岩石单轴抗压强度的尺寸效应研究

第３Ｏ卷增刊（１）　四川水力发电　Ｖｏ１．３０，Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ（１）　２　０　１　１年５月　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｙ．，　２　０　１　１　岩石单轴抗压强度的尺寸效应研究　汤大明，　杨寿成　（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都６１００７２）　摘要：影响岩石抗压强度试验值的因素很多，这些因素大致可分为两个方面：一方面是岩石自身的因素，如矿物成分、结晶　程度、风化程度等；另一方面是试验方法上的因素，如试件形状、尺寸大小等。研究结合西南某水电工程勘测设计工作需要，　进行了４种不同尺寸的岩石单轴抗压强度比较试验，以探索岩石单轴抗压强度的尺寸效应。试验研究结果表明：岩石单轴　抗压强度的尺寸效应明显，随试件尺寸的增大，其抗压强度值逐渐减小。　关键词：单轴抗压强度；尺寸效应；试件尺寸；岩块试验；水电工程　中图分类号：ＴＶ４１；ＴＶ２２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１－２１８４（２０１１）增１－０１１９－０４　１概述　试验值的因素繁多。这些因素大致可分为两方　岩石作为地球形成、地壳地质活动衍化的产　面：一方面是岩石自身的因素，如矿物成分、结晶　物，广泛存在于自然界中，在工程建设领域里，常　程度、颗粒大小、胶结形式、密度、层理和裂隙的性　常作为各类建筑物地基、围岩或建筑材料等被广　质及方向、风化程度、卸荷强度及含水状态等；另　泛使用。为了保证各类建造在岩石上、岩石内部　一方面是试验方法上的因素，如试件形状、尺寸大　或使用岩石材料等的工程建筑物建设及运行安　小、高径（宽）比、试件加工方式和加载速度等。　全，正确认识相关岩石的物理力学性质，通过试验　笔者结合西南某水电站工程勘测设计需要，　手段获得可靠的岩石性能指标，进而为勘测、设　采用《水电水利工程岩石试验规程》ＤＩＭＴ５３６８—　计、施工等专业提供必须的基础设计参数就显得　２００７（以下简称《规程》）、《工程岩体试验方法标　十分重要。单轴抗压强度是岩石物理力学性质的　准））ＧＢ／Ｔ５０２６６—１９９９（以下简称《标准》）要求的　重要参数之一，能直接反映岩石的坚硬程度。在　试验方法，通过对不同尺寸试件的岩石单轴抗压　矿山、地质、冶金、铁路、公路、水电水利及其他工　强度试验值进行分析比较，进而对试件尺寸效应　程建设领域，岩石单轴抗压强度是划分岩石坚硬　进行了研究和探索。　程度、开挖分级并确定可钻性等的重要依据；在水　２不同尺寸试件抗压强度试验　电水利工程中，无论岩石单轴抗压强度，还是岩体　２．１岩性特征　工程分类，都是评价工程岩体质量的重要指标；在　试验岩样取自某水电站工程厂址区现场勘探　建筑材料方面，岩石单轴抗压强度亦是评价岩石　平洞内，岩性为印支期（＂，／５２）斑状二云母花岗岩，　是否可用作建材的重要指标。　微风化一新鲜，斑状结构，块状构造。斑晶颗粒粗　岩石单轴抗压强度是指岩石试件在无侧限条　大，普遍达０．