簡述巖石室內(nèi)試驗方法及物理力學(xué)指標的關(guān)系

　　摘要：巖石的物理性質(zhì)包括：飽和吸水率、飽和密度、自然吸水率、顆粒密度以及干密度等。通過試驗研究某實際水利輸水工程的代表性巖樣的物理力學(xué)性質(zhì)，得到巖石的物理參數(shù)和巖石在飽和水狀態(tài)下及干燥狀態(tài)下的泊松比、單軸抗壓強度、內(nèi)摩擦角及彈性模量等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。本文通過對試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)的整理分析，并對巖石不同力學(xué)性質(zhì)參數(shù)以及物理性質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系進行探討，明確巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)和物理性質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系，旨在為日后相似工程提供數(shù)據(jù)參考。
　　關(guān)鍵詞：巖石室內(nèi)試驗；物理力學(xué)指標；參數(shù)數(shù)據(jù)
　　隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國大部分地區(qū)對水利水電工程的需求也隨之增加。在開展水利水電工程的過程中，必須進行巖石物理力學(xué)參數(shù)的確定。本文對某實際水利輸水工程的代表性巖樣進行了相關(guān)的試驗研究，并且討論了不同的力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)之間的關(guān)系，研究這兩者之間的關(guān)系，對工程的勘測設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。
　　1.巖石物理力學(xué)性能試驗
　　1.1試樣制備
　　本文所研究的巖石試樣主要有6種：花崗巖、凝灰?guī)r、玢巖、凝灰質(zhì)砂巖、砂巖以及礫巖。根據(jù)具體的試驗規(guī)定，分析的過程需要抽取巖芯并且進行加工，加工目的是為了使試樣更便于對其力學(xué)性質(zhì)以及物理性質(zhì)進行研究。
　　1.2巖石物理性質(zhì)試驗
　　對巖石試樣的物理性質(zhì)進行了相關(guān)測試。測試包括：巖石試樣塊體密度的試驗、巖石試樣吸水性試驗以及巖石試樣顆粒密度試驗。巖石需要進行合理處理，分別對巖石試樣進行烘干后稱取重量；然后把巖石試樣至于水中48h后，進行重量稱取；抽氣飽水后以及飽水后分別進行稱重。將稱重結(jié)果進行整理記錄，然后利用這些數(shù)據(jù)分別計算巖樣的密度、孔隙率、顆粒密度、自然吸水率、烘干密度以及飽和吸水率[1]。
　　通過對數(shù)據(jù)統(tǒng)計后分析，得出：巖樣的密度均值處于2.65g/cm3～2.75g/cm3，巖樣的烘干密度范圍處于2.61g/cm3～ 2.72g/cm3，巖樣的顆粒密度范圍處于2.72g/cm3～2.80g/cm3。相關(guān)實驗表明，不同巖樣的變異性不大，每種巖石巖樣的密度值十分接近。凝灰?guī)r、玢巖、凝灰質(zhì)砂巖、砂巖以及礫巖的孔隙率、自然吸水率以及飽和吸水率的變異系數(shù)都大于1。這一現(xiàn)象表明，這個地區(qū)不同種類巖石具有差異較大的空隙分布，這也就造成其吸水性有所不同。凝灰質(zhì)砂巖和花崗巖的平均孔隙率為0.9%和0.88%，都小于1%。那么，凝灰質(zhì)砂巖和花崗巖的自然吸水率和飽和吸水率兩個參數(shù)也相對較小，平均的吸水率值不超過0.5%，如此小的吸水率，證明凝灰質(zhì)砂巖和花崗巖質(zhì)地相對密集，吸水難度大。礫巖和砂巖的孔隙率分別為2.82%和2.25%，都大于2%，和其他巖樣對比，孔隙率相對較大，因此這兩種巖樣的飽和吸水率和自然吸水率相對也較大，平均吸水率都要超過1%，如此大的吸水率，證明礫巖和砂巖較容易進行吸水軟化。
　　2.巖石試驗參數(shù)之間的關(guān)系
　　2.1密度影響分析
　　為能夠更加清晰的分析巖石力學(xué)參數(shù)和物理參數(shù)之間的關(guān)系，工作人員在試驗過程中，需要把巖石的物理參數(shù)作為函數(shù)的自變量，各類力學(xué)參數(shù)作為函數(shù)的因變量，然后進行擬合公式的應(yīng)用，主要的擬合公式有5種，分別為：線性函數(shù)、冪函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)以及多項式函數(shù)。憑借這類擬合方法，能夠得出物理參數(shù)以及力學(xué)參數(shù)之間的擬合關(guān)系，然后再利用線性系數(shù)，分析這些參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)上文記錄的6種巖樣分別處于飽和狀態(tài)以及干燥狀態(tài)下的相關(guān)數(shù)據(jù)，深入地探討了巖樣力學(xué)指標隨密度變化規(guī)律。依據(jù)實驗結(jié)果分析可知：巖樣在飽和狀態(tài)或者烘干狀態(tài)下，內(nèi)摩擦角（用φ表示），彈性模量（用E表示），單軸抗壓強度（用R表示）都和巖樣密度（用P表示）成正相關(guān)關(guān)系，也就是各類巖樣的力學(xué)參數(shù)隨著巖樣密度的增大而增大；而巖樣的泊松比和巖樣的密度成負相關(guān)關(guān)系，也就是各類巖樣的泊松比隨著密度的增大而減小[2]。利用線性函數(shù)、冪函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)以及多項式函數(shù)在圖中進行線型擬合，并且匯總了相關(guān)性較高的擬合公式，見表1。
