陳 陽，李亞俊，文 磊

現(xiàn)場點荷載強(qiáng)度的破壞模式及其與單軸拉壓強(qiáng)度的相關(guān)性研究

徐 飛1，陳 陽1，李亞俊1，文 磊2

(1.湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院，湖南 長沙 410014；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 4100831)

對不同破壞方式和不同巖性的點荷載強(qiáng)度與室內(nèi)試驗的巖石強(qiáng)度的相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行研究。通過現(xiàn)場點荷載強(qiáng)度測試，得出巖塊的破壞方式主要分為平直破壞，不規(guī)則的彎曲破壞和沿節(jié)理面的不規(guī)則破壞，分析3種破壞方式的強(qiáng)度特征和破壞特征。結(jié)果表明：沿節(jié)理破壞的巖塊破壞面有明顯節(jié)理裂痕；平直破壞的巖塊表現(xiàn)為彈性破壞，破壞面平整且新鮮；彎曲破壞巖塊的點荷載強(qiáng)度較大，巖塊的破壞面表現(xiàn)出微小的節(jié)理。3種不同破壞方式的點荷載強(qiáng)度相差較大，因此，認(rèn)為不能盲目的將現(xiàn)場點荷載強(qiáng)度測試結(jié)果的平均值作為最終的實驗結(jié)果，必須根據(jù)不同的破壞形式分析點荷載強(qiáng)度，從而提高測試結(jié)果的可靠性。

點荷載強(qiáng)度;破壞模式;單軸抗拉強(qiáng)度;單軸抗壓強(qiáng)度;轉(zhuǎn)化系數(shù)

0 前 言

巖石點荷載試驗作為一種方便、快捷且費用低的強(qiáng)度試驗方法，可以采用現(xiàn)場不規(guī)則巖塊進(jìn)行試驗，接近現(xiàn)場實際情況。隨著地下礦山開采深度的逐年增加，礦山面臨高應(yīng)力等復(fù)雜條件，這為標(biāo)準(zhǔn)試樣的采集帶來一定的困難。正因為現(xiàn)場點荷載試驗方便的特性，使得點荷載強(qiáng)度測試針對深井礦山有更好的使用性。同時，國際巖石力學(xué)學(xué)會公布了《測定點荷載強(qiáng)度的建議方法》，通過點荷載強(qiáng)度來估算單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）和單軸抗拉強(qiáng)度（BTS）。T. N. Singh等人[1]對標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣進(jìn)行點荷載強(qiáng)度測試，并通過線性回歸方法研究不同類型巖石的BTS和UCS與點荷載強(qiáng)度的性關(guān)系系數(shù)，得出了通過點荷載強(qiáng)度快速評估UCS和BTS的經(jīng)驗方法。Kahraman S等人[2]研究了點荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之間的向光性，并進(jìn)一步分析其相關(guān)系數(shù)對巖體分級的影響。Basu A等人[3]建立標(biāo)準(zhǔn)巖石試件的點荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之間的經(jīng)驗關(guān)系，并通過點荷載強(qiáng)度預(yù)測巖石的單軸抗壓強(qiáng)粘度。Azimian A等人[4]運用點荷載強(qiáng)度結(jié)合P波速度來預(yù)測巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。郭曼麗[5]通過集中方法來討論點荷載強(qiáng)度試驗在工程上的適用性。