５～１．５　ｃｍ。基质为不规则粒状，主　件下受轴向压力作用产生压缩破坏时单位面积上　要由云母、石英、长石组成；斑晶主要由长石组成。　所承受的载荷，即试件破坏时的极限载荷与垂直　野外岩体完整，呈块状～次块状结构，断层不发　于加载方向的截面积之比。岩石单轴抗压强度一　育，但卸荷较强烈。岩石成分主要由长石（或斜　般在试验室内通过压力机对试件进行轴向加压，　长石）、石英及黑云母、白云母等组成，主要矿物　采用直接压坏试件的试验方法来加以测定。所谓　成分大致为：似斑晶斜长石为５０％；基质斜长石　抗压强度的尺寸效应，是指岩石单轴抗压强度试　为１０％，石英大于３０％，黑云母为２％～５％，钾　验值随试件尺寸不同而变化的现象。　长石少量。　大量试验研究结果表明，影响岩石抗压强度　２．２试件的制备　收稿日期：２０１１４）１—１７　根据《规程》和《标准》要求：“岩石抗压强度　Ｓｉｃｈｕａｎ讹灯Ｐｏｗｅｒ衄　汤大明等：岩石单轴抗压强度的尺寸效应研究　２０１１年增刊（１）　试件直径宜为４８～５４　ｍｍ；试件高度与直径之比　２．３试验方法　宜为２．０～２．５”。在水电水利工程中，岩石单轴　岩石单轴抗压强度试验采用直接压坏试件的　抗压强度试验通常选用圆柱体作为标准试件，尺　方法，即将试件置于压力机承压板中心，调整球形　寸为ｔｐ５　ｃｒｎ　ｘ　１０　ｃｍ。　座，使试件受力均匀，在无侧限条件下，施加轴　为了减少爆破对岩石的扰动影响，岩样在现　（纵）向载荷，加载速度为０．５—１　ＭＰａ／ｓ，直到试　场勘探平洞内由人工开挖采取，运送回试验室进　件破坏。试验在２００　ｔ和５００　ｔ压力机上进行。　行试件加工。该工程第一批（预可研阶段）岩石　小试件采用机械设备加工，端面平行度易于　物理力学性质试验进行了３组斑状二云母花岗岩　控制，试验时直接安放在压力机压板上；由于大尺　的抗压强度试验，岩样取自地表露头，弱微风化，　寸试件主要依赖手工制备，试验时在试件两端面　抗压强度值较低（湿抗压强度平均值为２４．３　与承压板之间垫放标准砂使试件受力均匀。　ＭＰａ，干抗压强度平均值为３３．３　ＭＰａ）。　３试验成果及分析　为了解岩石抗压强度的尺寸效应，探寻该工　为了解岩石抗压强度的尺寸效应，本次研究　程斑状二云母花岗岩强度值较低的原因，以及满　进行了４种不同试件尺寸的抗压强度对比试验。　足《规程》和《标准》中“含大颗粒的岩石，抗压强　其中：‘ｐ５　ｃｍ　ｘ　１０　ＣＩＴＩ进行了３组，１５　ｃｍ×１５　ｃｍ　度试件的直径应大于岩石中最大颗粒直径的ｌ０　×３０　ｃｍ进行了５组，２０　ｃｍ　ｘ　２０　ｃｍ　Ｘ４０　ｃｍ进行　倍”的要求，第二批（可研阶段）岩石物理力学性　了５组，２５　ｃｍ×２５　ｃｍ×５０　ｃｍ进行了３组。每组　质试验除了进行常规的ｔｐ５　ｃｍ　Ｘ　１０　ｃｍ尺寸抗压　试验干、湿状态各３个试件。　强度试验外，还进行了加大试件尺寸的抗压强度　试样取自工程厂址区２号平洞，岩性为斑状　比较试验。ｔｐ５　ｃｍ　ｘ　１０　ＣＩＤ＿小试件按常规制备；大　二云母花岗岩。室内物理性试验测得：块体干密　尺寸试件采用正方棱柱状，由人工配合机械制备，　度平均值为２．６７ｇ／ｃｍ　，颗粒密度平均值为２．７　高宽比为２：１，分３种规格：１５　ｃｍ　Ｘ　１５　ＣＩｌｌ×３０　ｃｍ　，普通吸水率平均值为０．