浅析岩石单轴压缩变形试验的影响因素

刘华平

摘 要：在实际工作中，由于对岩石力学性质评论是公路、铁路等工程地质勘察不可或缺的要素，因此采取岩石单轴压缩试验这种最通用的试验方法，研究岩石变形，成为岩石力学问题的重要内容之一，这也对实际工程施工原料选择起到一定的参考作用。这个问题的研究由于操作起來比较方便，理论基础比较明显，所以被广泛应用于工程实践和各种科研工作中。作者试图按照这个理论的思路，简单分析岩石单轴压缩变形试验的影响因素，进而为相关科研和实际工程施工提供一些有参考价值的东西。

关键词：岩石；单轴压缩变形；影响

引言

岩石单轴压缩变形试验是检验岩石抗压承载力的一种试验，属于物理试验的范畴。文章中提出的试验模型主要是用花岗岩、泥岩两种规则形状的岩石作为试样，用单轴荷载来进行压力作用，来测定其纵向和横向的变形量，进而形成相应的应力—应变曲线，得出弹性模量及泊松比。作者以花岗岩和泥岩两种岩石为试验样本，采取弹性模量试验对两种岩石的受力变形等情况进行对比和分析，来具体总结影响岩石压缩变形试验的主要因素有哪些。

1 弹性模量的概念及其取值方法

1.1 弹性模量的概念

弹性理论是以应力、应变的线性关系为基础的一种理论，其中应力与应变之比就是弹性模量，从力学角度来看它表示岩石材料的坚硬程度，更具体地来说是指岩石材料在压缩或拉伸时，材料对弹性变形的抵抗能力，这是在本类试验中应用的重要基础理论和概念。

1.2 岩石弹性模量的取值方法

根据国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会的《岩石力学试验建议方法》，岩石弹性模量的取值方法主要是割线弹性模量及泊松比的取值方法，以抗压强度50%时的变形量为基础，在纵向应力—应变曲线上的原点与应力相应于极限抗压强度50%处的应力点的连线，其斜率为割线模量，横向应变与纵向应变的比值就是泊松比。一般来说，在实际工作中，大多数岩石这个应力水平下仍处于弹性范围内，很少出现细微裂缝扩展乃至断裂破碎等现象。

2 影响岩石弹性模量的主要因素

2.1 构成岩石的矿物及岩石物理性质的影响

岩石是矿物的物理形态之一，是由一种或几种造岩矿物按一定方式结合的天然集合体。岩石弹性模量的大小，主要受到矿物的硬度分布形式、结晶方式以及孔隙大小和分布方向等多种因素的影响。举例说明它在这方面的特性，即岩石的质地越坚硬，矿物分布越均匀，孔隙越小，其岩石的抗压强度就越大，其弹性模量就越小，泊松比就愈小。文章主要以花岗岩及泥岩两种不同岩性的岩石为例，作为本次试验的试样，来分析这两种不同岩性的岩石对弹性模量试验的各种影响关系。

2.1.1 花岗岩的岩性在弹性模量试验中的作用

本试验的样品采用广州市轨道交通四号线折返线详勘工程中的一块花岗岩，试验人员将其制成天然状态下的三块标准试件进行弹性模量试验，试验品的样编号为MDZ3-HHD2-7Y，其取样深度为地下20.6～21.50m。通过实验可以得出，由于花岗岩这类岩石虽然岩质较为致密，含晶质粒状结构，孔隙率也较小，块状构造，花岗岩的变形模量越大，其泊松比越小。但是试验样品的构成质地存在一些不确定因素，具体地说就是含有一些影响试验结果的成分，组成花岗岩的岩石矿物不仅含有一定量的黑色云母，而且由于集合嵌布在微结晶中，具有这些排列方向不规则的片状晶体以及部分非结晶的二氧化硅。加之有些长石又具有一定的节理面，花岗岩的抗压荷载能力直接受到这些岩石矿物的特性及岩性的影响，使试样结构面产生压密的作用，发生了不可复原的塑性变形，从而影响弹性模量试验的取值。

