物理力學性質指標如何取值

① 岩土物理力學性質指標的統計與選擇

為使試驗資料可靠和適用，應進行正確的數據分析和整理。勘察資料的整理是在搜集原始資料基礎上，收集現有的岩土工程勘察資料，進行初勘、詳勘等有關勘察資料的整理，結合岩土工程測繪、勘探、測試、檢驗與監測所得各項原始資料和數據的基礎上，進行岩土物理力學性質指標的統計與選擇。整理時對試驗資料中明顯不合理的數據，應通過研究分析其原因(試樣是否具有代表性、試驗過程中是否出現異常情況等)，或在有條件時，進行一定的補充試驗後，再決定對可疑數據的取捨或改正。

岩土物理力學性質指標可分為兩類：一類是評價指標，用以評價岩土的性狀，作為劃分地層鑒定類別的土主要依照；另一類是計算指標，用以設計岩土工程預測岩土體在荷載和自然因素作用下的力學行為和變化趨勢，並指示施工和監測。

工程上對這兩類岩土參數的基本要求是可靠性和適用性。可靠性是指參數能否正確反映岩土體在規定條件下的性狀，能比較有把握地估計參數值所在的區間。適用性是指參數能否滿足工程設計計算的假定條件和計算精度要求。岩土工程勘察報告應對主要參數的可靠性和適用性進行分析，並在分析的基礎上選定參數。

岩土參數的可靠性和適用性，在很大程度上取決於土體本身的結構性和取樣時受到擾動的程度及試驗標准。土體本身的結構性是影響參數取值的內因，結構性越強的土體受到擾動的可能性越大；而影響到參數取值的外因是取樣器和取樣方法、試驗方法和取值標准。通常是通過控制外因來提高岩土參數的可靠性和適用性。

通過提高取樣器質量和採用最佳的取樣方法，來盡可能地減少對岩土體樣品的擾動，減少數據的離散性。對同一土層的同一指標。採用不同的試驗方法和標准時常會發現，所獲數據差異很大。例如，不同的直剪試驗方法(快剪、固結快剪、慢剪)其抗剪強度參數有較大的區別：若土體是含水率較高的粘性土體，則參數的差異值更大。因此，要根據不同的工程要求等情況，來確定試驗方法與標准。目前我國基本上對不同的試驗項目規定了相關的試驗方法和標准，這個標准就是中華人民共和國國家標准：《土工試驗方法標准》(GB—T50123-1999)。考慮到岩土參數是隨機變數，變異性較大，該規范還規定了試驗參數的統計方法。因此，岩土工程師在進行岩土工程設計計算時，不僅要掌握岩土參數的數據、而且要了解取樣和試驗問題，針對岩土體的非均質性和各向異性以及參數測定方法、條件與工程原型之間的差異等種種原因，對岩土參數的可靠性和適用性進行評價。

土工試驗測得的土性指標，可按其在工程設計中的實際作用，分為：一般特性指標和主要計算指標。前者如土的天然密度、天然含水率、土粒比重、顆粒組成、液限、塑限、有機質、水溶鹽等，系指作為對土分類定名和闡明其物理化學特性的土性質指標；後者如土的粘聚力、內摩擦角、壓縮系數、變形模量、滲透系數等，系指在設計計算中直接用以確定土體的強度、變形和穩定性等力學性質的土性質指標。

對一般特性指標的成果整理，通常可採用多次測定值x_i的算術平均值，並計算出相應的標准差σ和變異系數δ，以反映實際測定值對算術平均值的變化程度，從而判別其採用算術平均值時的可靠性。

算術平均值

的計算公式為：

土體原位測試與工程勘察

式中：

x_i為指標測定值的總和；n為指標測定的總次數。

標准差σ按下式計算：

土體原位測試與工程勘察

標准差雖然是衡量參數離散程度的尺子，但由於它是有量綱的，不能用來比較不同參數的離散性，即無法進行相互比較。為此引入了變異系數的概念來評價岩土參數的變異特徵。變異系數是無量綱的，使用上比較方便，故在國際上是通用的指標。