本文以云南某深井礦山（深度約為1000 m）的探礦巷道為研究對象，該礦處于高原地區(qū)，深部巖體面臨高應(yīng)力的復(fù)雜環(huán)境，并且深部巖體比較破碎。以該探礦巷道所揭露的4種不同的巖性巖層組為研究對象，該4組巖層分別為：棲霞茅口組，虎斑狀灰色深灰色淺灰色細(xì)晶至隱晶質(zhì)灰?guī)r、白云巖，部分節(jié)理發(fā)育；威寧組，灰色細(xì)晶灰?guī)r，斷面有青灰色泥質(zhì)物，部分節(jié)理發(fā)育淺灰至深灰色灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r；擺佐組，白色，中至細(xì)晶結(jié)構(gòu)，塊狀厚層白云巖，部分節(jié)理發(fā)育，淺灰白色、肉紅色粗晶白云巖；大塘組，深灰色、灰色細(xì)晶灰?guī)r，部分節(jié)理發(fā)育，深灰色隱晶白云巖。在現(xiàn)場對不規(guī)則巖塊進(jìn)行點荷載強(qiáng)度試驗，并且對試驗巖塊的破壞方式做詳細(xì)的記錄。由于點荷載試驗數(shù)據(jù)離散性較大的缺點，詳細(xì)記錄實驗過程和巖塊的破壞方式，分析得出不同破壞方式的點荷載強(qiáng)度與巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性系數(shù)，以便能更好的判斷哪種破壞方式的巖塊對現(xiàn)場試驗有更高的精確度。從而對巖石點荷載強(qiáng)度的現(xiàn)場測試有重要的指導(dǎo)意義和實際意義。

1 點荷載強(qiáng)度的計算方法

現(xiàn)場點荷載試驗因為試件的隨機(jī)性和不規(guī)則性導(dǎo)致測試結(jié)果有一定的差異。王茹等人[6]通過對點荷載強(qiáng)度試件的形狀尺寸以及測試數(shù)量等若干問題進(jìn)行探討，以便推廣現(xiàn)場點荷載強(qiáng)度測試方法。王維剛[7]等人通過對比兩種點荷載強(qiáng)度試驗方法分析不同計算方法和數(shù)據(jù)的不同處理方法來對比其誤差，從而是電荷在強(qiáng)度測試結(jié)果更加精確。彭杰[8]等人運用BAYES理論研究現(xiàn)場點荷載測試小樣本數(shù)據(jù)的可靠性。此外，國內(nèi)外其他一些學(xué)者針對點荷載強(qiáng)度與UCS和BTS的相關(guān)性作了比較深入的研究[9-13]。但是在已有的研究中，都沒有對破壞方式進(jìn)行完整的統(tǒng)計和分析，并且大多數(shù)試驗都是在實驗室進(jìn)行。筆者認(rèn)為，現(xiàn)場點荷載試樣來自于現(xiàn)場隨機(jī)拾取的巖塊，隨機(jī)性比較大并且形狀和尺寸都不規(guī)則，所以有必要對試驗結(jié)果進(jìn)行分類，根據(jù)不同的破壞方式進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計和分析，并且將實驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)試件的點荷載強(qiáng)度。

因此本文針對現(xiàn)場不規(guī)則的巖石試樣，結(jié)合ISRM法，在不規(guī)則試件的破壞面上，通過評估破壞面的面積來計算測試試件的等效直徑，從而獲得試件的點荷載強(qiáng)度。

式中，e為試樣的等效直徑；為破壞面兩加載點的間距；為破壞面的平均寬度；為施加的荷載；s為試樣的點荷載強(qiáng)度。為了最大程度的消除不同尺寸引起的誤差影響，通過尺寸修正系數(shù)，將不規(guī)則形狀和尺寸的點荷載強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)試件的點荷載強(qiáng)度，其經(jīng)驗公式為：

2 試驗結(jié)果及其分析

此次試驗主要是針對該礦區(qū)內(nèi)揭露的四種不同巖層的巖石，對這4種不同的巖層分別進(jìn)行室內(nèi)UCS試驗和室內(nèi)BTS試驗以及現(xiàn)場點荷載試驗。UCS和BTS的試件采用標(biāo)準(zhǔn)試件(UCS:100 mm× Φ50 mm; BTS:50 mm×Φ50 mm)，現(xiàn)場點荷載強(qiáng)度測試試樣則通過現(xiàn)場隨機(jī)拾取。

