岩石的力学特性及静态试验分析

河南建材２００８年第３期

１岩石的力学特性

１．１岩石的受力变形特性

岩石在外力作用下产生变形，其变形按性质分为弹性变形和塑性变形，图是岩石典型的完整应力应变曲线。根据曲率变化，可将岩石变形过程分为四个阶段：

图１岩石的应力应变

１）微裂隙压密阶段。岩石中原有的裂隙在荷载的作用下逐渐被压密，曲线呈上凹形，曲线斜率随应力增大而逐渐增大，表示微裂隙的变化开始较快，随后逐渐减慢。Ａ点对应的应力称为压密极限强度。对于微裂隙发育的岩石，本阶段比较明显，但对于致密岩石而言，很难划出这个阶段。

２）弹性变形阶段。岩石的微裂隙进一步的闭合，空隙被压缩，原有的裂隙没有新的发展，也没有产生新的裂隙，应力应变基本上成正比关系，曲线近于直线，岩石变形以弹性为主。Ｂ点对应的应力称为弹性极限强度。

３）裂隙的发展和破坏阶段。当应力超过弹性极限强度后，岩石中产生新的裂隙，同时已有裂隙继续发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，应力应变曲线的斜率逐渐降低，并成曲线关系，体积变形由压缩转变为膨胀。应力增加，裂隙进一步扩展，岩石局部破损，且破损范围逐渐扩大形成贯穿的破裂面，导致岩石破坏。Ｃ点对应的应力达到最大值，称为峰值强度或单轴极限抗压强度。

４）峰值后阶段。岩石破坏后，经较大的变形，应力下降到一定程度开始保持常数，Ｄ点对应的应力称为残余强度。

岩石的变形性能一般用弹性模量和泊松比两个指标来表示。弹性模量是在单轴压缩条件下，轴向压应力和轴向应变之比。弹性模量越大，变形越小，说明岩石抵抗变形的能力越强。岩石在轴向压力作用下，除产生轴向压缩外，还会产生横向膨胀。这种横向应变与轴向应变之比，称为岩石的泊松比。泊松比越大，说明岩石受力后的横向变形越大，岩石的泊松比一般都在。

１．２岩石的强度

岩石的抗压强度：岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力。在数值上等于岩石受压达到破坏的极限应力，岩石的抗压强度是在单向压力无侧向约束的条件下测得的，在单轴压力作用下常见的破坏方式有：（ａ）单轴压力作用下试件的劈裂；（ｂ）单斜面剪切破坏；（ｃ）多个共扼斜面剪切破坏，如图２所示。

图２岩石单轴压缩时的常见破坏形式

岩石的抗拉强度：是岩石在单向受拉条件下拉断时的极限应力值。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，目前常用劈裂法来测定岩石抗拉强度。

岩石的抗剪强度：岩石抵御剪切破坏的能力。数值上等于岩石受剪切破坏时剪切面上的极限剪应力，常以黏聚力和内摩角这两个抗剪参数表示。室内实验主要采用直接剪切实验，楔形剪切实验和三轴实验来测定抗剪强度标。

在岩石的几个指标中，抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。抗剪强度为抗压强度的１０％～４０％；抗拉强度仅为抗压强度的２％～１６％，岩石越坚硬，其值相差越大，较软的岩石差别较小。因此，岩石的抗压强度和抗剪，抗拉强度是相互联系的。

２岩石静力学试验

２．１试验装置和试件

本次试验使用６０吨电液万能试验机，采用徐州市鼓楼区花岗岩石材厂生产的花岗岩（抗压强度一般为１００～２５０ＭＰａ，抗拉强度为７～２５ＭＰａ，泊松比为０．２～０．３，按抗压强度分为：微裂隙发育的花岗岩，中粒花岗岩和致密花岗岩）。通过中国矿业大学能源学院煤炭与安全重点实验室进行制作打磨，试件采用静态力学试验的标准试件，为直径５厘米、高１０厘米的圆柱体共三个。各试件之间的尺寸，允许有的变化，试件表面用磨光机加工、游标卡尺控制厚度，其表面不平整度严格控制在０．０２ｍｍ以内。

２．２试验结果

本次试验的加载速度为１．０ｋＮ／ｓ，试件的峰值强度分别为：１０７．５１６、１０９．４７８、１０５．１４７、１０７．３８０（ＭＰａ）。

试验发现，试件达到峰值强度后，岩石的破裂逐渐发展

岩石的力学特性及静态试验分析

王立平徐伟９５８６６部队（０７１０５１）

摘要：论述了岩石介质的受力破坏形态与强度，之后选取花岗岩进行静力学试验，将试验结果与理论分析进行比较，得出二者的一致性，并说明了二者存在差异的原因。

关键词：岩石；力学特性；静态试验；强度

综

合

论

述

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河南建材２００８年第３期

成为贯穿的破裂面，岩石全面破坏，承载能力逐渐降低，最后完全破坏，岩石试件的破坏是瞬间产生的典型的斜剪切破坏，也就是图２中的岩石破坏类型（ｂ）。

通过仪器得到各试件轴向的试验力－位移全过程的曲线，以试件为例，见图３。

图３试件的试验力－位移曲线

通过试验，同岩石单轴加载条件下的变形相比，实测的曲线和四个阶段基本相符，只是相对于第四阶段峰值后阶段有些差别，对于微裂隙发育的岩石，第一阶段比较明显。图３中，第一阶段也是比较明显的，说明试件是有微裂隙发育的花岗岩。相对于第四阶段，由于试验中的加载速度比较大，岩石试件在最后突然破碎而失去承载能力，因此最后的试验力－位移曲线是一个断点。

参考文献：

［１］林英松，葛洪魁．岩石动态与静态弹性参数差别的微观机理．石油大学学报．２００６．４

［２］马飞，长杆弹对坚硬岩石侵彻的工程近似分析．徐州空军学院硕士论文．２００８．３

［３］李廷，席道瑛．动荷载作用下岩石非线性弹性响应研究．地学边缘．２００６．５

［４］李相然．工程地质学．北京：中国电力出版社．２００６

１传统结构计算理论的概况

在不断的结构设计研究和实践中，我国工程结构计算理论经历经验估算、容许应力法、破损阶假计算、极限状态计算、到目前普遍采用的概率极限状态理论阶段。现行的《建筑结构设计统一标准》（ＧＢ５００６８－２００１）则采用以概率为基础的结构极限状态设计准则［１］。相对来说“分项系数表达的以概率极限理论为基础的极限状态设计方法”，更符含技术先进、经济合理、安全适用的要求。尽管现行极限状态理论已普遍采用，但该法存在着严重的缺陷：一方面，概率极限状态设计法在运算过程中还带有一定程度的近似，只能视作近似概率法，仅凭极限状态设计也很难估计建筑物的真正承载力［２］。另一方面，任何建筑物都是一个包含有许多构件组成的空间结构，各种构件以相当复杂的方式协同工作，非单独工作的构件；且传统的结构设计理论对空间结构体系的研究上采用了较多假定和简化，整体研究上存在较大局限性。并且传统结构设计似乎只关注如何提高结构抗力Ｒ，而忽略去想办法降低作用效应Ｓ，结果设计中混凝土等级越用越高，配筋量越来越大，造价也越来越高。

２概念设计思路

面对现行结构理论设计突现的各种问题，概念设计思路的应用能很好的解决。因为概念设计思想主张在特定的建筑空间及地理条件下，根据整体结构体系与各基木分体系（或杆件）之间的力学关系、结构破坏机制、震害实验现象和工程经验及计算结果的分析，考虑到结构实际受力与计算假设间的差异，灵活有意识地利用结构总体系与各分体系间的力学特性、设计准则、现有资源，全面合理地解决结构设计中的基本问题。既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位细节，因此能从根本上提高结构可靠度，概念设计的目的是使设计、施工“又快、又好、又省”，方案安全、可靠、经济、合理。应用好概念设计，能使结构在满足建筑要求条件下，以最快的方式将荷载传递到基础、地基中，创造更为安全、舒适的工作生活环境，还能节约材料和资金［３］；概念设计不受传统设计思想束缚，更容易设计出前人从未想到的新结构，是结构设计师进行创新设计的基础。

３概念设计在结构设计中的应用

３．１概念设计在结构设计过程中的应用

３．１．１运用概念设计能更快的选择合理结构方案

在进行综合分析时，传统设计方法难以迅速抉择，而应用概念设计可以迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算确定出最优方案，而且所得方案往往概念清晰、定性正确，避免了后期设计阶段一些繁琐运算，具有较好的经济可靠性能；并且它主张起始就握好场址选择、能量输入、房屋体型、荷载类型、结构体系、刚度分布、构件延性等方面，从而还可从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。３．１．２运用概念设计思想选用恰当的计算简图

结构计算是在简图基础上进行的。面对现在复杂多样

结构设计中的概念设计思想

陈结友

杭州青城房地产开发有限公司（３１００００）

摘要：针对传统结构理论的缺陷，概念设计思想在结构设计中体现出强大生命力和特有的创造性，指出概念设计将成为结

构设计的主流思想，并就如何做好概念设计提出参考。

关键字：概念设计；结构设计；设计思想；结构体系

综

合

论

述

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