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重庆几种典型沉积岩单轴压缩变形试验的变形机理分析

张春玲 何姿霖

摘要：随着中国社会经济不断的发展，城市建设规模越来越大，道路交通和高层建筑成为城市发展的评估指标，为了保证工程的总体质量和安全，岩石的力学试验尤为重要，岩石的物理和力学性指标参数作为岩土工程勘察报告的重要依据，是诸多的工程建设和设计中的作重要参考指标，本文就不同岩石及不同规范的岩石变形试验作简要的分析探讨。
关键词：岩石单轴压缩变形;变形模量;泊松比;变形机理
岩石力学是研究岩石（体）在各种外力作用下产生应力变形和破坏规律的一门学科。岩石变形的研究是岩石力学问题的重要内容之一，是公路、铁路、水电、城市建筑等工程地质勘察中对岩石力（体）工程地质性质评价的重要依据。单轴压缩变形试验是测定规则形状的岩石试样在单轴荷载作用下的纵向和横向的变形量，绘制出相应的应力～应变曲线，从而求出变形模量及泊松比。本文主要通过对泥岩、砂岩、灰岩在变形模量试验中的对比试验，初步分析影响岩石单轴压缩变形的主要因素，进一步改善室内变形模量试验工作。
1 单轴压缩变形及弹性模量的概念
岩石的变形是指岩石在外荷载作用下，内部颗粒间相对位置 变化而产生变形大小的变化，包括弹性变形和塑性变形，表征岩石变形性质的基本指标有两个：弹性模量和泊松比。岩石弹性模量是指试样在单向压缩条件下，压应力与纵向应变之比。包括初始弹性模量、切线弹性模量、割线弹性模量。其中切线弹性模量即是我们常说的弹性模量，割线弹性模量又称变形模量。
室内变形试验方法因测量的仪表不同，主要有两种：电阻应变仪法、千分表法。千分表法用得最为广泛。
2 岩石轴向应力～应变曲线的基本形状及变形机理
（一）峰值前变形阶段及变形机理
峰值变形前轴向应力～应变曲线有四个基本类型：直线型、下凹型、上凹型、S型。
当轴向应力～应变曲线呈直线型时，弹性模量E=δ/ε（公式中E为弹性模量δ为压应力ε为轴向应变）。当轴向应力-应变曲线不呈直线型时，有三种模量：初始弹性模量E初=、切线弹性模量E切=、割线弹性模量E割=δm/εm。
峰值前的变形机理岩石是矿物的天然结合体，大多数岩石是由一种或几种造岩矿物按一定方式结合而成的，其中矿物的硬度分布形式、结晶方式及孔隙率的大小和分布方向直接影响岩石变形模量的大小。岩石由于成分、结构不同.其变形机理大致可以归纳为三种类型：（1）以裂纹行为为主导的变形：岩石轴向应力-应变曲线呈S型的，一些中～粗粒结构的岩石，如花岗岩、大理岩、砂岩等;（2）以弹性变形为主的变形：岩石轴向应力～应变曲線呈直线型的，一些结构致密、岩性坚硬的岩石，如石英岩、玄武岩、硅质灰岩等;（3）以塑性变形为主的变形：岩石轴向应力～应变曲线呈下凹型的，一些结构不够致密、岩性软弱的岩石，如岩盐、泥岩、页岩等。
（二）峰值后变形阶段
根据峰值后的变形曲线（荷载～位移曲线），岩石峰值后变形、破坏发展的方式可分为两种类型。
（1）试样峰值后的荷载～位移曲线呈不光滑循环反坡型，试样在峰值后所储存的变形能不能使破裂继续扩展，只有对试样做功才能使试样进一步破裂。一般情况较软的岩石，如泥岩、页岩、砂岩、等往往呈这种变形、破坏形式。
（2）试样峰值后的荷载～位移曲线呈光滑递减的反坡型，试样在峰值后所储存的变形能使破裂继续扩展，尽管不对试样做功一样使试样进一步继续破裂。一般情况脆而坚硬的岩石，如花岗岩、灰岩、闪长岩等往往呈这种变形、破坏形式。
3 不同岩性岩石的变形模量的对比
3.1同一组岩石，其在天然、饱和、烘干状态下的单轴抗压强度有所不同，一般情况下烘干抗压强度值>天然抗压强度值>饱和抗压强度值。在单轴压缩变形试验中，其割线弹性模量又是按单轴抗压强度的50%的变形模量作为基础确定的，所以割线弹性模量（变形模量）E50烘干> E50天然>E50饱和。因此岩石在不同的含水状态下对压缩变形的结果会产生影响。
3.2矿物成分和结构特征不同岩石，其在天然的单轴抗压强度有所不同，一般情况下均匀致密单轴抗压强度值高的岩石变形模量大，泊松比小。
4 结语
单轴压缩变形试验是岩石试验的重要指标，岩石的物理和力学性成果指标往往作为岩土工程勘察报告的重要依据，是诸多的工程建设和设计参考指标，其试验的质量和结果直接影响着建设工程的总体质量和安全。单轴压缩变形指标是评价工程岩体变形的重要指标。
参考资料：
[1]黄祖基，《工程岩土学》，成都地质学院，1987.
[2]李智毅，《工程地质学概论》，成都理工大学，2002.
[3]李元松，《高等岩土力学》，武汉大学出版社，2013.
（作者单位：重庆岩土工程检测中心有限公司）
名城绘2020年3期
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