3.1　岩石物理力学特性试验研究

3.1.1　岩石的物理性质研究

3.1.1.1　岩石基本物理性质试验方法

在进行岩体的力学性质研究和工程岩体稳定性分析时，常常要用到岩石的物理性质指标，有些岩石的物理性参数与其力学性质有很好的相关性，岩石物理性试验是岩石乃至岩体的力学性质研究的重要内容。岩石的物理性质试验主要在室内用岩块进行，一般包括含水率、吸水性、颗粒密度、块体密度等试验。

1.颗粒密度试验

岩石颗粒密度是其固相物质的质量与其体积的比值。其试验方法有比重瓶法和水中称量法，比重瓶法适用于各类岩石，水中称量法不适用于遇水崩解、溶解和干缩湿胀以及密度小于1g/cm3的岩石。水中称量法测定的颗粒密度与比重瓶法测定的颗粒密度值存在一定差别；但差别不大，能满足中小型工程及大型工程的可行性和初设计阶段的需要。水中称量试验快捷、方便，通常情况下被广泛采用，该方法的岩石颗粒密度按下式计算

2.块体密度试验

岩石密度，即单位体积的岩石质量，是试样质量与试样体积之比。根据试样的含水量情况，岩石密度可分为烘干密度、饱和密度和天然密度。一般未说明含水情况时，即指烘干密度。根据岩石类型和试样形态，分别采用不同方法测定其密度。一般原则为：凡能制备成规则试样的岩石，宜采用量积法；除遇水崩解、溶解和干缩湿胀性岩石外，可采用水中称重法；不能用量积法或水中称重法进行测定的岩石，可采用蜡封法；用水中称重法测定岩石密度时，一般用测定岩石吸水率和饱和吸水率的同一试样同时进行测定；按照下列公式进行计算

式中：ρ0为天然密度，g/cm3；ρd为干密度，g/cm3；ρs为饱和密度，g/cm3；md为试件烘干后的质量，g；ms为试件强制饱和后的质量，g；mw为强制饱和试件在水中的称量，g。

3.含水率、吸水率与孔隙率试验

岩石的天然含水率是指试样在大气压力和室温条件下，天然条件下岩石自身所含有的水的质量与试样固体质量比的百分率。通常采用烘干法进行试验，适用于含结晶水矿物和不含结晶水矿物的岩石，试验的关键技术是烘干标准。目前国内岩石力学试验规程有两种规定：①时间控制，规定在指定的温度下烘干若干小时，即含结晶水矿物岩石要求在40℃±5℃恒温下烘24h，不含结晶水矿物岩石要求在105～110℃恒温下烘24h；②称量控制，规定在指定的温度下烘至恒量，即两次相邻称量之差不超过后一次称量的0.1%。

岩石吸水率是试样在大气压力和室温条件下，岩石吸入水的质量与试样固体质量比的百分率；采用自由浸水方式求岩石吸水率。岩石饱和吸水率是试样在强制状态下，岩石的最大吸水质量与试样固体质量比的百分率；采用煮沸法或真空抽气法求岩石饱和吸水率，适用于遇水不崩解、不溶解和不干缩湿胀的岩石。

岩石孔隙率是岩石中孔隙的体积与岩石总体积的比值，常用百分数表示，坚硬岩石的孔隙率一般小于2%～3%，而砾岩、砂岩等多孔岩石的孔隙率相对较大。

岩石天然含水率、吸水率、饱和吸水率、孔隙率按以下公式计算

式中：w0、wa、ws、n分别为岩石天然含水率、吸水率、饱和吸水率、孔隙率，%；m0、md、ma、ms分别为岩石天然质量、烘干质量、浸水48h质量和强制饱和质量，g。

3.1.1.2　广东抽水蓄能电站岩石的物理性质

1.广州抽水蓄能电站

广州抽水蓄能电站工程区地层主要为燕山三期中粗粒花岗岩；在岩体形成后，受构造作用以及燕山四期花岗岩侵入及地下热水影响，在一些断层和裂隙两侧，产生黏土化热液蚀变，形成特殊的黏土化蚀变岩带。

