松散岩块侧限压缩模量的试验研究
岩石三轴压缩实验的强度特性及应用_李亚林
抗剪强度 τｃ
／ＭＰａ
３．３ ５．２ ６．８ ９．１ １０．３
凝聚力（ｃ）和内摩擦角（Φ）
ｃ ／ＭＰａ
Φ （°）
适用范围 （ＭＰａ）
２．２
３０．５
０≤σ３≤５．２
破裂角（°）
实际
９０ ６０ ５５ ６０ ６０
理论
９０ ６０ ６０ ５６ ５４
（１）随着围压的增加，岩石的抗压、抗剪强度不断增大。 ①在低围压 ［如图 １ 的 ＣＡ 段（０≤σ３≤５．２ＭＰａ）］ 时，σ３ 与 σｃ、τｃ 的关系近似呈线性。
前言
岩石三轴压缩实验（简称三轴实验），实质是对处于三向受压环境中的地壳岩体的力学 性状的一种模拟。相对于其它一些所谓的常规实验，三轴实验属较复杂的高级实验，它可 以获取相应于岩体不同围压（或深度）的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比以及准 确的凝聚力 Ｃ 和内摩擦角等数据。若使用三轴侍服压力机，还能得到应力—应变（σ—ε） 的全程曲线，进而获得岩石的残余应力、永久变形数据等。这些都是一些重大工程建设、 岩石力学和某些地学项目研究及应用中必不可少的重要参数。
度理论的一些具体内容作一简述：图中横坐标 σ为正应力、纵坐标 τ为剪应力。曲线 ＣＡＢ 为强度包络线。与包络线相切的每个应力圆均表示一种围压下的极限应力状态。圆与横坐 标的左侧交点为围压 σ３，右侧交点为该围压下的抗压强度 σｃ（σ１）。过切点的半径与横坐标 正方向的夹角为 ２ 倍破裂角，破裂角定义为破裂面法线与主应力 σ１ 方向所夹的锐角。本文 称此为理论破裂角 θ。切点的纵坐标为该圆所在围压下的抗剪强度 τｃ，亦即破裂面上的剪应 力 τ，横坐标为破裂面上的正应力 σｎ。包络线与纵坐标的交点为凝聚力 ｃ，直线 ＣＡ 与横坐 标所夹的锐角为内摩擦角 Φ。包络线下部是不会发生破裂的、稳定的应力状态区域，上部 为不可能存在的应力状态区域。
松散碎石压缩模量建议值
松散碎石压缩模量建议值
松散碎石的压缩模量（也称为弹性模量）受多种因素影响，如颗粒大小、形状、级配、密实度、含水量以及加载速率等。
在实际工程应用中，松散碎石层在压实后形成半刚性基层或垫层时，其压缩模量会显著增大。
对于未经压实处理的松散碎石，由于结构不固定且孔隙率较高，通常没有明确的压缩模量值，因为在这种状态下材料不具备足够的承载能力及稳定性来准确测定模量。
然而，在土木工程领域，对于经过压实处理达到一定密实度的碎石基层或垫层，其压缩模量一般会在100-300 MPa 范围内变化，具体数值需根据实验测试结果确定。
在设计和施工过程中，工程师通常会依据相关规范要求，通过现场取样进行室内试验（如三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等）以获取准确的压缩模量数据。
岩石力学性质试验——单轴压缩强度和变形试验课件(PPT)
随着应变增大而减小。 d点以后为摩擦阶段，岩石产生
宏观断裂面后，其摩擦具有 抵抗外
ε 力的能力。
二、单轴压缩强度和变形试验
—成果整理 （三）计算岩石弹性模量和泊松比
Eav
=
σb ε lb
−σa − εla
μav
=
ε db ε lb
− ε da − εla
a
ε db
−
应力为σ
时的横向应变值；
b
二、单轴压缩强度和变形试验
—成果整理 （三）计算岩石弹性模量和泊松比
Eav
=
σb ε lb
−σa − εla
μav
=
ε db ε lb
− ε da − εla
水电：弹性模量
式中：Eav − 岩石平均弹性模量(MPa)；
μav − 岩石平均泊松比；
水电：弹性泊松比
环向引伸仪
CIRC－8、4、1.6、0.8mm（测量试件的环向位移）。
二、单轴压缩强度和变形试验
刚性试验机控制过程
—仪器设备
当岩石因破裂扩展发
伺
生大应变时，通过传感 服
控
器把这一信号输入伺服 制 控制器中，伺服控制器 器
试 件
伺服循环
给伺服阀信号，使伺服
阀打开，压力降低，使
试件保持恒定的变形速
控 制
12.0125 0.061649 7.04E-05 1.365458
15.05162 0.077154 9.18E-05 1.36601 18.02871 0.091625 0.000118 1.366285
21.02131 0.10334 0.000138 1.367112
第四章松散堆积体隧道系统力学及实验分析
(4)塌方后对掌子面进行喷混凝土、注浆封闭加固是防止进一步塌方的有效手段，但蓄水层围岩注浆后应在掌子面底部及时打设引水导管，以减少掌子面上的水压力。
5结语
在崩塌体松散围岩中进行隧道掘进，事前的充分理论分析和掘进中周密的监控是必不可少的。本文结合桑州岭隧道的理论分析和施工监测，分析判断了该隧道的整体稳定和局部稳定问题，并成功预报了掌子面塌方的隐患，得到以下几点可供同类工程借鉴的结论：
3.5地表沉降和深层沉降
图12为K0+8 60断面地表沉降和深层沉降随时间变化图。K0+8 60断面初次衬砌封闭成环后，沉降量才慢慢收敛。从图12还可以看出，拱顶处沉降大，两侧沉降小，说明上断面开挖对两侧的影响小于拱顶的影响。K0+8 60断面最大地表沉降量为40mm，最大深层沉降量为45.5 mm，深层沉降的位移量大于地表沉降的位移量，这些都与理论分析所得出的规律一致。
岩石静态力学参数测试方法与数据处理
岩石静态力学参数测试方法与数据处理岩石是地球上常见的天然物质，研究岩石的力学参数对于地质灾害预测、工程设计以及资源勘探等领域具有重要意义。
本文将介绍岩石静态力学参数的测试方法与数据处理。
一、岩石静态力学参数的测试方法1. 岩石抗压强度测试岩石抗压强度是岩石力学参数中的关键指标之一，它反映了岩石的抗压能力。
常用的测试方法包括单轴压缩试验和直接剪切试验。
在单轴压缩试验中，需要使用压力机对岩石样品进行垂直方向的单向加载，同时测量加载过程中岩石的变形和承载能力。
通过绘制应力-应变曲线，可以得到岩石的抗压强度参数。
而直接剪切试验则是将岩石样品切割成一个矩形或圆形的平面，再对这个平面进行横向和纵向的剪切加载，通过测量剪切力和位移来推导出剪切强度。
2. 岩石弹性模量测试岩石的弹性模量是指岩石在受力下能够发生弹性变形的能力，是衡量岩石刚性的重要参数。
常用的测试方法包括弹性波速度法和恒定应力法。
在弹性波速度法中，通过在岩石样品上产生激发弹性波，测量波传播速度来计算岩石的弹性模量。
这种方法常用于实验室条件下对小尺寸岩石样品进行非破坏性测试。
而恒定应力法则是在施加一定大小的应力下，测量岩石样品的应变，通过根据背反映的力学模型计算岩石的弹性模量。
二、岩石静态力学参数的数据处理1. 数据采集与记录在进行试验时，需要对实验过程中产生的数据进行准确的记录。
这些数据包括施加的力、变形量、位移等。
可以使用计算机或数据采集系统来实现自动化的数据记录，以减少因人为操作导致的误差。
2. 数据处理与分析数据处理是在原始数据的基础上进行数据修正、提取有效信息以及统计分析的过程。
在岩石静态力学参数的数据处理中，需要对原始数据进行平滑处理、误差修正，并进行数据拟合和计算。
平滑处理是通过去除噪声和异常值，使得数据更加平滑。
常用的平滑方法有移动平均法、多项式拟合法等。
误差修正是根据实际情况对数据进行校正，主要考虑仪器误差和环境因素。
校正过程中需要参考相关的国际或行业标准。
岩石侧限约束膨胀力试验的分析与探讨
岩石侧限约束膨胀力试验的分析与探讨肖海军【摘要】分析影响膨胀力试验准确性的关键因素及对策，介绍铁道第三勘察设计院集团有限公司中心试验室自行研制的多功能岩石膨胀仪在膨胀力试验中的优点，并采用多功能膨胀仪进行岩石的侧限约束膨胀力试验，基于试验结果探讨了试件尺寸对膨胀力的影响，岩石试样采自新建济南至青岛高速铁路。
试验结果表明，试样直径相同的情况下，试样高度越高，膨胀力越大。
【期刊名称】《铁道勘察》【年(卷),期】2016(042)002【总页数】3页(P70-71,72)【关键词】石侧限约束膨胀力;多功能岩石膨胀仪;试件尺寸【作者】肖海军【作者单位】铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251【正文语种】中文【中图分类】TU458膨胀岩是一类性质极为复杂的岩石，膨胀岩问题是当今工程地质学和岩土工程领域中最复杂的研究课题之一[1-9]。
岩石的膨胀性试验包括自由膨胀率、侧向约束膨胀率、饱和吸水率和侧限约束膨胀力等试验。
其中侧限约束膨胀力可用来直接判别岩石膨胀性大小，试验数据直观准确，被广大科研工作者和规范标准所采用[10]。
岩石侧限约束膨胀力是岩石试件浸水后保持原形体积不变所需的压力，测试方法有平衡法、图解法、胀压法。
胀压法测试结果偏高，图解法较切合实际，但操作繁琐，目前国内外采用最多的是平衡法。
基于平衡法，采用铁道第三勘察设计院集团有限公司中心试验室自行研制的多功能岩石膨胀试验仪进行岩石的侧限约束膨胀力试验研究及数据分析。
该多功能岩石膨胀试验仪(专利号：ZL201220420352.9)可分别完成岩石自由膨胀率，侧限约束膨胀率和侧限约束膨胀力试验(如图1所示)。
保持岩石膨胀试件的原始状态，在取样、制样加工过程中不受外力或水的影响是保证岩石膨胀试验顺利进行、成果数据准确可靠的先决条件。
按照规范[10-11]的要求，膨胀性试件必须采用干钻法取样；同时要求试样原始结构不受破坏，天然湿度不发生变化。
保持取样和加工试样过程中试样的天然状态非常困难，邱良军[12]等人通过大量的试验探索，总结出一套膨胀试件取样和加工的方法。
基于flac^3d模拟的岩石单轴压缩试验应力应变统计规律
基于flac^3d模拟的岩石单轴压缩试验应力应变统计规律“基于flac^3d模拟的岩石单轴压缩试验应力-应变统计规律”是研究岩石在单轴压缩试验中应力-应变特性规律的一个重要课题。
本文以FLAC^3D模型为基础，以有限元素方法进行了岩石单轴压缩试验模拟，采集了以应力、应变等作为响应变量的数据，并利用统计学方法对模型数据进行了拟合和分析，探讨了岩石在单轴压缩过程中应力-应变的统计规律。
一、研究背景单轴压缩试验是目前岩石力学性质研究的基本试验，在工程、科研领域中有着至关重要的地位，但传统试验中存在着大量的不确定因素，容易出现偶然性差异。
为了解决传统试验中出现的偶然差异，利用有限元素法进行岩石单轴压缩试验的模拟，再结合统计学技术，分析岩石在单轴压缩试验中的应力-应变关系，已受到包括研究者在内的众多学者的重视。
二、实验方法1.选取模型样品：采用砂岩试样，尺寸为50×50 mm，其表面平整，对其密度、抗拉强度等进行了测定；2.模拟条件：采用FLAC^3D模型，以正常温度、相对湿度和气压下的常用测试机构，应用自由节点模式，实现压缩试验模拟，并设置适当的增量半径修正和初始压力；3.数据采集：在做单轴压缩试验模拟时，实时采集和记录应力、变形、位移、应变等数据；4.拟合分析：根据以上实验数据，以统计学方法对数据进行分析，从数据中汲取所需要的参数，并将参数应用到现有的统计模型中，拟合数据以描述岩石在单轴压缩过程中应力-应变统计规律。
三、实验模拟结果1.岩石在单轴压缩试验中应力-应变随位移的变化趋势：在岩石的单轴压缩实验中，应力随着位移的增加而增加，而应变在位移达到一定程度之后出现稳定的变化态势，其变化曲线在位移方向上大体符合线性变化规律；2.岩石在单轴压缩试验中应力-应变计算结果：应力随压缩距离的增加而增加，最大应力处于压缩距离的末端，而应变的增加则受到压缩距离的影响较小，且应力和应变均为正值；3.应力-应变模型：根据采集的实验数据，选取了由岩石的极限弹性模量E和极限压缩模量σL组成的Ackermann-Kuhn模型作为岩石在单轴压缩过程中应力-应变的拟合模型；4.岩石单轴压缩试验参数拟合结果：拟合得到的参数值为极限弹性模量E=57.1MPa，极限压缩模量σL=62.45MPa，两个参数都满足了90%的拟合要求；5.岩石单轴压缩试验数据分析结果：通过对实验数据的分析，得出在较大的位移范围内，岩石的力学弹性在一定程度上维持不变，而岩石的抗压能力也在适当的范围内维持了一定的稳定性；四、结论本文以FLAC^3D模型作为基础，采用有限元素法进行了岩石的单轴压缩试验模拟，通过对采集数据的统计分析，确定了岩石在单轴压缩实验中的应力-应变曲线规律，提出了一套新的Ackermann-Kuhn应力-应变模型及其参数，从而为岩石力学性质研究提供了新的研究方法。
松散岩块侧限压缩模量的试验研究(1)
第23卷第18期岩石力学与工程学报23(18)：3049～3054 2004年9月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2004松散岩块侧限压缩模量的试验研究张振南1茅献彪2葛修润1(1上海交通大学建工学院上海 200240) (2中国矿业大学徐州 221008)摘要通过对松散岩块进一步的压实试验研究，得出了松散岩块的侧限压缩模量与孔隙率及岩块抗压强度之间的关系。
研究结果表明，松散岩块的侧限压缩模量与孔隙率之间既可用指数关系也可用幂函数关系来描述，二者都具有很高的相关系数。
同时，岩块强度与压缩模量之间呈线性关系，回归所生成的直线方程斜率和截距均与孔隙率有很强的相关性。
最后得出压缩模量与岩块强度、孔隙率之间的统一关系式。
关键词岩石力学，松散岩块，压缩模量，压实，孔隙率，岩石强度分类号TU 452 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)18-3049-06TESTING STUDY ON COMPRESSIVE MODULUS OF LOOSE ROCK BLOCKS UNDER CONFINING CONSTRAINTZhang Zhennan1，Mao Xianbiao2，Ge Xiurun1(1Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240 China)(2China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008 China)Abstract The compressive modulus，which characterizes the deformation behaviors of loose rock blocks under confining constraint，is related with many factors，such