變異系數δ按下式計算，並按表8-1來評價變異性。

土體原位測試與工程勘察

表8-1 參數變異系數

按變異系數的大小，可劃分變異性的不同等級(變異類型)，它有助於岩土工程師定量地判別評價岩土參數的變異特性，以便提出不同的設計參數值。

對於主要計算指標的成果整理，如果測定的組數較多，此時指標的最佳值常接近於諸測值的算術平均值，故可按一般特性指標的方法確定其設計計算值，即採用算術平均值。但通常由於試驗的數據較少，考慮到測定誤差、土體本身的不均勻性和施工質量的影響等，為安全考慮，對初步設計和次要建築物宜採用標准差平均值，即對算術平均值加(或減)一個標准差的絕對值，即：

±｜σ｜。

對不同應力條件下測得的某種指標(如抗剪強度等)，應經過綜合整理後求取。在某些情況下，尚需求出不同土體單元綜合使用時的計算指標。這種綜合性的土性指標，一般採用圖解法或最小二乘法分析確定。

(1)圖解法：將不同應力條件下測得的指標值(如抗剪強度)求得算術平均值，然後以不同應力為橫坐標，指標平均值為縱坐標作圖，並求得關系曲線，確定其參數(如土的粘聚力c和角摩擦系數tgφ)。

(2)最小二乘法：根據各測定值同關系曲線的偏差的平方和為最小的距離原理，求取參數值。

(3)當設計計算幾個土體單元土性參數的綜合值時，可按土體單元在設計計算中的實際影響，採用加權平均值，即：

土體原位測試與工程勘察

式中：x_i為不同土體單元的計算指標；w_i為不同土體單元的對應權。

② 力學性能主要包括哪些指標

包括：彈性指標、硬度指標、強度指標、塑性指標、韌性指標、疲勞性能、斷裂韌度。

一、彈性指標

1、正彈性模量

定義為理想材料有小形變時應力與相應的應變之比。E以單位面積上承受的力表示，單位為達因每平方厘米。模量的性質依賴於形變的性質。剪切形變時的模量稱為剪切模量，用G表示；壓縮形變時的模量稱為壓縮模量，用K表示；模量的倒數稱為柔量，用J表示。

2、切變彈性模量

切變彈性模量G，材料的基本物理特性參數之一，與楊氏（壓縮、拉伸）彈性模量E、泊桑比ν 並列為材料的三項基本物理特性參數，在材料力學、彈性力學中有廣泛的應用。

3、比例極限

材料在彈性階段分成線彈性和非線彈性兩個部分，線彈性階段材料的應力與變形完全為直線關系，其應力最高點為比例極限，符號：σP。

4、彈性極限

材料受外力作用，在一定限度內，消除外力，仍能恢復原狀，稱為該材料彈性形變階段。彈性極限即該材料保持彈性形變不產生永久形變時，所能承受的最大的應力，用σe表示，單位為MPa( 或N/mm² )。大多數金屬零件可以通過熱處理來提高其彈性極限。

二、強度性能指標

1、強度極限

物體在外力作用下發生破壞時出現的最大應力，也可稱為破壞強度或破壞應力。一般用標稱應力來表示。根據應力種類的不同，可分為拉伸強度(σt)、壓縮強度(σc)、剪切強度(σs)等。符號為σb，單位為MPa( 或N/mm² )。

2、抗拉強度

試樣在拉伸過程中，材料經過屈服階段後進入強化階段，隨著橫向截面尺寸明顯縮小在拉斷時所承受的最大力 (Fb)，除以試樣原橫截面積 (So) 所得的應力 (σ)，稱為抗拉強度或者強度極限 (σb)，單位為N/mm² (MPa)。它表示金屬材料在拉力作用下抵抗破壞的最大能力。

