物理力学性质指标如何取值

① 岩土物理力学性质指标的统计与选择

为使试验资料可靠和适用，应进行正确的数据分析和整理。勘察资料的整理是在搜集原始资料基础上，收集现有的岩土工程勘察资料，进行初勘、详勘等有关勘察资料的整理，结合岩土工程测绘、勘探、测试、检验与监测所得各项原始资料和数据的基础上，进行岩土物理力学性质指标的统计与选择。整理时对试验资料中明显不合理的数据，应通过研究分析其原因(试样是否具有代表性、试验过程中是否出现异常情况等)，或在有条件时，进行一定的补充试验后，再决定对可疑数据的取舍或改正。

岩土物理力学性质指标可分为两类：一类是评价指标，用以评价岩土的性状，作为划分地层鉴定类别的土主要依照；另一类是计算指标，用以设计岩土工程预测岩土体在荷载和自然因素作用下的力学行为和变化趋势，并指示施工和监测。

工程上对这两类岩土参数的基本要求是可靠性和适用性。可靠性是指参数能否正确反映岩土体在规定条件下的性状，能比较有把握地估计参数值所在的区间。适用性是指参数能否满足工程设计计算的假定条件和计算精度要求。岩土工程勘察报告应对主要参数的可靠性和适用性进行分析，并在分析的基础上选定参数。

岩土参数的可靠性和适用性，在很大程度上取决于土体本身的结构性和取样时受到扰动的程度及试验标准。土体本身的结构性是影响参数取值的内因，结构性越强的土体受到扰动的可能性越大；而影响到参数取值的外因是取样器和取样方法、试验方法和取值标准。通常是通过控制外因来提高岩土参数的可靠性和适用性。

通过提高取样器质量和采用最佳的取样方法，来尽可能地减少对岩土体样品的扰动，减少数据的离散性。对同一土层的同一指标。采用不同的试验方法和标准时常会发现，所获数据差异很大。例如，不同的直剪试验方法(快剪、固结快剪、慢剪)其抗剪强度参数有较大的区别：若土体是含水率较高的粘性土体，则参数的差异值更大。因此，要根据不同的工程要求等情况，来确定试验方法与标准。目前我国基本上对不同的试验项目规定了相关的试验方法和标准，这个标准就是中华人民共和国国家标准：《土工试验方法标准》(GB—T50123-1999)。考虑到岩土参数是随机变量，变异性较大，该规范还规定了试验参数的统计方法。因此，岩土工程师在进行岩土工程设计计算时，不仅要掌握岩土参数的数据、而且要了解取样和试验问题，针对岩土体的非均质性和各向异性以及参数测定方法、条件与工程原型之间的差异等种种原因，对岩土参数的可靠性和适用性进行评价。

土工试验测得的土性指标，可按其在工程设计中的实际作用，分为：一般特性指标和主要计算指标。前者如土的天然密度、天然含水率、土粒比重、颗粒组成、液限、塑限、有机质、水溶盐等，系指作为对土分类定名和阐明其物理化学特性的土性质指标；后者如土的粘聚力、内摩擦角、压缩系数、变形模量、渗透系数等，系指在设计计算中直接用以确定土体的强度、变形和稳定性等力学性质的土性质指标。

对一般特性指标的成果整理，通常可采用多次测定值x_i的算术平均值，并计算出相应的标准差σ和变异系数δ，以反映实际测定值对算术平均值的变化程度，从而判别其采用算术平均值时的可靠性。

算术平均值

的计算公式为：

土体原位测试与工程勘察

式中：

x_i为指标测定值的总和；n为指标测定的总次数。

标准差σ按下式计算：

土体原位测试与工程勘察

标准差虽然是衡量参数离散程度的尺子，但由于它是有量纲的，不能用来比较不同参数的离散性，即无法进行相互比较。为此引入了变异系数的概念来评价岩土参数的变异特征。变异系数是无量纲的，使用上比较方便，故在国际上是通用的指标。

变异系数δ按下式计算，并按表8-1来评价变异性。

土体原位测试与工程勘察

表8-1 参数变异系数

按变异系数的大小，可划分变异性的不同等级(变异类型)，它有助于岩土工程师定量地判别评价岩土参数的变异特性，以便提出不同的设计参数值。

对于主要计算指标的成果整理，如果测定的组数较多，此时指标的最佳值常接近于诸测值的算术平均值，故可按一般特性指标的方法确定其设计计算值，即采用算术平均值。但通常由于试验的数据较少，考虑到测定误差、土体本身的不均匀性和施工质量的影响等，为安全考虑，对初步设计和次要建筑物宜采用标准差平均值，即对算术平均值加(或减)一个标准差的绝对值，即：

±｜σ｜。

对不同应力条件下测得的某种指标(如抗剪强度等)，应经过综合整理后求取。在某些情况下，尚需求出不同土体单元综合使用时的计算指标。这种综合性的土性指标，一般采用图解法或最小二乘法分析确定。

(1)图解法：将不同应力条件下测得的指标值(如抗剪强度)求得算术平均值，然后以不同应力为横坐标，指标平均值为纵坐标作图，并求得关系曲线，确定其参数(如土的粘聚力c和角摩擦系数tgφ)。

(2)最小二乘法：根据各测定值同关系曲线的偏差的平方和为最小的距离原理，求取参数值。

(3)当设计计算几个土体单元土性参数的综合值时，可按土体单元在设计计算中的实际影响，采用加权平均值，即：

土体原位测试与工程勘察

式中：x_i为不同土体单元的计算指标；w_i为不同土体单元的对应权。

② 力学性能主要包括哪些指标

包括：弹性指标、硬度指标、强度指标、塑性指标、韧性指标、疲劳性能、断裂韧度。

一、弹性指标

1、正弹性模量

定义为理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。E以单位面积上承受的力表示，单位为达因每平方厘米。模量的性质依赖于形变的性质。剪切形变时的模量称为剪切模量，用G表示；压缩形变时的模量称为压缩模量，用K表示；模量的倒数称为柔量，用J表示。

2、切变弹性模量

切变弹性模量G，材料的基本物理特性参数之一，与杨氏（压缩、拉伸）弹性模量E、泊桑比ν 并列为材料的三项基本物理特性参数，在材料力学、弹性力学中有广泛的应用。

3、比例极限

材料在弹性阶段分成线弹性和非线弹性两个部分，线弹性阶段材料的应力与变形完全为直线关系，其应力最高点为比例极限，符号：σP。

4、弹性极限

材料受外力作用，在一定限度内，消除外力，仍能恢复原状，称为该材料弹性形变阶段。弹性极限即该材料保持弹性形变不产生永久形变时，所能承受的最大的应力，用σe表示，单位为MPa( 或N/mm² )。大多数金属零件可以通过热处理来提高其弹性极限。

二、强度性能指标

1、强度极限

物体在外力作用下发生破坏时出现的最大应力，也可称为破坏强度或破坏应力。一般用标称应力来表示。根据应力种类的不同，可分为拉伸强度(σt)、压缩强度(σc)、剪切强度(σs)等。符号为σb，单位为MPa( 或N/mm² )。

2、抗拉强度

试样在拉伸过程中，材料经过屈服阶段后进入强化阶段，随着横向截面尺寸明显缩小在拉断时所承受的最大力 (Fb)，除以试样原横截面积 (So) 所得的应力 (σ)，称为抗拉强度或者强度极限 (σb)，单位为N/mm² (MPa)。它表示金属材料在拉力作用下抵抗破坏的最大能力。

3、抗弯强度

指的是材料抵抗弯曲不断裂的能力。弯曲试验中测定材料的抗弯强度一般指试样破坏时拉伸侧表面的最大正应力。在实验室中，对材料的抗弯强度进行测试一般采用三点抗弯法和四点抗弯法。其中四点测试要两个加载力，比较复杂；三点测试最常用。

4、抗压强度

抗压强度代号σbc，指外力是压力时的强度极限。

5、抗剪强度

代号σc，指外力与材料轴线垂直，并对材料呈剪切作用时的强度极限。耐火材料中炮泥的抗剪强度称为蚀亚值，单位MPa。有专用的炮泥蚀亚值测试仪。

6、抗扭强度

用圆柱形材料试件作抗扭实验可求得扭矩和扭角的关系，相应最大扭矩的最大剪断应力叫抗扭强度。扭矩在物理学中就是力矩的大小，等于力和力臂的乘积，国际单位是牛米N·m。

7、屈服极限（或者称屈服点）

试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。

8、屈服强度

金属材料发生屈服现象时的屈服极限，即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。

9、持久强度

在给定的温度下和规定时间内，试样发生断裂的应力值，用符号σ(T,t) 表示。其中σ表示应力，单位为MPa；T为温度，单位为℃；t为时间，单位为h。

三、硬度性能指标

1、洛氏硬度

将压头（金刚石圆锥，钢球或者硬质合金球）按两个步骤（初实验力和主实验力）压入试样表面，经规定保持时间卸除主实验力，测量在初实验力下的残余痕深度h。

洛氏硬度没有单位，是一个无纲量的力学性能指标，其最常用的硬度标尺有A、B、C三种，通常记作HRA、HRB、HRC，其表示方法为硬度数据+硬度符号，如50HRC。

2、维氏硬度

将相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头以一定的载荷压入试样表面，并保持一定的时间后卸除试验力，所使用的载荷与试样表面上形成的压痕的面积之比。

报告维氏硬度值的标准格式为xHVy。例如185HV5中，185是维氏硬度值，5指的是测量所用的负荷值（单位：千克力）。

3、肖氏硬度

根据规定形状的压针在标准弹簧压力作用下，于规定时间内压入试样的深度转换成的硬度值，代号为HS。

四、塑性指标

1、伸长率（延伸率）

指在拉力作用下，密封材料硬化体的伸长量占原来长度的百分率 (%)。弹性恢复率是指：密封材料硬化体产生的变形能否完全恢复的程度 (%)。伸长率越大，且弹性恢复率越大，表明密封材料的变形适应性越好。代号：δ，单位：%。

2、断面收缩率

材料受拉力断裂时断面缩小，断面缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率， 老标准JB/T 6396-1992 中用ψ表示，新标准JB/T 6396-2006 中用Z表示，单位为%。

五、韧性指标

1、冲击韧性

反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值 (ak) 和冲击功 (Ak) 表示，其单位分别为J/cm²和J（焦耳）。冲击韧性或冲击功试验（简称冲击试验），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为"V"形缺口和"U"形缺口冲击试验两种。

2、冲击吸收功

指规定形状和尺寸的试样，在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。

3、小能量多次冲击力

六、疲劳性能指标疲劳极限（或者称疲劳强度）

疲劳极限是材料学里的一个及重要的物理量，表现一种材料对周期应力的承受能力。在疲劳试验中，应力交变循环大至无限次，而试样仍不破损时的最大应力叫疲劳极限。

七、断裂韧度性能

在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力。

③ 岩土物理力学性质指标统计选用的公式

岩石的力学指标主要有抗压强度、抗剪强度和弹性模量及变形模量等等。关于强度主要关注，岩石受到很多复杂因素影响，影响的规律也较复杂，一般受岩石的类型、完整性、风化程度及含水条件等诸多因素的控制；软岩一般破碎、风化程度高，浸水状态时，强度低，反之，则强度都较大。
公式一：抗压强度计算公式如下：
p＝P/A
式中 p为抗压强度，以每平方吋多少磅（psi）、每平方公分多少公斤为单位，P为压力，以磅、公斤为单位，A为剖面面积，以平方公分、平方吋为单位。
公式二：库伦定律土的抗剪强度公式如下
τ=σtanφ+c
其中φ为内摩擦角，c为土的粘聚力
公式三：弹性模量公式如下
E=2.06e11Pa=206GPa
(e11表示10的11次方)它只与材料的化学成分有关，与温度有关。与其组织变化无关，与热处理状态无关。各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小。
公式四：变形模量公式如下
Eo=βEsEo/Es
其比值在0～1之间变化，即一般Eo小于Es。但很多情况下Eo/Es 都大于1。其原因为：一方面是土不是真正的弹性体，并具有结构性；另一方面就是土的结构影响；三是两种试验的要求不同。

④ 主要的岩土性质指标及地基承载力

一、主要的岩土性质指标

（一）土的物理力学性质指标

1）土的主要物理性质指标有天然含水量、天然重度、相对密度（比重）、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、液性指数和渗透系数等。

2）土的力学性质指标有压缩性（压缩系数、压缩模量、变形模量）、抗剪强度（内摩擦角、黏聚力）和无侧限抗压强度等。

（二）岩石的物理力学性质指标

1）岩石的主要物理性质指标有天然密度、相对密度（比重）、孔隙率、吸水率、饱和系数和软化系数等。

2）岩石的主要力学性质指标有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度（摩擦系数、黏聚力）及变形特性（静弹性模量、动弹性模量、泊松比）等。

二、主要的岩土性质指标经验值及地基承载力

（一）土的主要物理力学性质指标经验值及地基承载力

1996年，通过对深圳地区大量岩土试样物理力学性质试验成果的统计，并将统计结果编入深圳市标准《深圳地区地基处理技术规范》（SJG 04-96）附录A、B、C中，经多年在工程项目中应用及不断积累和补充，与《岩土工程试验监测手册》和《工程地质手册》（第四版）中的“有关土的经验数据”对比，提出“深圳地区第四系黏性土层和全、强风化岩的物理力学性质指标经验值”（表2-2-53）、“深圳地区第四系黏性土层静三轴、固结、渗透试验指标经验值”（表2-2-54）、“砂土的物理力学性质指标经验值”（表2-2-55）和“深圳地区第四系砂土及风化岩体渗透系数指标经验值”（表2-2-56）。

（二）岩石的主要物理力学性质指标经验值

根据广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）条文说明中的表4.4.1一1（深圳地区各种岩石饱和单轴抗压强度新老方法统计对照表），《工程地质手册》（第四版）岩石的物理力学性指标中的表3-1-41（岩石的物理性质指标）、表3-1-42（几种岩石力学强度的经验数值）和表3-1-43（岩石力学性质指标经验数据）；《岩土工程试验监测手册》表4.8-2（混凝土与岩石现场直剪试验数据与有关资料）、表4.8-3（各类岩石现场直剪试验数据及有关说明）和表4.8-4（岩石软弱结构面、软弱岩石现场直剪试验数据及有关说明）等，综合深圳地区的经验值，编制《深圳地区岩石物理力学性质指标的经验数据》（表2-2-57）。

表2-2-53 深圳地区第四系黏性土层和全、强风化岩物理力学性质指标经验值

表2-2-54 深圳地区第四纪黏性土层静三轴、固结、渗透试验指标经验值

表2-2-55 砂层物理力学性质指标经验值

表2-2-56 深圳地区第四纪砂土及风化岩体渗透系数指标经验值

表2-2-57 深圳地区岩石物理力学性质指标的经验数据

⑤ 岩石的物理力学性质与可钻性

(一)岩石的物理性质

岩石的物理性质是指岩石的基本工程地质性质。主要物理性质指标包括:岩石密度、孔隙性、含水性、透水性、裂隙性、松散性、流散性和稳定性等。

1.岩石密度

岩石密度是指岩石单位体积的质量。表达式为:

岩石密度=岩石质量÷岩石体积

岩石密度通常有如下几种表示方法:

(1)岩石密度

岩石密度是指单位体积岩石固体部分的质量。它取决于组成岩石的矿物密度及其在岩石中的相对含量。

(2)岩石容重

岩石容重是单位体积岩石的重量。

按岩石的含水状况不同,容重可分为天然容重、干容重和饱和容重。天然容重决定于组成岩石的矿物成分,空隙发育程度及其含水情况。

2.岩石孔隙性

岩石孔隙性系指岩石孔隙性和裂隙性的统称,常用孔隙率表示。

3.岩石吸水性

是岩石在一定试验条件下的吸水性能。它取决于岩石空隙数量、大小、开闭程度和分布情况。表示岩石吸水性的指标有吸水率、饱水率和饱水系数。

(二)岩石的力学性质

岩石的力学性质是指岩石在各种静力、动力作用下所表现的性质。主要力学性质指标包括:岩石的硬度、强度、研磨性、可钻性等。

1.岩石硬度

岩石硬度是指岩石表面抵抗其他刚性物体压入的能力。岩石的硬度一般可分为十个等级;习惯上通常把如下岩石,即:滑(石)、石(膏)、方(解石)、萤(石)、磷(灰石)、长(正长石)、石(英)、黄(玉)、刚(玉)、金(刚石)作为这十个等级的代表性岩石。表1-5分别列出了上述十个等级代表性岩石的标准矿物的摩氏硬度及显微硬度。

表1-5 不同岩石硬度等级代表性岩石的标准矿物摩氏硬度及显微硬度

2.岩石强度

岩石强度是指岩石在各种外力(如拉、压、弯曲、剪切)作用下,岩石整体抵抗破碎的能力。

3.岩石研磨性

岩石研磨性是指岩石磨损切削工具的能力。一般可分为强、中、弱研磨性三个种类。

(三)岩石的可钻性

1.岩石可钻性的含义

岩石可钻性是指在现有技术条件下,反映钻进中岩石抵抗破碎的一种综合能力表现。

2.岩石可钻性等级划分

按压入硬度、摆球硬度、机械钻速等测定方法进行综合划分,岩石的可钻性分为12个等级,其中:Ⅰ级最低,可钻性难度最小;Ⅻ级最高,可钻性难度最大。岩石可钻性分类如表1-6所示。