一、巖石的強(qiáng)度特性

　　巖石的強(qiáng)度分成單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及三向壓縮強(qiáng)度等。下面主要介紹巖石在這些不同荷載作用下的強(qiáng)度特性。

　　(一)巖石單軸抗壓強(qiáng)度

　　1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法

　　按照國家“工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”中的要求，巖石試件的加工應(yīng)滿足前面所敘述的標(biāo)準(zhǔn)試件的要求，并其放在試驗(yàn)機(jī)中心，以每秒0.5～1.0MPa的加載速度直至破壞。同時要求在試驗(yàn)前對試件作詳細(xì)的描述，內(nèi)容包括巖性和巖石中所包含的節(jié)理之間的關(guān)系、含水狀態(tài)等項(xiàng)目，并記錄下試件破壞后的形態(tài)。

　　2 巖石在單軸抗壓試驗(yàn)破壞后的形態(tài)特征

　　在外荷載作用下巖石試件破壞后的形態(tài)是表現(xiàn)巖石破壞機(jī)理的重要特征，它不僅表現(xiàn)出巖石受力過程中的應(yīng)力分布狀況，還反映了不同試驗(yàn)條件中對它的影響。巖石在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中出現(xiàn)的破壞形態(tài)大約可分成兩種：

　　1)圓錐形破壞：這類破壞形態(tài)的試件，由于中間的巖石被剝離使得巖石破壞后呈兩個尖頂?shù)膱A錐體。經(jīng)分析可知，產(chǎn)生這種破壞形態(tài)的主要原因是上、下壓板在施加荷載時，與巖石試件端面之間產(chǎn)生了較大的摩擦力，促使巖石端部產(chǎn)生了一個相當(dāng)于箍的約束作用。此時，巖石試件內(nèi)的應(yīng)力分布。由于拉應(yīng)力的作用使得這部分巖石被剝離而形成圓錐體。因此從某種意義上來說圓錐體的破壞形態(tài)并沒有真正反映其破壞特征，而是帶有試驗(yàn)系統(tǒng)所給予的影響。

　　2)柱狀劈裂破壞：在發(fā)現(xiàn)圓錐形破壞的真正原因之后有人在上下壓板與試件端面之間，涂上了一層薄薄的凡士林以減小接觸面之間的摩擦力，最終巖石試件由于產(chǎn)生平行于所施加的軸向力的裂縫而破壞。對于不同的巖石所含的礦物成份和所含裂隙的不同，局部還會出現(xiàn)些較小的斜向裂縫。應(yīng)該說柱狀劈裂破壞是真正反映巖石單軸壓縮破壞的形態(tài)。

　　【例題9】下列不屬于巖石在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中出現(xiàn)的破壞形態(tài)的是( )。

　　A. 圓錐形破壞

　　B. 柱狀劈裂破壞

　　C. 三角形破壞

　　答案：C

　　【例題10】能夠真正反映巖石單軸壓縮破壞的形態(tài)是( )。

　　A. 圓錐形破壞

　　B. 柱狀劈裂破壞

　　C. 三角形破壞

　　答案：B

　　【例題11】在作巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時，如果增加上下壓板與試塊之間的摩擦力，則巖石的破壞形態(tài)呈( )。

　　A. 圓錐形破壞

　　B. 柱狀劈裂破壞

　　C. 三角形破壞

　　答案：A

　　3 巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素

　　1)承壓板給予單軸抗壓強(qiáng)度的影響

　　除了上述試件端面與承壓板之間的摩擦力影響試件的破壞形態(tài)以外，還有承壓板的剛度也將影響試件端面的應(yīng)力分布狀態(tài)。由研究可知，當(dāng)承壓板剛度很大時，其接觸面的應(yīng)力分布很不均勻，呈山字形

　　在剛性承壓板之間壓縮時巖石端面的應(yīng)力分布

　　因此，有人建議試驗(yàn)機(jī)的承壓板(或者墊塊)盡可能采用與巖石剛度相接近的材料，避免由于剛度的不同而引起變形不協(xié)調(diào)造成應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，減少對強(qiáng)度的影響。

　　2)試件尺寸及形狀對單向軸抗壓強(qiáng)度的影響

　　巖石力學(xué)試驗(yàn)最早采用邊長為5cm的立方體試件 。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，試件的尺寸、形狀、高徑比都將影響巖石的強(qiáng)度值。

　　(1)巖石試件的形狀

　　眾所周知，方形試件的四個邊角會產(chǎn)生很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這將影響整個試件在受力后的應(yīng)力分布狀態(tài)。