3、抗彎強度

指的是材料抵抗彎曲不斷裂的能力。彎曲試驗中測定材料的抗彎強度一般指試樣破壞時拉伸側表面的最大正應力。在實驗室中，對材料的抗彎強度進行測試一般採用三點抗彎法和四點抗彎法。其中四點測試要兩個載入力，比較復雜；三點測試最常用。

4、抗壓強度

抗壓強度代號σbc，指外力是壓力時的強度極限。

5、抗剪強度

代號σc，指外力與材料軸線垂直，並對材料呈剪切作用時的強度極限。耐火材料中炮泥的抗剪強度稱為蝕亞值，單位MPa。有專用的炮泥蝕亞值測試儀。

6、抗扭強度

用圓柱形材料試件作抗扭實驗可求得扭矩和扭角的關系，相應最大扭矩的最大剪斷應力叫抗扭強度。扭矩在物理學中就是力矩的大小，等於力和力臂的乘積，國際單位是牛米N·m。

7、屈服極限（或者稱屈服點）

試樣在拉伸時，當應力超過彈性極限，即使應力不再增加，而試樣仍繼續發生明顯的塑性變形，稱此現象為屈服，而產生屈服現象時的最小應力值即為屈服點。

8、屈服強度

金屬材料發生屈服現象時的屈服極限，即抵抗微量塑性變形的應力。對於無明顯屈服的金屬材料，規定以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服極限，稱為條件屈服極限或屈服強度。

9、持久強度

在給定的溫度下和規定時間內，試樣發生斷裂的應力值，用符號σ(T,t) 表示。其中σ表示應力，單位為MPa；T為溫度，單位為℃；t為時間，單位為h。

三、硬度性能指標

1、洛氏硬度

將壓頭（金剛石圓錐，鋼球或者硬質合金球）按兩個步驟（初實驗力和主實驗力）壓入試樣表面，經規定保持時間卸除主實驗力，測量在初實驗力下的殘余痕深度h。

洛氏硬度沒有單位，是一個無綱量的力學性能指標，其最常用的硬度標尺有A、B、C三種，通常記作HRA、HRB、HRC，其表示方法為硬度數據+硬度符號，如50HRC。

2、維氏硬度

將相對面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭以一定的載荷壓入試樣表面，並保持一定的時間後卸除試驗力，所使用的載荷與試樣表面上形成的壓痕的面積之比。

報告維氏硬度值的標准格式為xHVy。例如185HV5中，185是維氏硬度值，5指的是測量所用的負荷值（單位：千克力）。

3、肖氏硬度

根據規定形狀的壓針在標准彈簧壓力作用下，於規定時間內壓入試樣的深度轉換成的硬度值，代號為HS。

四、塑性指標

1、伸長率（延伸率）

指在拉力作用下，密封材料硬化體的伸長量占原來長度的百分率 (%)。彈性恢復率是指：密封材料硬化體產生的變形能否完全恢復的程度 (%)。伸長率越大，且彈性恢復率越大，表明密封材料的變形適應性越好。代號：δ，單位：%。

2、斷面收縮率

材料受拉力斷裂時斷面縮小，斷面縮小的面積與原面積之比值叫斷面收縮率， 老標准JB/T 6396-1992 中用ψ表示，新標准JB/T 6396-2006 中用Z表示，單位為%。

五、韌性指標

1、沖擊韌性

反映金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗能力，一般由沖擊韌性值 (ak) 和沖擊功 (Ak) 表示，其單位分別為J/cm²和J（焦耳）。沖擊韌性或沖擊功試驗（簡稱沖擊試驗），因試驗溫度不同而分為常溫、低溫和高溫沖擊試驗三種；若按試樣缺口形狀又可分為"V"形缺口和"U"形缺口沖擊試驗兩種。