2.1 試驗結(jié)果

本次實驗采用MTS-815液壓伺服控制力學(xué)試驗機(jī)對巖石試件進(jìn)行單向壓縮試驗。巖石抗拉強(qiáng)度測定采用巴西劈裂法，采用MTS-322試驗機(jī)進(jìn)行。為了與現(xiàn)場含水條件下的點荷載試驗結(jié)果相對應(yīng)，將實驗室制作的標(biāo)準(zhǔn)樣品置入水中浸泡48 h，然后再進(jìn)行試驗，所獲得巖石的UCS和BTS平均值如表1所示。

表1 巖石UCS和BTS平均值/MPa

點荷載儀器采用SD-1數(shù)碼點荷載儀。針對該區(qū)域常見的4種不同巖性的巖體按規(guī)定尺寸進(jìn)行現(xiàn)場拾取巖樣。結(jié)合儀器的尺寸，現(xiàn)場拾取樣品的尺寸為長度小于15 cm，寬度小于10 cm，試件的厚度小于10 cm?，F(xiàn)場巖塊試樣如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場點荷載試件

根據(jù)現(xiàn)場點荷載測試結(jié)果，4種不同巖性巖塊的破壞形式大體上總結(jié)分為規(guī)則平直破壞、不規(guī)則面彎曲破壞和沿節(jié)理面不規(guī)則破壞3種破壞方式。即破壞面比較平整，且破壞面沒有明顯的節(jié)理裂隙面；破壞面不規(guī)則，但是看不到明顯的節(jié)理裂隙面；破壞面不平整，破壞面能表現(xiàn)出明顯的節(jié)理面。巖石點荷載平均強(qiáng)度見表2。

2.2 點荷載與拉壓強(qiáng)度的相關(guān)性分析

對點荷載試驗實測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，分析不同破壞方式對應(yīng)的轉(zhuǎn)換因子的特征如圖2至圖9所示，線性回歸結(jié)合統(tǒng)計結(jié)果分析，同一種巖性的巖塊在三種不同破壞形式的點荷載強(qiáng)度有明顯的差別，并且強(qiáng)度值相差較大。在與單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度進(jìn)行換算時，獲得的轉(zhuǎn)換因子也相差較大（見表3和表4）。

表3和表4表明，不同破壞形式的破壞強(qiáng)度特征差距很大，轉(zhuǎn)換因子相差也很大，發(fā)生彎曲破壞時的強(qiáng)度最大，裂隙破壞時的強(qiáng)度最小。發(fā)生平直破壞的巖塊從破壞面看，表現(xiàn)出較好的完整性，但是卻沒有表現(xiàn)出最高的強(qiáng)度特征，說明完整巖塊表現(xiàn)出彈性體的特征，破壞機(jī)理是超過巖體本身的彈性極限發(fā)生彈性體的破壞，與加荷速率也有很大關(guān)系。

圖2 點荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性（C1d）

圖3 點荷載強(qiáng)度與單軸抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性（C1d）

大塘組對應(yīng)平直破壞、彎曲破壞和沿節(jié)理面破壞的轉(zhuǎn)換因子值分別為24.42，14.47，36.41，值分別1.77，1.01，2.54，不同破壞方式對應(yīng)的線性回歸見圖2和圖3；擺佐組對應(yīng)平直破壞、彎曲破壞和沿節(jié)理面破壞的轉(zhuǎn)換因子值分別為16.04，17.15，23.25，值分別為1.10，1.18，1.59，不同破壞方式對應(yīng)的線性回歸見圖4和圖5；棲霞茅口組對應(yīng)平直破壞、彎曲破壞和沿節(jié)理面破壞的轉(zhuǎn)換因子值分別為13.25，12.04，19.15，值分別為0.97，0.88，1.40，不同破壞方式對應(yīng)的線性回歸見圖6和圖7；威寧組對應(yīng)平直破壞、彎曲破壞和沿節(jié)理面破壞的轉(zhuǎn)換因子值分別為20.04，12.47，37.23，值分別為1.10，1.18，1.59，不同破壞方式對應(yīng)的線性回歸如圖8和圖9所示?？紤]到現(xiàn)場測試試樣的形狀和尺寸的不規(guī)則性，因此，現(xiàn)場點荷載強(qiáng)度的測試作詳細(xì)的記錄非常重要，同一巖性的巖塊不同破壞方式強(qiáng)度值不同，且不同巖性的巖塊強(qiáng)度也不同，這為分析巖體的力學(xué)特性和破壞特性提供有力的參考。