３２％，饱和吸水率平　ｃｍ、２０　ｃｍ　Ｘ　２０　ｃｒｌｌ×４０　ｃｍ和２５　ｃｍ　Ｘ　２５　ｃｍ　Ｘ　５０　均值为０．３５％；岩石纵波速度为４．９～５．５５　ｋｍ／　ｃｍ。试件上、下两端面的平行度和垂直度仍按　Ｓ，平均值为５．２２　ｋｍ／ｓ。　《规程》和《标准》要求进行控制。　抗压强度试验成果见表１。由于第一批（预　受烘干和饱和设备制约，抗压强度试验中小试　可研阶段）试验岩石的风化程度不同，因此未参　件（ｔｐ５　ｃｍ　Ｘ　１０　ｃｍ）烘干和饱和按《规程》和《标准》　与表１的统计。　进行；大试件采用风干试件和自由浸水饱和试件。　表１　不同尺寸试件的抗压强度试验值表　圃Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　ＰｏｗＰｒ　第３０卷总第１４４期　四川水力发电　２０１１年５月　根据表１的试验成果值，以试件直径（或边　长）为横座标，以４种不同尺寸各试件的抗压强　上影响了岩石的强度。这些均表明岩石遭受了构　造作用，变质影响明显。　度试验值为纵座标绘制散点图，见图１、２。　５Ｏ　　：厶　客　茎　４０　…生　●　Ｉ　Ｉ　３０　Ｉ　２Ｏ　｝　ｉ　：１　１０　０　０　５　１０　１５　２Ｏ　２５　３Ｏ　试件直径（边长）／ｃｍ　图１　干抗压强度～试件直径关系散点图　５０　山　茎　４０　骥　蚓　３Ｏ　｝　●　－　－　ｉ　Ｉ　２０　ｊ　｝　ｊ　｝　’　ｉ　Ｉ　ｊ　Ｉ　Ｊ　－　ｌ０　Ｏ　０　５　ｌ０　ｌ５　２０　２５　３０　试件直径（边长）／ｃｍ　图２湿抗压强度～试件直径关系散点图　图１显示，无论湿抗压强度还是干抗压强度，　同一试件尺寸的点群均较为集中，表明岩石抗压　强度规律性较好，同时反映出工程区岩体在宏观　上均一性较好，微观上又有所差异。　斑状二云母花岗岩的抗压强度值较低，‘ｐ５　ｃｍ　Ｘ　１０　ｃｍ试件干抗压强度平均值为４３．１　ＭＰａ，　湿抗压强度平均值为３０．８　ＭＰａ。按《工程岩体分　级标准》ＧＢ５０２１８—１９９４评价是以该尺寸试验值　作为评判标准，划分属较坚硬岩石。　岩石磨片镜下鉴定显示，斜长石斑晶蚀变较　强烈，以土状泥化为主，并伴随有不规则状分布的　绢云母化，微裂隙十分发育；基质中的主要成分石　英波状消光强烈，斜长石与斑晶相似，黑云母与白　云母解理发育。岩石组分较新鲜，但矿物分布不　均匀，特别是片状云母的较集中分布在一定程度　由于岩石微裂隙及解理发育、强烈的蚀变变　质影响及片状云母的集中分布等因素综合作用，　降低了岩石的抗压强度。　４试验成果值曲线拟合　由图１、２及表１可见，散点点群集中度高，离　散性小；变异系数大部分小于０．１，仅有２个略大　于０．１且小于０．２。试验成果变异性评价为很小　～小；软化系数为０．７１～０．７４，变化幅度很小，最　大差值仅为０．０３。这些数据均表明岩石无论是　矿物组成或结构构造，稳定性、均匀性均较好，具　有进行曲线拟合建立抗压强度与试件直径相关关　系的基础。根据表１，以岩石干、湿抗压强度的平　均值为纵坐标，试件直径（或边长）为横坐标绘制　各试件尺寸座标图，见图３、４。　如　们　如　加＝２　Ｓ＝Ｏ．