as the pore ratio，rock strength and so on. Among them，the pore ratio is one of the most important factors. Through testing，the relationship between compressive modulus and pore ratio is revealed. The testing results show that the compressive modulus increases fast with the decrement of pore ratio. By regression analysis，the relationship between them can be described by either exponent or power function，both with very high correlation coefficient more than 0.9. The testing results indicate that the compressive modulus is approximately linearly related with rock strength within a certain rang of rock strength of 15～45 MPa and increases with rock strength. The further regression analysis suggests that both the slopes and the intercept of the regressive linear function are closely related to pore ratio. The regressive slope increment increases with the decrement of pore ratio and their relationship can be described by either the exponent function or the power function，both with very high correlation coefficient more than 0.9. The relationship between intercept and pore ratio can be described by the polynomial function with a correlation coefficient more than 0.9. At last，the relationship among compressive modulus，rock strength and pore ratio can be written as a uniform function. By comparing the two functions containing the parameter of pore ratio，obtained by two different ways with and without considering rock strength，a certain unification is found between the two functions.Key words rock mechanics，loose rock blocks，compressive modulus，compaction，pore ratio，rock strength2003年2月24日收到初稿，2003年4月17日收到修改稿。
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岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(18)：3049～3054 Sept.，2004
松散岩块侧限压缩模量的试验研究
张振南 1 茅献彪 2 葛修润 1
(1 上海交通大学建工学院 上海 200240) (2 中国矿业大学 徐州 221008)
11.57
0.26
78.27
23.68
0.28
120.99
0.23
39.89
12.13
0.24
90.08
26.04
0.27
165.50
0.22
58.36
13.12
0.23
105.07
28.13
0.25
200.55
0.21
67.96
14.34
µ
0.45
1.64
1.00
0.47
Et/MPa 5.56
Es/MPa 8.99
µ
Et/MPa
0.47
14.87