针对电站工程区不同风化程度的中粗粒花岗岩、蚀变花岗岩开展物理性质试验180余组，试验成果表明：不同风化程度的中粗粒花岗岩的颗粒密度为2.63～2.64g/cm3，天然密度为2.30～2.58g/cm3，饱和吸水率为0.43%～4.91%，孔隙率为2.22%～10.5%；不同性状的蚀变花岗岩的颗粒密度为2.63～2.66g/cm3，天然密度为2.35～2.47g/cm3，孔隙率为6.97%～8.15%；岩石物理性质试验成果见表3.1-1。

2.惠州抽水蓄能电站

惠州抽水蓄能电站区内地层以不同时期侵入的花岗岩为主，在其周围零星分布有残缺不全的沉积岩。侵入岩可分为3个侵入旋回：加里东侵入旋回、印支侵入旋回和燕山侵入旋回。燕山侵入旋回岩浆活动最为强烈，活动次数频繁，区内主要分布燕山三期和燕山四期侵入的花岗岩。在各期侵入岩中有较多石英脉和煌斑岩脉，煌斑岩脉宽10～30cm，呈不规则状延伸，一般几米至几十米。

选取典型岩石试样共开展了342组物理性质试验，参数主要包括块体密度、颗粒密度、天然含水率、饱和含水率和孔隙率；试验采用水中称重法，并采用烘干法和真空抽气法对试件进行烘干和饱和处理。室内物理性质试验成果表明，不同风化程度岩石天然块体密度在2.58～2.73g/cm3之间，颗粒密度在2.63～2.77g/cm3之间，饱和吸水率均小于1%，物理性质试验成果见表3.1-2。

3.清远抽水蓄能电站

清远抽水蓄能电站地层岩性主要为寒武系八村群第三亚群（∈bcc）石英砂岩、粉砂岩，泥盆系下-中统桂头群（D1-2gt）石英砂岩及泥质砂岩，以及燕山三期中粗粒黑云母花岗岩。

针对工程区不同风化程度的石英砂岩、中粗粒花岗岩等开展物理性质试验250余组，试验成果表明：不同风化程度不同岩性的岩石颗粒密度在2.65～2.77g/cm3之间，天然状态下块体密度在2.61～2.72g/cm3之间，饱和吸水率均小于1%，岩石物理性质试验成果见表3.1-3。

3.1.2　岩石力学特性试验研究

3.1.2.1　岩石力学特性试验方法

1.单轴抗压强度试验

岩石单轴抗压强度是试件在无侧限条件下受轴向力作用破坏时单位面积所承受的荷载。试件含水状态可根据需要选择天然、烘干或饱和状态，同一状态下每组试件数量不应少于3个。岩石单轴抗压强度是划分岩石级别和评定岩石质量的重要指标，是岩体工程和建筑物基础的重要依据。岩石标准试件采用圆柱体，直径为50mm，高径比为2～2.5。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试件，但高径比必须保持2～2.5的比值。对于层（片）状岩石，一般按垂直和平行于层（片）理两个方向制样。为了消除受载时的端部效应，试件两端安放光滑的钢质垫块。垫块直径等于或略大于试件直径。其高度约等于试件直径，垫块的刚度和平整度应符合要求。岩石单轴抗压强度与软化系数按照下列公式计算

式中：P为破坏荷载，N；A为垂直于加荷方向的试件面积，mm2；R为单轴抗压强度，MPa；为饱和状态下单轴抗压强度平均值，MPa；为干燥状态下单轴抗压强度平均值，MPa。

2.单轴压缩变形试验

岩石单轴压缩变形试验是测定试件在单轴压缩条件下的纵向和横向应变值，据此计算岩石变形模量、弹性模量和泊松比。试件形态和含水状态，与抗压强度试件相同。常用的压缩变形量测方法有电阻应变片法、千分表法与引伸计法。岩石的弹性模量是指岩石在弹性变形阶段其应力与应变变化值之比；变形模量为应力-应变曲线零荷载点与单轴抗压强度50%水平交点连线的斜率；泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的常数。岩石变形模量、弹性模量和泊松比参数按照下列公式计算

式中：Ee为岩石弹性模量，MPa；σa为应力与纵向应变关系曲线上直线段起始点的应力值，MPa；σb为应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值，MPa；εha为应力为σa时的纵向应变值；εhb为应力为σb时的纵向应变值；E50为变形模量，即割线模量，MPa；σ50为相当于50%抗压强度的应力值，MPa；ε50为应力为抗压强度50%时的应变值；μe为岩石弹性泊松比；εda为应力为σa时的横向应变值；εdb为应力为σb时的横向应变值；μ50为与εh50和εd50相应的泊松比；εd50为应力为σ50时的横向应变值；εh50为应力为σ50时的纵向应变值。

3.三轴压缩强度试验

岩石三轴压缩强度是指岩石在三向应力状态下承受荷载的能力。工程岩体一般处于三向应力状态，这种条件下岩石的破坏准则、强度与变形特征与一维受力状态下的不同。三向应力状态下岩石的总变形量大大增加，随着侧向压力的增大，岩石塑性特征越来越明显且强度也逐渐增大，破裂形式趋于剪切破坏。岩石三轴压缩强度通常采用标准的圆柱体岩石试样在等侧向压力（σ2＝σ3）下开展试验；根据莫尔-库仑强度理论确定三轴应力状态下的岩石抗剪强度参数。

莫尔-库仑强度准则的最简单形式是线性关系，即

相应的式的形式可以写成：

式中：φ为内摩擦角；c为岩石的黏聚力。

3.1.2.2　广东抽水蓄能电站岩石的力学特性

1.广州抽水蓄能电站

广州抽水蓄能电站岩石力学性质试验主要包括抗压强度（天然和饱和两种状态）、单轴压缩变形（天然和饱和两种状态）、三轴（等围压σ2＝σ3）压缩强度试验等。针对不同风化程度的中粗粒花岗岩与弱蚀变花岗岩共进行100余组岩石力学特性试验；不同风化程度中粗粒花岗岩的弹性模量范围值为4.85～46.3GPa，变形模量范围值为2.90～42.9GPa，软化系数范围值为0.44～0.80；弱蚀变花岗岩的弹性模量约为12.6GPa，变形模量约为9.78GPa，软化系数约为0.63；广州抽水蓄能电站岩石基本的力学特性试验成果见表3.1-4。

2.惠州抽水蓄能电站

惠州抽水蓄能电站不同风化程度岩石的饱和抗压强度范围值为36.3～151MPa，软化系数范围值为0.41～0.84，弹性模量范围值为17.0～75.4GPa，抗剪断强度内摩擦系数f值范围值为0.86～1.14，黏聚力c值范围值为5.32～16.7MPa；惠州抽水蓄能电站岩石基本的力学特性试验成果见表3.1-5。

3.清远抽水蓄能电站

清远抽水蓄能电站针对不同风化程度的石英砂岩、中粗粒黑云母花岗岩开展了120余组岩石力学特性试验。不同风化程度石英砂岩的饱和抗压强度范围值为122～192MPa，饱和条件下弹性模量范围值为59.8～86.8GPa，抗剪断强度内摩擦系数f范围值为1.03～1.21，黏聚力c范围值为13.8～15.3MPa；不同风化程度中粗粒花岗岩的饱和抗压强度范围值为116～143MPa，饱和条件下弹性模量范围值为54.0～55.3GPa，抗剪断强度内摩擦系数f值约为1.05，黏聚力c值约为9.97MPa；清远抽水蓄能电站岩石基本的力学特性试验成果见表3.1-6。