2、沖擊吸收功

指規定形狀和尺寸的試樣，在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功。

3、小能量多次沖擊力

六、疲勞性能指標疲勞極限（或者稱疲勞強度）

疲勞極限是材料學里的一個及重要的物理量，表現一種材料對周期應力的承受能力。在疲勞試驗中，應力交變循環大至無限次，而試樣仍不破損時的最大應力叫疲勞極限。

七、斷裂韌度性能

在彈塑性條件下，當應力場強度因子增大到某一臨界值，裂紋便失穩擴展而導致材料斷裂，這個臨界或失穩擴展的應力場強度因子即斷裂韌度。它反映了材料抵抗裂紋失穩擴展即抵抗脆斷的能力。

③ 岩土物理力學性質指標統計選用的公式

岩石的力學指標主要有抗壓強度、抗剪強度和彈性模量及變形模量等等。關於強度主要關注，岩石受到很多復雜因素影響，影響的規律也較復雜，一般受岩石的類型、完整性、風化程度及含水條件等諸多因素的控制；軟岩一般破碎、風化程度高，浸水狀態時，強度低，反之，則強度都較大。
公式一：抗壓強度計算公式如下：
p＝P/A
式中 p為抗壓強度，以每平方吋多少磅（psi）、每平方公分多少公斤為單位，P為壓力，以磅、公斤為單位，A為剖面面積，以平方公分、平方吋為單位。
公式二：庫倫定律土的抗剪強度公式如下
τ=σtanφ+c
其中φ為內摩擦角，c為土的粘聚力
公式三：彈性模量公式如下
E=2.06e11Pa=206GPa
(e11表示10的11次方)它只與材料的化學成分有關，與溫度有關。與其組織變化無關，與熱處理狀態無關。各種鋼的彈性模量差別很小，金屬合金化對其彈性模量影響也很小。
公式四：變形模量公式如下
Eo=βEsEo/Es
其比值在0～1之間變化，即一般Eo小於Es。但很多情況下Eo/Es 都大於1。其原因為：一方面是土不是真正的彈性體，並具有結構性；另一方面就是土的結構影響；三是兩種試驗的要求不同。

④ 主要的岩土性質指標及地基承載力

一、主要的岩土性質指標

（一）土的物理力學性質指標

1）土的主要物理性質指標有天然含水量、天然重度、相對密度（比重）、孔隙比、液限、塑限、塑性指數、液性指數和滲透系數等。

2）土的力學性質指標有壓縮性（壓縮系數、壓縮模量、變形模量）、抗剪強度（內摩擦角、黏聚力）和無側限抗壓強度等。

（二）岩石的物理力學性質指標

1）岩石的主要物理性質指標有天然密度、相對密度（比重）、孔隙率、吸水率、飽和系數和軟化系數等。

2）岩石的主要力學性質指標有抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度（摩擦系數、黏聚力）及變形特性（靜彈性模量、動彈性模量、泊松比）等。

二、主要的岩土性質指標經驗值及地基承載力

（一）土的主要物理力學性質指標經驗值及地基承載力

1996年，通過對深圳地區大量岩土試樣物理力學性質試驗成果的統計，並將統計結果編入深圳市標准《深圳地區地基處理技術規范》（SJG 04-96）附錄A、B、C中，經多年在工程項目中應用及不斷積累和補充，與《岩土工程試驗監測手冊》和《工程地質手冊》（第四版）中的「有關土的經驗數據」對比，提出「深圳地區第四系黏性土層和全、強風化岩的物理力學性質指標經驗值」（表2-2-53）、「深圳地區第四系黏性土層靜三軸、固結、滲透試驗指標經驗值」（表2-2-54）、「砂土的物理力學性質指標經驗值」（表2-2-55）和「深圳地區第四系砂土及風化岩體滲透系數指標經驗值」（表2-2-56）。

（二）岩石的主要物理力學性質指標經驗值

根據廣東省標准《建築地基基礎設計規范》（DBJ15-31-2003）條文說明中的表4.4.1一1（深圳地區各種岩石飽和單軸抗壓強度新老方法統計對照表），《工程地質手冊》（第四版）岩石的物理力學性指標中的表3-1-41（岩石的物理性質指標）、表3-1-42（幾種岩石力學強度的經驗數值）和表3-1-43（岩石力學性質指標經驗數據）；《岩土工程試驗監測手冊》表4.8-2（混凝土與岩石現場直剪試驗數據與有關資料）、表4.8-3（各類岩石現場直剪試驗數據及有關說明）和表4.8-4（岩石軟弱結構面、軟弱岩石現場直剪試驗數據及有關說明）等，綜合深圳地區的經驗值，編制《深圳地區岩石物理力學性質指標的經驗數據》（表2-2-57）。

表2-2-53 深圳地區第四系黏性土層和全、強風化岩物理力學性質指標經驗值

表2-2-54 深圳地區第四紀黏性土層靜三軸、固結、滲透試驗指標經驗值

表2-2-55 砂層物理力學性質指標經驗值

表2-2-56 深圳地區第四紀砂土及風化岩體滲透系數指標經驗值

表2-2-57 深圳地區岩石物理力學性質指標的經驗數據

⑤ 岩石的物理力學性質與可鑽性

(一)岩石的物理性質

岩石的物理性質是指岩石的基本工程地質性質。主要物理性質指標包括:岩石密度、孔隙性、含水性、透水性、裂隙性、鬆散性、流散性和穩定性等。

1.岩石密度

岩石密度是指岩石單位體積的質量。表達式為:

岩石密度=岩石質量÷岩石體積

岩石密度通常有如下幾種表示方法:

(1)岩石密度

岩石密度是指單位體積岩石固體部分的質量。它取決於組成岩石的礦物密度及其在岩石中的相對含量。

(2)岩石容重

岩石容重是單位體積岩石的重量。

按岩石的含水狀況不同,容重可分為天然容重、干容重和飽和容重。天然容重決定於組成岩石的礦物成分,空隙發育程度及其含水情況。

2.岩石孔隙性

岩石孔隙性系指岩石孔隙性和裂隙性的統稱,常用孔隙率表示。

3.岩石吸水性

是岩石在一定試驗條件下的吸水性能。它取決於岩石空隙數量、大小、開閉程度和分布情況。表示岩石吸水性的指標有吸水率、飽水率和飽水系數。

(二)岩石的力學性質

岩石的力學性質是指岩石在各種靜力、動力作用下所表現的性質。主要力學性質指標包括:岩石的硬度、強度、研磨性、可鑽性等。

1.岩石硬度

岩石硬度是指岩石表面抵抗其他剛性物體壓入的能力。岩石的硬度一般可分為十個等級;習慣上通常把如下岩石,即:滑(石)、石(膏)、方(解石)、螢(石)、磷(灰石)、長(正長石)、石(英)、黃(玉)、剛(玉)、金(剛石)作為這十個等級的代表性岩石。表1-5分別列出了上述十個等級代表性岩石的標准礦物的摩氏硬度及顯微硬度。

表1-5 不同岩石硬度等級代表性岩石的標准礦物摩氏硬度及顯微硬度

2.岩石強度

岩石強度是指岩石在各種外力(如拉、壓、彎曲、剪切)作用下,岩石整體抵抗破碎的能力。

3.岩石研磨性

岩石研磨性是指岩石磨損切削工具的能力。一般可分為強、中、弱研磨性三個種類。

(三)岩石的可鑽性

1.岩石可鑽性的含義

岩石可鑽性是指在現有技術條件下,反映鑽進中岩石抵抗破碎的一種綜合能力表現。

2.岩石可鑽性等級劃分

按壓入硬度、擺球硬度、機械鑽速等測定方法進行綜合劃分,岩石的可鑽性分為12個等級,其中:Ⅰ級最低,可鑽性難度最小;Ⅻ級最高,可鑽性難度最大。岩石可鑽性分類如表1-6所示。