圖4 點荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性（C1b）

圖5 點荷載強(qiáng)度與單軸抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性（C1b）

圖6點荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性（P1q+m）

圖8點荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性（C2w）

3 討 論

（1）平直破壞。即破壞面比較平整，且破壞面沒有明顯的節(jié)理裂隙面。此種破壞主要發(fā)生在完整性較好的巖塊試驗過程中，這種巖塊內(nèi)部沒有節(jié)理裂隙，可視為均質(zhì)的材料。在試驗過程中，破壞的瞬間發(fā)出“嘭”的一聲響，然后破裂的巖塊彈射出去，說明完整的巖塊表現(xiàn)出脆彈性的性質(zhì)。因此這種破壞可視為由于巖塊所受荷載超過彈性極限，而發(fā)生的瞬間破壞。這種巖塊受加荷速率的影響較大，加荷速率越快，巖塊破壞時的強(qiáng)度就越低，彈射出去的距離就越近，并且在深部復(fù)雜環(huán)境下，這種巖體很容易產(chǎn)生巖爆。

（2）彎曲破壞。即破壞面不規(guī)則，但是又看不到明顯的節(jié)理裂隙面。此種巖塊內(nèi)部含有微小非貫通的微裂隙。根據(jù)格里菲斯理論，巖塊在受到單向荷載時，微裂隙的端部會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使微裂隙逐漸的擴(kuò)展，最后多個微裂隙面貫通，導(dǎo)致巖塊發(fā)生破壞。

（3）沿節(jié)理面彎曲破壞。即破壞面能表現(xiàn)出明顯的節(jié)理面，這種破壞的巖塊內(nèi)部含有一組或多組貫通或半貫通的節(jié)理裂隙面，在受到單向荷載時，很容易沿著裂隙面發(fā)生破裂致使整個巖塊發(fā)生破壞。因此，較低的荷載就能使巖塊發(fā)生破壞且破壞面不規(guī)則，出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)面。

4 結(jié) 論

本文對不同類型的巖石進(jìn)行現(xiàn)場點荷載強(qiáng)度測試，對結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計分析，同一巖性的巖塊會發(fā)生不同形式的破壞，并且不同破壞方式的點荷載強(qiáng)度相差較大。因此，筆者得出以下結(jié)論和 建議：

（1）在進(jìn)行現(xiàn)場點荷載強(qiáng)度測試時，一定要對破壞方式作詳細(xì)的記錄，不要盲目的就對所測得的數(shù)據(jù)求取平均值。

（2）破壞面有明顯裂隙的巖塊，點荷載強(qiáng)度較小，主要受到節(jié)理面發(fā)育程度的控制。建議這種試樣不作為判斷巖石強(qiáng)度的參數(shù)，最好也不要與其他實驗數(shù)據(jù)綜合求平均值。這種破壞主要受到節(jié)理面的影響，并且節(jié)理面的貫通程度很大。

（3）破壞面平整的試驗巖塊的強(qiáng)度可以作為巖石強(qiáng)度的參考，它主要代表完整巖塊的點荷載強(qiáng)度。這與實驗室單軸抗壓和單軸抗拉強(qiáng)度試驗作對比，并且也結(jié)合破壞形式進(jìn)行強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算，這樣會使計算結(jié)果更為精確。

（4）破壞面不平整的試驗巖塊可以結(jié)合工程地質(zhì)巖體，計算和判斷巖體的強(qiáng)度特性，當(dāng)然也可以結(jié)合實驗室內(nèi)的巖石強(qiáng)度進(jìn)行對比分析巖體的強(qiáng)度特性。

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(2018-11-14)

徐 飛(1988—),男,河南周口人,工程師,主要從事采礦技術(shù)、通風(fēng)、采礦地質(zhì)安全、采礦環(huán)境評價等工作, Email: ufei13@163.com。