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简述岩石室内试验方法及物理力学指标的关系

作者：张建辉

来源：《西部资源》2017年第06期

摘要：岩石的物理性质包括：饱和吸水率、饱和密度、自然吸水率、颗粒密度以及干密度等。通过试验研究某实际水利输水工程的代表性岩样的物理力学性质，得到岩石的物理参数和岩石在饱和水状态下及干燥状态下的泊松比、单轴抗压强度、内摩擦角及弹性模量等力学性质参数。本文通过对试验结果及数据的整理分析，并对岩石不同力学性质参数以及物理性质参数之间的关系进行探讨，明确岩石力学性质参数和物理性质参数之间的关系，旨在为日后相似工程提供数据参考。

关键词：岩石室内试验；物理力学指标；参数数据

随着社会经济的快速发展，我国大部分地区对水利水电工程的需求也随之增加。在开展水利水电工程的过程中，必须进行岩石物理力学参数的确定。本文对某实际水利输水工程的代表性岩样进行了相关的试验研究，并且讨论了不同的力学性质和物理性质之间的关系，研究这两者之间的关系，对工程的勘测设计具有重要的现实意义。 1.岩石物理力学性能试验 1.1试样制备

本文所研究的岩石试样主要有6种：花岗岩、凝灰岩、玢岩、凝灰质砂岩、砂岩以及砾岩。根据具体的试验规定，分析的过程需要抽取岩芯并且进行加工，加工目的是为了使试样更便于对其力学性质以及物理性质进行研究。 1.2岩石物理性质试验

对岩石试样的物理性质进行了相关测试。测试包括：岩石试样块体密度的试验、岩石试样吸水性试验以及岩石试样颗粒密度试验。岩石需要进行合理处理，分别对岩石试样进行烘干后称取重量；然后把岩石试样至于水中48h后，进行重量称取；抽气饱水后以及饱水后分别进行称重。将称重结果进行整理记录，然后利用这些数据分别计算岩样的密度、孔隙率、颗粒密度、自然吸水率、烘干密度以及饱和吸水率[1]。

通过对数据统计后分析，得出：岩样的密度均值处于2.65g/cm3～2.75g/cm3，岩样的烘干密度范围处于2.61g/cm3～ 2.72g/cm3，岩样的颗粒密度范围处于2.72g/cm3～2.80g/cm3。相关实验表明，不同岩样的变异性不大，每种岩石岩样的密度值十分接近。凝灰岩、玢岩、凝灰质

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砂岩、砂岩以及砾岩的孔隙率、自然吸水率以及饱和吸水率的变异系数都大于1。这一现象表明，这个地区不同种类岩石具有差异较大的空隙分布，这也就造成其吸水性有所不同。凝灰质砂岩和花岗岩的平均孔隙率为0.9%和0.88%，都小于1%。那么，凝灰质砂岩和花岗岩的自然吸水率和饱和吸水率两个参数也相对较小，平均的吸水率值不超过0.5%，如此小的吸水率，证明凝灰质砂岩和花岗岩质地相对密集，吸水难度大。砾岩和砂岩的孔隙率分别为2.82%和2.25%，都大于2%，和其他岩样对比，孔隙率相对较大，因此这两种岩样的饱和吸水率和自然吸水率相对也较大，平均吸水率都要超过1%，如此大的吸水率，证明砾岩和砂岩较容易进行吸水软化。

2.岩石试验参数之间的关系 2.1密度影响分析

为能够更加清晰的分析岩石力学参数和物理参数之间的关系，工作人员在试验过程中，需要把岩石的物理参数作为函数的自变量，各类力学参数作为函数的因变量，然后进行拟合公式的应用，主要的拟合公式有5种，分别为：线性函数、幂函数、对数函数、指数函数以及多项式函数。凭借这类拟合方法，能够得出物理参数以及力学参数之间的拟合关系，然后再利用线性系数，分析这些参数的内在联系。根据上文记录的6种岩样分别处于饱和状态以及干燥状态下的相关数据，深入地探讨了岩样力学指标随密度变化规律。依据实验结果分析可知：岩样在饱和状态或者烘干状态下，内摩擦角（用φ表示），弹性模量（用E表示），单轴抗压强度（用R表示）都和岩样密度（用P表示）成正相关关系，也就是各类岩样的力学参数随着岩样密度的增大而增大；而岩样的泊松比和岩样的密度成负相关关系，也就是各类岩样的泊松比随着密度的增大而减小[2]。利用线性函数、幂函数、对数函数、指数函数以及多项式函数在图中进行线型拟合，并且汇总了相关性较高的拟合公式，见表1。 2.2孔隙率影响分析

依据花岗岩、凝灰岩、玢岩、凝灰质砂岩、砂岩以及砾岩岩样的相关实验数据，分析各类岩样在饱和状态以及干燥状态下，各类力学参数随孔隙率会有如何变化，通过探讨相关结果可得如下结论：各类岩样在饱和状态以及烘干状态下，岩样的内摩擦角（用φ？表示），单轴抗压强度（用R表示），弹性模量（用E表示）和岩样的孔隙率（用n表示）成负相关关系，也

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就是这些力学参数随着岩样空隙率的增大而减小。而各类岩样的泊松比（用μ表示）和岩样的孔隙率成正相关关系，即各类岩样的泊松比随着岩样孔隙率的增大而增大。 3.试验总结

为达到能够清晰了解相关工程区岩石的物理学性质关系，针对花岗岩、凝灰岩、玢岩、凝灰质砂岩、砂岩以及砾岩6种岩石分别进行力学以及物理性质的相关实验，并且详细地对试验结果进行统计分析，可以得出以下结论：

（1）试验区域内6类岩石有着十分接近的岩石密度均值，实验结果几乎没有任何变异性。凝灰岩、玢岩、凝灰质砂岩、砂岩以及砾岩（即除了花岗岩），各类岩样的孔隙率以及吸水率的变异系数大于1，这表明试验区域内各类岩样有着差异较大的空隙分布，也就造成各类岩石有着不同大小的吸水能力。6类岩样中，凝灰质砂岩和花岗岩有着较小的吸水率以及平均孔隙率，这两种岩石质地更为致密，较难发生吸水软化，而砾岩和砂岩恰恰相反，它们的质地相对疏松，更易吸水发生软化[3]。

（2）文章还对岩石力学实验参数以及物理实验参数之间所存在的关系进行相关分析，通过相关数据表明，不论是在饱和状态下，还是在烘干状态下，各类岩石的密度如果增加，那么其弹性模量、内摩擦角以及单轴抗压强度都会增加，即成正比关系；但是岩石的泊松比会有一定幅度的减小，也就是成反比；另外岩石岩样的内摩擦角、单轴抗压强度以及弹性模量都会随着岩石岩样孔隙率的增加而呈减小趋势，也就是成反比；而岩样的泊松比会随着岩石物理试验参数与力学试验参数之间的关系变化，相关结果表明岩石在烘干与饱和这两种状态下，岩石的密度如果增加，那么其弹性模量、单轴抗压强度及内摩擦角均增加，而泊松比却有一定幅度的减小。岩石的孔隙率如果增加，其单轴抗压强度、弹性模量和内摩擦角均减小，也就是成反比；然而，泊松比却有一定幅度的增加，也就是成正比。研究过程中，因变量为测试岩样的力学实验参数，自变量为岩石岩样的物理实验参数，然后可以得出各类参数之间的拟合公式。如果日后工程数据不全，这类关系及数据可以为其提供依据和参考。 4.结论

综上所述，本文通过对实际工程区域内岩石岩样的力学参数及物理参数进行研究分析，得出岩石岩样在饱和水状态下以及干燥状态下的泊松比、单轴抗压强度、内摩擦角以及弹性模量等力学性质参数以及岩样饱和吸水率、饱和密度、自然吸水率、颗粒密度以及干密度物理性质参数，并且通过分析，得出其具有一定相关性。 参考文献：

[1]李军，陈勉，柳贡慧.岩石力学性质正交各向异性确定方法研究[J].西部探矿工程，2006，18（8）：101-103.