变形及抗压强度

4.2.2　变形及抗压强度

岩石的变形和抗压强度是反映岩石力学性质的主要指标，是岩体工程分类、工程岩体稳定性评价计算中必不可少的指标。

1.单轴压缩状态下的变形及强度特性

岩石单轴压缩试验是为了测定试件在单轴压缩应力条件下的纵向应变值及横向应变值，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。

附图5（a）为单轴压缩破坏后的圆柱状试样，可以看出试样在单轴压缩应力条件下的破坏模式为纵向劈裂或高角度剪切破坏。

图4.16为岩样单轴压缩试验的应力应变全过程曲线。根据实验结果，云冈砂岩的基本力学参数如表4.3所示。

图4.16　岩样单轴压缩试验典型曲线

表4.3　单轴压缩基本力学参数

2.三轴压缩状态下的变形及强度特征

试验采用等侧向压力σ₂＝σ₃，三轴试验可以得到岩石在三维应力状态下的变形与强度特征。

附图5（b）为在三轴压缩状态下破坏后的圆柱状试样，可以看出云冈砂岩的三轴破坏模式为高角度剪切破坏。

图4.17为云冈砂岩三轴压缩应力应变全过程曲线。

图4.18为云冈砂岩在三轴压缩极限状态时围压与轴压的关系，据此可以求取云冈砂岩的剪切强度参数。

图4.17　云冈砂岩三轴压缩应力应变全过程曲线

图4.18　三轴压缩破坏极限状态时围压与轴压关系

由图4.18可得破坏状态下，围压与轴压的关系式为

式中：σ₁为轴向压力；σ₃为围压；m为σ₁－σ₃曲线斜率；b为σ₁－σ₃曲线截距。

则三向应力状态下岩石抗剪强度参数可按下式计算

可以计算得到，云冈砂岩的摩擦系数f＝0.69，黏聚力c＝18.8MPa。

我们也可以通过绘制莫尔圆包络线求取岩石抗剪强度参数。云冈砂岩的强度包络线如图4.19所示。根据莫尔圆得到的摩擦角为φ＝34.5°，换算为摩擦系数f＝0.687，黏聚力c＝18.6MPa。两种方法得到的强度参数基本一致。

图4.19　云冈砂岩莫尔强度包络线

3.巴西劈裂试验

岩石的抗拉强度，国内外现行试验方法有两类，即直接拉伸法和间接拉伸法。它们各有其优缺点。前者采用单轴拉伸法测定岩石的抗拉强度，适用于各类性质的岩石，但操作较复杂，试验技术难以解决。后者又称为劈裂法，是由一位巴西的工程技术人员提出，故也称为巴西劈裂法。劈裂法的理论依据是弹性力学中的布辛奈斯克解，对坚硬脆性岩石较适用。用劈裂法测定岩石抗拉强度的优点是，方法简便，测定结果稳定。目前，我国大多数试验规程均采用此法测定岩石的抗拉强度。

附图5（c）为云冈砂岩巴西劈裂试验试件破坏形态。

图4.20为云冈砂岩劈裂试验的应力应变全过程曲线。试验结果表明，云冈砂岩的抗拉强度在4～5MPa之间，完整砂岩体的抗拉强度较高。

图4.20　云冈石窟砂岩巴西劈裂试验典型过程曲线