００００００００　０　∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞　ｉ－＝１．００００００００　…砖　量…Ｌ…　毫±＝＝＝圭二＝＝巴圭＝＝＝　皇　－＼　………－　……　…’－…。　骥　寸…　４…－　…・、。　：：千　：二：：　趟　ｉ．、、　ｋ　…～ｒ—ｒ…　＿　１　…一ｒ—ｒ…　＿　　●３．Ｏ　７０　ｌ１．０　１５０　１９．０　２３．０　２７．０　３１．０　３５．０　直径（或边长）／ｃｒｎ　图３　干抗压强度平均值～试件直径关系曲线图　Ｓ＝Ｏ　００００００００　ｒ＝１．００００００００　时　曼　＼　世ｃ　氍　＼　ｉ　；　……－　…０、　……－　…寸…。；　…一ｒ…ｒ…　，　．．　．…一ｒ…ｔ…一　……・　・…一・－　…丰…｛－…．　；　ｉ　３．０　７０　１１　０　１５０　１９０　２３０　２７．０　３１　０　３５０　直径（或边长）／ｃｍ　图４　湿抗压强度平均值～试件直径关系曲线图　根据图３、４座标点的分布情况进行了多种曲　线拟合，选用相关性好、能较好反映抗压强度随尺　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ衄　如　∞　∞∞∞∞汤大明等：岩石单轴抗压强度的尺寸效应研究　寸变化规律的ｗｅｉｂｕｌｌ模型作为拟合成果。所选　用的拟合曲线为：　Ｒ　：４３．０７—２４．４２ｅ　口１　（１）　Ｒ　：３Ｏ．８４—１９．４０ｅⅢ　（２）　式中尺　为岩石干抗压强度（ＭＰａ）；Ｒ　为岩石　湿抗压强度（ＭＰａ）；Ｄ为试件边长或直径（ｃｍ）。　为便于比较对照，对表达式（１）、（２）中部分　特征点进行了计算，计算值列于表２。　表２不同试件尺寸抗压强度计算值表　图３、４中的座标点趋势及拟合成果曲线表　明，随着试件尺寸的增大，其抗压强度值减小，当　直径趋于无穷大时，干、湿抗压强度均趋于定值，　分别为ｌ８．６５　ＭＰａ和１１．４４　ＭＰａ，即图３、４中的　两条渐近线，理论上这就是斑状二云母花岗岩岩　体的抗压强度。由表２可知，当试件直径为５０　ｃｍ时，干、湿抗压强度值分别为１８．８７　ＭＰａ和　１２．０５　ＭＰａ，与上述稳定值之间的差异分别为　１．２％和５．３％，因此，可将试件直径等于或大于　５０　ｃｍ时的抗压强度试验值近似作为岩体的抗压　强度值。　无论何种岩石，其内部均存在如裂隙、风化、　变质等各种地质缺陷，这些缺陷都会降低岩石的　抗压强度。随着试件尺寸的增大，各种地质缺陷　出现的机率增加（特别是隐蔽性缺陷），包含了更　多的影响因素，从而使抗压强度值有所降低。另　外，试验时，压力机的压板和试件承压端面紧紧相　接，产生端部效应，约束试件承压面及其毗连的部　分横向膨胀变形，进而抑制试件的破坏。随着试　件尺寸的不断增大，试件中间部分所受的摩擦阻　力越来越小，试件受压时得以自由地横向膨胀变　形，更容易出现纵向裂缝而破坏。　图３、４及表２还反映出：无论干抗压强度或　湿抗压强度，当试件直径小于７．４　ｃｍ，均趋于稳　咽Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏ＇．，Ｐ，　２０１１年增刊（１）　定值，分别为４３．０７　ＭＰａ和３０．８４　ＭＰａ，表明当试　件直径小于７．