1.加工精度的影响
岩样在抗压过程中,其应力状态、破坏极限及破坏形式随端面(端部效应)的摩擦力大小而有所变化,试件端面的摩擦力则与试件加工精度密切相关。试件在加工过程中外表常产生一种“影响带”,如微裂隙、粗糙度,这就是通常所讲的表面效应。试件的精度可从三个方面评价,即直径和边长的误差、两端面平行误差和端面与轴线角度差,这些误差大小对实测成果均有影响,特别是两端面的平行误差影响尤甚。因此,要减少端面摩擦力,必须提高试件的加工精度。《水利水电岩石试验规程》(SL264—2001)指出,在试件整个高度上,直径误差不超过0.3mm;两端面的不平行度,最大不超过0.05mm;端面应垂直于试件轴,最大偏差不超过0.25°。
2.高径比对岩石强度的影响
《水利水电岩石试验规程》(SL264—2001)规定:试样为由50mm高径比为2:1的圆柱体,即φ25×50mm、φ50×100mm、φ100×200mm。这是因为圆柱形试件具有轴对称性,应力分布均匀的特性。有关单位曾采用石膏做对比试验,当高径比在2左右时其抗压强度逐渐接近极限稳定值,这种极限值才是真正意义上单轴抗压强度。但这种换算方法不是适合所有岩石,与实际会有一定的差异,因此,样品满足高径比要求是抗压试验中一个十分重要的问题。
同时,由于大多数岩石本身具有各向异性和矿物组成多样性的特点,加载速率及人为因素等的影响,都会在一定程度上影响岩样强度的测试结果。
3.全过程试验成果分析
本次试验对象为软岩,很难加工成规则尺寸,对试样无法加工成φ50mm×100mm的标准件,在《水利水电工程岩石实验规程》(SL264—2001)的说明中提出,应将任意高径比的抗压强度值按公式(5-1)换算成高径比为2:1的标准抗压强度值。
复杂软岩特性及其高边坡稳定性研究:以四川岷江紫坪铺水电站为例
式中:R(H/D=2)为高径比为2的试件的抗压强度(MPa);Rc为非标准试件的抗压强度(MPa);D、H分别为非标准试件的直径与高度(mm)。
关于变形与强度的关系问题,主要是针对软岩而言的。硬岩在进入塑性后,迅速达峰值点,进而破坏,之后随着变形的增大,强度迅速下降。软岩则具有相当的塑性,在峰值点以后,强度缓慢下降,且仍具有相当的强度。这也是软岩工程设计允许进入塑性破坏,而硬岩工程设计不允许进入塑性的根本原因。应力()σ-应变(ε)全过程曲线如图5-4和图5-5所示。
图5-4 1#样(F3断层)泥质粉砂岩(NS)的全应力-应变曲线
由全应力-应变曲线可以看出,软岩具有明显的弹塑性变形破坏特征,相同岩性得出结果相差很大,由于岩石内部结构的影响,由微观鉴定分析结果显示,泥质粉砂岩中可见有方解石脉先存裂缝垂直泥质粉砂岩层理方向产出,发育若干不规则未充填的破裂缝,这两类裂缝在岩石内不定向分布。微裂隙的不均匀分布势必会影响测试结果。试样1#-4、1#-1-2破坏形式如图5-6所示,岩体相对较完整,一侧含有多条先存裂隙,破坏形式主要是沿先存裂隙破坏。
图5-5 2#样(L9)粉砂岩夹煤线(FM)的全应力-应变曲线
图5-6 泥质粉砂岩破坏情况
测试结果抗压强度均小于100MPa,应力达到峰值之后的形态主要有两种类型,一种是强度相对较软,抗压强度小于40MPa的岩石,在达到峰值之后是一种稳定的变形模式,变形进一步发展还需要外部输入能量;另一种强度相对较硬,在应力达到峰值以后,变形自动发展。这种差异性主要是岩石的结构(尤其是颗粒的大小和空隙的多少)造成的。最终统计结果见表5-4。
表5-4 应力-应变全过程试验成果表
从表5-4可以看出,对于同一地点的同一岩性,测得的变形强度参数也有很大差异,除了试验方法上的因素外,主要取决于岩石本身固有的特征。由于岩石中不可避免地存在着微裂隙以及各种物理化学、地质现象的影响,而且由于岩石结晶程度、岩石颗粒大小和形状的不同,以及胶结物的多寡和成分变化等,对岩石变形强度参数的影响都很大。
4.软岩单轴抗压变形强度特征分析
大量的点荷载试验和应力-应变全过程试验研究,为软岩的抗压强度、弹性模量等力学参数的确定提供了有利的依据。泥质粉砂岩的抗压强度为13～78MPa,炭质页岩的抗压强度在5～20MPa之间;软岩岩层具有强烈的各向异性,抗压强度的各向异性指数在1.8～2.5之间;应力-应变全过程曲线表明,枢纽区软岩具有明显的弹塑性变形破坏特征。同时,也说明了软岩是一种非均质性、各向异性和非连续性的软硬相间的复杂岩体。