2.1.2 泥岩的岩性在弹性模量试验中的作用

本试验以一块粉沙质泥岩作为采用的样品，试验人员将其制成天然状态下的三块标准试件。通过试验证明，由于泥岩和花岗岩两类不同岩性的岩石矿物成分、层理结构与构造以及相关的物理性质各有不同，泥岩的主要成分是粘土矿物，质地细密而土质松软，孔隙较大，层理节理面较多，这些因素直接影响其抗压破坏荷载值的大小，可以看出泥岩弹性模量的数值明显低于花岗岩，泥岩抗压强度值明显低于花岗岩的抗压强度值，花岗岩的弹性模量值明显大于泥岩的弹性模量值，而花岗岩的泊松比值应小于泥岩的泊松比值。

2.2 电阻应变片粘贴的影响

2.2.1 对于砾石类的较坚硬的岩石，岩石矿物的结构为砾粒或较硬的晶体及斑晶，有些裂隙不仅在试样的表面同时也在人们肉眼不能察觉的岩石内部，如果试验时电阻应变片正好粘贴在内部裂隙的表面，在变形试验过程中，这些内部裂隙及外部砾粒等使样品的容易形成剪切破坏，其抗压强度值会明显偏低，直接影响弹性模量的取值和测试数据的准确性，使测试结果有所偏差。因此，在一般的实验室弹模试验中，砾岩类较坚硬的岩石不采用电阻应变仪方法进行变行试验，而是采用千分表法。

2.2.2 对于泥质岩，泥灰岩等泥质岩石，其在天然状态下较为湿潮，样品表面含有较多水分，质地较为松散，孔隙较大，这种情况下电阻应变片的粘贴较为不易，容易造成电阻应变片粘贴不牢而脱落，直接影响实验数据的准确性。因此，这类岩石样品试验前应进行防潮处理，再进行电阻应变片的粘贴。

2.3 试样不同状态的影响

同一组岩石，其在天然含水状态，饱和状态风干状态下的抗压强度值都有所不同，一般情况下，岩石的风干状态的抗压强度值>饱和状态抗压强度值>天然含水状态抗压强度值。在压缩变形试验中，其割线模量又是按照抗压强度值的50%的变形量作为基础来确定的，因此岩石在不同的试验状态下对压缩变形的结果也会产生一定的影响。

3 结论

不同岩石矿物及物理性质的岩石在弹性模量试验中数据有明显差异，其弹性模量与泊松比相互影响。花岗岩的抗压强度值越大，其变形模量越大，其泊松反而越小；泥岩抗压强度值明显低于花岗岩的抗压强度值，花岗岩的弹性模量值一般情况下明显大于泥岩的弹性模量值，弹性模量值越大，其泊松比值反而越来越小，花岗岩的泊松比值应小于泥岩的泊松比值。

对于砾岩类较坚硬的岩石不建议采用电阻应变仪方法进行弹模试验，而应采用千分表法。对于泥质岩，泥灰岩等泥质岩石试验前应进行防潮处理，再进行电阻应变片的粘贴，确保数据的准确性。

试样的不同状态（天然、饱和、风干）也会对压缩变形的结果产生影响。

4 结束语

岩石单轴压缩变形试验是一个实用意义非常强的试验，同时也容易受到试样等一些因素的影响。通过采用花岗岩、泥岩两种试样来进行这个试验，需要一系列科学的理论依据和方法，试验结论可以反映两种岩石的物理特性，同时通过两种岩石的物理特性也可以分析影响这个试验的一些重要因素是什么。此外，通过试验，我们可以了解到不同状态的同一种岩石作为试样，也会对试验结果产生影响。如何在合理的条件下进行这种试验，使之与实际施工条件相吻合，将对交通道路灯工程的施工产生一定的积极作用。

参考文献

[1]工程地质试验手册[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[2]DY-94岩石物理力学性质试验规程[S].

[3]GB/T50266-99工程岩体试验方法标准[S].