　　此外，從另外一個角度來說方柱體的試件加工要比圓柱形試件困難得多，不易達(dá)到有關(guān)加工精度的要求。因此，目前，絕大多數(shù)的國家都采用圓柱形的巖石試件。

　　(2)巖石試件的尺寸

　　試件的強(qiáng)度通常隨其尺寸的增大而減小。這就是巖石力學(xué)中被稱之為尺寸效應(yīng)。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，試件的尺寸對其強(qiáng)度的影響在很大程度上取決于組成巖石的礦物顆粒的大小。研究結(jié)果表明，巖石試件的直徑為4～6cm，且滿足試件直徑大于其最大礦物顆粒直徑的10倍以上的巖石試件，強(qiáng)度值較為穩(wěn)定。因此，目前采取直徑為4.8～5.4cm且直徑大于最大礦物顆粒直徑的10倍以上的巖石試件，作為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

　　(3)巖石試件的高徑比

　　3)加載速率對單軸抗壓強(qiáng)度的影響

　　巖石的單軸抗壓強(qiáng)度通常隨加載速率的提高而增大，如圖15-1-6所示。在很高的加載速率下，如沖撞等試驗(yàn)所求得的單軸抗壓強(qiáng)度甚至可數(shù)倍于緩慢加載的試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)微觀分析發(fā)現(xiàn)，由于礦物在高速率加載時未充分變形而提高了它的抗外荷載的能力。因此，選擇適當(dāng)?shù)募虞d速率對其試驗(yàn)結(jié)果來說是比較重要的。我國有關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，其加載速率應(yīng)控制在0.5～10MPa/s之間，且按巖石的軟硬不同可取其不同的加載速率，這一加載速率與國外的許多試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中所提出的要求是一致的。

　　4)環(huán)境對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響

　　(1) 巖石的軟化系數(shù)

　　在完全烘干狀態(tài)下與飽和狀態(tài)下所求得的單軸抗壓強(qiáng)度值有著一定的差別，這一差別在軟巖中表現(xiàn)得更為突出。即前者的值往往要比后者大得多。巖石的軟化系數(shù)就是表示巖石中的不同含水率影響單軸抗壓強(qiáng)度的一個具體的反映。見公式(15-l-16)。由于孔隙中的水對巖石中的礦物的風(fēng)化、軟化、膨脹以及溶蝕作用，使得在飽和狀態(tài)下巖石單軸抗壓強(qiáng)度有所降低。對于泥巖、粘土巖、頁巖等軟弱的巖石，二者的差值甚至可達(dá)2～3倍。而對于致密堅(jiān)硬的巖石，二者的差別甚小。

　　(2)溫度對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響

　　巖石力學(xué)試驗(yàn)一般是在室溫的條件下進(jìn)行的。溫度對巖石強(qiáng)度的影響并不是很明顯。然而，若對巖石試件進(jìn)行加溫，則巖石軸向壓縮強(qiáng)度將產(chǎn)生明顯的變化。

　　地?zé)岬睦�用以及在核電工程中核廢料處置等具體問題中，溫度對巖石力學(xué)力學(xué)性質(zhì)的影響成為非常重要的、急于解決的研究課題之一。近年來，人們很重視溫度對巖石的力學(xué)特性的影響的研究。據(jù)最新的研究報導(dǎo)，溫度對巖石強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為兩個方面：一是由于溫度的升高使巖石內(nèi)的化學(xué)成分、結(jié)晶水等產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響了巖石的強(qiáng)度。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)溫度加至180℃左右時，巖石中礦物周圍的部分結(jié)晶水會消失，使強(qiáng)度降低。當(dāng)加溫高達(dá)380℃左右時，石英等礦物會發(fā)生晶變而使強(qiáng)度急劇下降。二是由于溫度的提高，巖石內(nèi)將儲存著一定的熱應(yīng)力，進(jìn)而使巖石的抵抗外荷載的能力降低。溫度對巖石強(qiáng)度的影響是一個很復(fù)雜的問題，從總體上來說，溫度的增加會使巖石強(qiáng)度降低。但也有人提出，在180℃左右時，對強(qiáng)度影響不大的說法。因此，這還是一個有待于進(jìn)—步深入研究的課題。

　　除了以上的影響因素以外，還有巖石礦物成分、顆粒尺寸、孔隙率等都將影響巖石的強(qiáng)度。但是，這些因素可作為強(qiáng)度的間接影響因素，所以，不在此一一介紹。