　　2.2孔隙率影響分析
　　依據(jù)花崗巖、凝灰?guī)r、玢巖、凝灰質(zhì)砂巖、砂巖以及礫巖巖樣的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，分析各類巖樣在飽和狀態(tài)以及干燥狀態(tài)下，各類力學(xué)參數(shù)隨孔隙率會有如何變化，通過探討相關(guān)結(jié)果可得如下結(jié)論：各類巖樣在飽和狀態(tài)以及烘干狀態(tài)下，巖樣的內(nèi)摩擦角（用φ？表示），單軸抗壓強度（用R表示），彈性模量（用E表示）和巖樣的孔隙率（用n表示）成負相關(guān)關(guān)系，也就是這些力學(xué)參數(shù)隨著巖樣空隙率的增大而減小。而各類巖樣的泊松比（用μ表示）和巖樣的孔隙率成正相關(guān)關(guān)系，即各類巖樣的泊松比隨著巖樣孔隙率的增大而增大。
　　3.試驗總結(jié)
　　為達到能夠清晰了解相關(guān)工程區(qū)巖石的物理學(xué)性質(zhì)關(guān)系，針對花崗巖、凝灰?guī)r、玢巖、凝灰質(zhì)砂巖、砂巖以及礫巖6種巖石分別進行力學(xué)以及物理性質(zhì)的相關(guān)實驗，并且詳細地對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，可以得出以下結(jié)論：
　�。�1）試驗區(qū)域內(nèi)6類巖石有著十分接近的巖石密度均值，實驗結(jié)果幾乎沒有任何變異性。凝灰?guī)r、玢巖、凝灰質(zhì)砂巖、砂巖以及礫巖（即除了花崗巖），各類巖樣的孔隙率以及吸水率的變異系數(shù)大于1，這表明試驗區(qū)域內(nèi)各類巖樣有著差異較大的空隙分布，也就造成各類巖石有著不同大小的吸水能力。6類巖樣中，凝灰質(zhì)砂巖和花崗巖有著較小的吸水率以及平均孔隙率，這兩種巖石質(zhì)地更為致密，較難發(fā)生吸水軟化，而礫巖和砂巖恰恰相反，它們的質(zhì)地相對疏松，更易吸水發(fā)生軟化[3]。
　　（2）文章還對巖石力學(xué)實驗參數(shù)以及物理實驗參數(shù)之間所存在的關(guān)系進行相關(guān)分析，通過相關(guān)數(shù)據(jù)表明，不論是在飽和狀態(tài)下，還是在烘干狀態(tài)下，各類巖石的密度如果增加，那么其彈性模量、內(nèi)摩擦角以及單軸抗壓強度都會增加，即成正比關(guān)系；但是巖石的泊松比會有一定幅度的減小，也就是成反比；另外巖石巖樣的內(nèi)摩擦角、單軸抗壓強度以及彈性模量都會隨著巖石巖樣孔隙率的增加而呈減小趨勢，也就是成反比；而巖樣的泊松比會隨著巖石物理試驗參數(shù)與力學(xué)試驗參數(shù)之間的關(guān)系變化，相關(guān)結(jié)果表明巖石在烘干與飽和這兩種狀態(tài)下，巖石的密度如果增加，那么其彈性模量、單軸抗壓強度及內(nèi)摩擦角均增加，而泊松比卻有一定幅度的減小。巖石的孔隙率如果增加，其單軸抗壓強度、彈性模量和內(nèi)摩擦角均減小，也就是成反比；然而，泊松比卻有一定幅度的增加，也就是成正比。研究過程中，因變量為測試巖樣的力學(xué)實驗參數(shù)，自變量為巖石巖樣的物理實驗參數(shù)，然后可以得出各類參數(shù)之間的擬合公式。如果日后工程數(shù)據(jù)不全，這類關(guān)系及數(shù)據(jù)可以為其提供依據(jù)和參考。
　　4.結(jié)論
　　綜上所述，本文通過對實際工程區(qū)域內(nèi)巖石巖樣的力學(xué)參數(shù)及物理參數(shù)進行研究分析，得出巖石巖樣在飽和水狀態(tài)下以及干燥狀態(tài)下的泊松比、單軸抗壓強度、內(nèi)摩擦角以及彈性模量等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)以及巖樣飽和吸水率、飽和密度、自然吸水率、顆粒密度以及干密度物理性質(zhì)參數(shù)，并且通過分析，得出其具有一定相關(guān)性。
　　參考文獻：
　　[1]李軍，陳勉，柳貢慧.巖石力學(xué)性質(zhì)正交各向異性確定方法研究[J].西部探礦工程，2006，18（8）：101-103.
　　[2]孫小康，朱卓慧，徐燕飛.三岔河礦區(qū)礦體巖石物理力學(xué)試驗研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2011（5）：40-42.
　　[3]李長銀.某水電站壩基薄層砂巖物理力學(xué)特性試驗研究[J].四川水利，2010，30（2）：45-48.

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