４　ｃｍ后，抗压强度基本不随试件尺　寸变化而变化，这是因为试验采用的岩石新鲜，结　构组成等均一Ｉ生好；试件尺寸小，包含缺陷的机率　很小，且试件加工时排除了如裂隙等肉眼可见的　缺陷，因此，既使包含隐蔽性缺陷，这些缺陷也非　常微小，基本不对抗压强度值造成影响。　由于统计的样本数较少，进行曲线拟合的试　件尺寸规格数量（仅４种）有限，故拟合曲线只是　一种近似的反映，但可供参考应用和研究。　稍有遗憾的是，受加工和烘干、饱和设备制　约，小试件（（ｐ５　ｃｍ×１０　ｅｍ）为圆柱状，大试件为　正方柱状，形态上不同；测干抗压时，大试件为风　干状态而不能烘干；测湿抗压时，大试件为自由浸　水饱和而非煮沸法饱和。这些因素均使得比较基　准不完全统一。　５讨论　岩石单轴抗压强度的尺寸效应明显，随着试　件尺寸的增大，其抗压强度值逐渐减小。　工程厂址区岩石受构造、变质等影响，微裂　隙、解理发育，抗压强度值较低。‘ｐ５　ｃｍ×１０　ｃｍ　试件的平均湿抗压强度值为３０．８　ＭＰａ，按《工程　岩体分级标准》ＧＢ５０２１８—９４划分，属较坚硬岩　石。如按《规程》和《标准》中“含大颗粒的岩石，　试件直径应大于岩石中最大颗粒直径的１０倍”　的要求，应以１５　ｃｍ×１５　ｃｍ×３０　ｃｍ或２０　ｃｍ　ｘ２０　ｃｍ×４０　ｃｍ尺寸试件试验值进行评判，则属较软　岩。这种评价上的差异应引起岩石力学工作者的　重视，并作为今后相关标准编制时的研究课题。　同一尺寸试件的岩石抗压强度试验值虽有不　同，但离散度不大，变异系数均小于０．２，表明工　程区岩体条件宏观上均一，微观上又略存在差异。　这种均一性为曲线拟合奠定了基础。　拟合的曲线表明：随着试件尺寸的增大，其抗　压强度值减小。当试件直径大于５０　ｃｍ后，抗压　强度趋向于稳定值，可以视作岩体的抗压强度。　由于参与拟合的试件尺寸规格数量有限，拟　合曲线只是一种近似的反映。笔者建议：在今后　的工作中，有条件的单位应多开展这方面的比较　试验，以积累更多的资料和进行更深入的研究，从　而更好地为各项工程建设服务。　（下转第１２６页）　魏友庆等：水力浮动式升船机输水系统充泄水试验工程安全监测　２０１１年增刊（１）　应变／　升船机坝段：ｕＵ十Ｕ３０　Ｕ，Ｕ－１．５３・Ｕ，局荏，４　－”　２０　ｌ——・一ｓ４．０３—１—・　一ｓ４．０３—２　ｌ　度　２５　ｌ＋ｌ：　３４．０３．３—　一ｓ４．０３－４Ｉ　＋０　—　摹　，，　—一—、～　　温度　　ｌ２０　，／—’。～　＝＝＝　　．、＼　＼　．／　●～　、　．　—２０　’　１　ｌ５　一　ｒ　日期　ｌＯ—ｌ１．２３　１Ｏ．１１．２８　１Ｏ．１２—３　１Ｏ一１２－８　ｌ０．１２—１３　ｌＯ．１２－ｌ８　１Ｏ—ｌ２—２３　ｌ０—１２—２８　ｌ１—１—２　１０　ｌ１－ｌ一７　图３应变、温度与时间关系图　整体表现为沉降趋势；倾斜度测值、测缝计开合度　测值均较小；　（２）在充泄水试验过程中，渗透压力保持稳　定，最大渗透压力为０．００２　ＭＰａ，说明在充泄水试　参考文献：　［１］　刘金堂．澜沧江水电开发与景洪水电站工程设计综述［Ｊ］．　水力发电，２００８，３４（４）：２８～３１．　［２］　张蕊．水力浮动式升船机输水系统仿真分析［Ｊ］．水利学　报，２００７，３８（５）：６２４～６２９．　