0.43
4.58
1.91
0.46
9.45
8.15
0.45
19.91
0.41
6.48
2.89
0.42
7.04
9.78
0.43
15.25
0.39
9.64
3.87
0.40
21.52
10.76
0.42
据进一步回归分析得到这 2 种压缩模量均与孔隙率 呈良好的指数关系或幂函数关系。这 2 种关系的回 归方程及相关系数如表 3，4 所示。由表 3，4 可看 出，无论是用指数还是用幂函数来描述，压缩模量
与孔隙率的关系都有很高的相关性，相关系数均在
0.9 以上。而且从这 2 类函数的本身性质来看，也能 定性地体现压缩模量随着孔隙率的变化趋势，即压
第 23 卷 第 18 期
张振南等. 松散岩块侧限压缩模量的试验研究
表 2 3 种岩样的 µ、Et 与 Es 试验数据 Table 2 Experimental data of µ，Et and Es for three kinds of rook samples
煤
页岩
砂岩
µ
Et/MPa
Es/MPa
Zhang Zhennan1，Mao Xianbiao2，Ge Xiurun1
(1Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240 China) (2China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008 China)
于本试验是在圆筒容器中进行的，岩块的侧向膨胀
受到限制，只有轴向产生应变，因此，切线模量定
义为
Et
=
dσ1 dε1
(1)
本文采用差分法近似得到 Et [15]，即
Et
=
dσ 1 dε1
≈
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
∆σ ∆ε
割线模量定义为
Es
=
σ1 ε1
(2)
式中：σ1 ， ε1 分别为轴向应力和应变。
3.2 压缩模量 E 与孔隙率 µ 的相关性
松散岩块堆积体的压缩模量对孔隙率具有很强
的依赖性。通过试验得出的 3 种岩样的压缩模量与 孔隙率数据，如表 2 所列(部分)。通过这些数据得 出的压缩模量与孔隙率关系如图 1 所示。
从图 1 中可看出，切线模量 Et 与割线模量 Es 均表现同一趋势，即：当孔隙率减小时，压缩模量
增长很快，且表现出很强的规律性。通过对这些数
摘要 通过对松散岩块进一步的压实试验研究，得出了松散岩块的侧限压缩模量与孔隙率及岩块抗压强度之间的
关系。研究结果表明，松散岩块的侧限压缩模量与孔隙率之间既可用指数关系也可用幂函数关系来描述，二者都
具有很高的相关系数。同时，岩块强度与压缩模量之间呈线性关系，回归所生成的直线方程斜率和截距均与孔隙
率有很强的相关性。最后得出压缩模量与岩块强度、孔隙率之间的统一关系式。
本试验取 3 种岩石作为试验样本，如表 1 所列。 3 种岩样分别代表 3 种强度不等的岩石。
表 1 岩样及单轴抗压强度 Table 1 Rock samples and their unaxial compressive
strength
岩样
煤
单轴抗压强度/MPa
15
页岩 25
砂岩 45
每种岩样分别选 6 种粒径，即：粒径 1(25～30 mm)、粒径 2(20～25 mm)、粒径 3(15～20 mm)、粒 径 4 (10～15 mm)、粒径 5(5～10 mm)、粒径 6(0～5 mm)。每种粒径均做 5 组重复试验，最后取 5 组试 验结果的平均值。
modulus and pore ratio is revealed. The testing results show that the compressive modulus increases fast with the decrement of pore ratio. By regression analysis，the relationship between them can be described by either exponent or power function，both with very high correlation coefficient more than 0.9. The testing results indicate that the
Abstract The compressive modulus，which characterizes the deformation behaviors of loose rock blocks under confining constraint，is related with many factors，such as the pore ratio，rock strength and so on. Among them， the pore ratio is one of the most important factors. Through testing，the relationship between compressive
关键词 岩石力学，松散岩块，压缩模量，压实，孔隙率，岩石强度
分类号 TU 452
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)18-3049-06
TESTING STUDY ON COMPRESSIVE MODULUS OF LOOSE ROCK BLOCKS UNDER CONFINING CONSTRAINT
• 3050 •
岩石力学与工程学报
2004 年
1引言
岩体破碎、堆积、再压实的变形问题一直是岩 土工程的重要问题之一。诸如采空区地表沉陷，碎 石路基的沉降变形等都涉及到松散岩块的压实变形 问题。学者们曾在这方面做了大量的研究工作[1～9]， 并取得了成果。而压缩模量又是一个描述变形特性 的重要参量，因此，压缩模量的研究具有很重要的 工程实用价值。破碎岩石由于它的不连续性，使得 对其压缩模量的研究变得更为复杂。可喜的是，一 些学者针对这一问题做了一些有益的工作[9～14]，并 取得了一些进展。文[9]给出了压缩模量与应力和应 变之间的关系。然而，松散岩块的压缩模量是由诸 多因素决定的。目前，关于压缩模量与孔隙率及岩 块本身强度关系尚未明确。因此，本文在文[9]的基 础上做了进一步的试验研究，得出了压缩模量、孔 隙率及岩块抗压强度之间的关系。
试验在 1 000 kN 材料试验机上进行，试验机作 用于岩样的压力、岩块的轴向位移及模具筒壁的应
变均采用 7V14 数据采集器自动采集。
3 试验数据分析
3.1 压缩模量的定义
本文压缩模量 E 分为切线模量 Et 和割线模量 Es 两种。切线模量反映的是应力相对于应变的变化 率；割线模量反映的是应力与应变的全量关系。由
27.30
0.37
14.55
4.98
0.39
24.03
12.07
0.40
28.27
0.35
12.43
6.36
0.38
18.16
12.77
0.39
34.99
0.34
18.80
6.43
0.37
27.35
12.96
0.37
46.93
0.33
19.96
7.70
0.35
34.83
14.89
0.36
55.80
0.30
缩模量随着孔隙率的增加而减小。因此，2 种压缩 模量与孔隙率之间的关系可写成如下形式：
E = a1 exp(b1µ)
(3a)
或
E = a2 µ b2
(3b)
式中： a1 ， a2 ， b1 ， b2 为回归系数。 实际上压缩模量与孔隙率之间之所以呈这种关
系，从压实的内部机理来看，当岩块孔隙率很大时，
intercept of the regressive linear function are closely related to pore ratio. The regressive slope increment increases
with the decrement of pore ratio and their relationship can be described by either the exponent function or the power function，both with very high correlation coefficient more than 0.9. The relationship between intercept and pore ratio can be described by the polynomial function with a correlation coefficient more than 0.9. At last，the relationship among compressive modulus，rock strength and pore ratio can be written as a uniform function. By comparing the two functions containing the parameter of pore ratio，obtained by two different ways with and without considering rock strength，a certain unification is found between the two functions. Key words rock mechanics，loose rock blocks，compressive modulus，compaction，pore ratio，rock strength