验过程中，上游库水位变化仍是影响渗透压力的　主要因素；坝基部位的扬压力实测值在设计允许　值范围内且相对稳定，说明坝基的排水灌浆措施　起到了有效作用；　（３）受外界气温及充泄水过程中水温的影　［３］混凝土大坝安全监测技术规范，ＤＬ／Ｔ　５１７８－－２００３［ｓ］．　［４］赵志仁．大坝安全监测的原理与应用［Ｍ］．天津：天津科学　技术出版社，１９９１．　［５］储海宁．混凝土坝内部观测技术［Ｍ］．北京：水利电力出版　社，１９８９．　响，钢筋计测点温度均有所降低，应力测值随温度　的变化有少许波动，基本表现为拉应力增加，压应　力减小；基础压应力、锚索荷载测值稳定，混凝土　作者简介：　魏友庆（１９８１一），男，湖北潜江人，监测中心副主任，项目经理，工　程师，硕士，从事工程安全监测技术与管理工作；　王飞（１９８２一），男，云南玉溪人，助理工程师，学士，从事水电工　程边坡、大坝安全监测工作；　应变测值远低于设计值且测值稳定。　监测结果表明，升船机坝段、塔楼监测仪器在　充泄水状态下工作正常，测值稳定；通航建筑物质　量良好，满足设计要求；升船机坝段、塔楼处于安　全运行状态。监测结果为输水系统的精确控制提　供了科学支撑及依据。　（上接第１２２页）　参考文献：　［１］水利水电工程岩石试验规程，ＤＬＪ２０４—８１　ＳＬＪ２—１９８１［ｓ］．　［２］水电水利工程岩石试验规程，ＤＬ／Ｔ５３６８—２００７［Ｓ］．　［３］工程岩体试验方法标准，ＧＢ／Ｔ５０２６６—１９９９［ｓ］．　［４］工程岩体分级标准，ＧＢ　５０２１８—１９９４［Ｓ］，　［５］　水电水利工程天然建筑材料勘察规程，ＤＬ／Ｔ５３８８—２００７　杨大凡（１９８０－），男，云南元江人，助理工程师，从事水电工程边　坡、大坝安全监测工作；　郭红（１９８４・），女，甘肃白银人，助理工程师，学士，从事水电工　程边坡、大坝安全监测工作．　（责任编辑：李燕辉）　［６］徐志英・岩石力学［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００８．　［７　３王国欣，主编・建筑材料［Ｍ］・北京：水利电力出版社，　１９８５　作者简介：　汤大明（１９６９－），男，四川广安人，高级工程师，学士，从事岩石力　学试验研究工作；　杨寿成（１９６５－），男，四川内江人，高级工程师，工程硕士，从事工　［ｓ］．　程地质勘察工作．　（责任编辑：李燕辉）　坚强智能电网的内涵　坚强智能电网的内涵包括坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放和友好互动五个方面。坚强可靠是指具有坚强　的网架结构、强大的电力输送能力和安全可靠的电力供应；经济高效是指提高电网运行和输送效率，降低运营成本，促进　能源资源和电力资产的高效利用；清洁环保是指促进可再生能源发展与利用，降低能源消耗和污染物排放，提高清洁电　能在终端能源消费中的比重；透明开放是指电网、电源和用户的信息透明共享以及电网的无歧视开放；友好互动是指实　现电网运行方式的灵活调整，友好兼容各类电源和用户的接人与退出，促进发电企业和用户主动参与电网运行调节。　回Ｓｉｃｈｌｌ彻Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗ盯