岩石单轴抗压强度试验研究

(陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西 咸阳 712000)

1 研究岩石单轴抗压强度的目的与意义

单轴抗压强度是试件在无侧限条件下受轴向应力作用破坏时，单位面积上所能承受的最大荷载应力值，即试件破坏时的最大荷载值与垂直于加载方向的横截面积之比，用R表示。

单轴抗压强度的试验和计算看似简单，但实际上并非如此。岩石虽然脱离了母岩，但仍然具有非均质性，这些非均质性，如加载方向与层理、片理之间的关系，微裂隙的发育程度以及风化程度等，对评价岩石的质量是极其重要的。

2 试验原理

岩石单轴抗压强度，是通过连续加载直接压坏标准试件的方式获得试验结果，可与单轴压缩变形试验(弹性模量试验)一起进行。

3 试验步骤与过程

3.1 标准试件尺寸与设备

3.1.1 标准试件尺寸

试验时所有的试件加工成标准试件规格，标准试件为圆柱形，可用钻孔岩心或者坑探槽中采取岩块加工制成。试件在采取、运输和制备过程中应避免扰动。试件直径宜为48～54 mm，高度与直径之比为2.0～2.5。试验中常采用Φ50×100 mm，一组三块。试件高度、直径的允许偏差±0.3 mm；试件的两端面不平整度允许偏差±0.05 mm；端面应垂直于试件轴线，允许偏差±0.25°。

3.1.2 设备

(1)岩石钻石机；(2)岩石锯石机；(3)岩石磨石机。

3.2 试件记录与标注

(1)记号笔：标注每块试件的编号；(2)游标卡尺：用于测量试件的直径和高度；(3)记录表格：记录试件尺寸，对试件进行描述，包括：岩石名称、颜色、矿物成分、风化程度以及层理、裂隙、胶结物的性质等。

3.3 试件处理

3.3.1 干燥状态

干燥箱、干燥器。在105°～110°恒温下烘干24 h，在干燥器冷却至室温，称取试件重量，精确至0.01 g。

3.3.2 饱和状态

真空抽气机。自由吸水后强制饱和，抽气时间不应少于4 h，静置4 h，称量重量。

3.4 试验设备

压力试验机TYE-1000B型，以每秒0.5～1.0 MPa速率加载直至破坏。

3.5 结果整理

3.5.1 单轴抗压强度公式

R=P/A

式中：R为岩石抗压强度 MPa；P为最大破坏荷载 N；A为试件截面面积 mm2。

3.5.2 试件破坏形态的描述

(1)圆锥型破坏(见图1、图2和图3)：该类岩石破坏形状近似对顶圆锥，破坏时岩块剥落向四周迅速散去。此类岩石较为坚硬，无明显裂隙发育，多表现为脆性破坏，伴随较大的声音形成破坏。试验过程中应力分布如图3所示，顶部与承压板形成较大的摩擦力，对顶部和底部形成“箍”的约束力，应力向四周拉伸，使得四周岩块剥落，形成圆锥形破坏。

图1 试验仪器图2 圆锥型破坏

(2)无规则裂纹型试验仪器：该类岩石在法向应力作用下，由于裂隙、层理、片理的存在以及本身存在的矿物成分原因形成破坏，破坏形态无规则，一般声音较小，破坏面颗粒松散或附着有胶结物，抗压强度值小于圆锥型破坏的岩石(见图4)。

4 试验的控制

岩石单轴抗压强度试验过程看似简单，影响试验结果的因素却很多，主要分为内在因素和外在因素。对于内在因素，检测人员需正确的描述记录岩石自体结构以及破坏形式，以提供可靠的数据。对于外在因素，就要严格控制实验过程，避免一切影响数据结果的不利因素。

图3圆锥形破坏应力图 图4 无规则裂纹型破坏

4.1 内在因素

主要是指岩石自身性质因素，例如：矿物成分、颗粒大小、孔隙率等。

4.1.1 物理性质

岩石中含有各种各样的矿物成分，矿物成分的多少直接影响抗压强度值的大小。一般来说，硬度较大的矿物成分(如石英、长石、角闪石、辉石等)，其含量越高，抗压强度值就越高。反之越低，如岩石中含有片状的云母、滑石、高岭石、蒙脱石、绿泥石等。

岩石的风化程度越大，其空隙和变形破坏强度越大，岩石的强度越低。弱风化强度高，全风化强度低。

岩性相同的岩石含水率的不同强度随之受到影响，一般含水率越高，强度的影响也就越大。对于亲水性较强以及结构松散的岩石，水破坏了其物理状态，削弱了颗粒之间的粘结力，起到了润滑的作用，饱和状态下的强度值明显降低，如砂岩和泥岩。

4.1.2 结构性质

同种岩性的岩石，空隙率越小，密度越大，强度越高。岩石中存在大大小小的微结构裂隙，导致岩石的强度各向异性，通常受力方向垂直层理比平行层理强度高。裂隙发育越多贯穿长度越长，强度值越低。

颗粒越细的岩石，抗压强度值也就越高，是因为在等粒条件下，细粒比粗粒连接力大，强度也就较高。岩石的强度也受胶结物的影响，硅质胶结强度最高，依次铁质、钙质，泥质胶结最差。

总之，物理因素是岩石本身的性质，它们相互作用对岩石抗压强度造成很大的影响，在试验过程中应仔细观察记录其表征特点(如颜色、裂隙发育)，详细的描述破坏形式以及破坏面特征，为岩石的抗压强度值提供有力的佐证。

4.2 外在因素

4.2.1 试件尺寸

因圆柱体制备简单，费时少，原材料耗费较小，经济合理。以及圆形试件具有轴对称性，应力分布均匀，目前国际岩石力学学会推荐采用圆柱体试件。岩石抗压强度随试件的高度增加而降低，这是因为尺寸越大应力分布越不稳定，弹性状态也不同。因为尺寸效应的存在，我们国家一般规定试件高度与直径之比宜为2.0～2.5，通常制备成标准试样Φ50×100 mm。为便于对单轴抗压强度的试验成果统计分析，应将任意高径比的抗压强度值换算成高径比为2:1的标准抗压强度值Re。

4.2.2 人为因素

岩石抗压强度是随着加荷速率增快，强度增高。加荷速率大于岩石的变形速率时，岩石的变形未达到稳定就继续加荷，岩石的塑形变形来不及发生或发展，最后得出的抗压强度值就略高。加荷速率应控制在某一限度以内，我国规定加荷速率以每秒0.5～1.0 MPa的速率加载直至破坏，在试验中可根据岩石软硬程度来选用，对于极软岩石加载速率宜适当降低。

试件的制备，需引进精密的仪器，严格按照规范要求制备标准试件。提高检测人员的素质，及时发现不符合规定的试件，能准确的调平仪器上下接触荷载范围，使刚性垫块与试验机上下承压板均匀接触，受力对中，试验过程中严格控制加载速率，对于高径比非2:1的试件按照公式换算成标准试件进行成果整理。严格按照规范进行操作，以保证抗压强度数据的正确性。

5 结果控制

如表1，当试验成果出来后，应根据原始记录(试验前的颜色、裂隙是否发育，试验后的破坏形态，裂隙充填、结构性质等)对照数据是否正确。从内在因素和外在因素仔细核查(4试验控制)，若为内在因素造成同组试验数据差异过大，应从其物理性质和结构性质两方面加以描述，附报告一起发布。若为外在因素造成数据差异过大，应重新试验。

表1 试验成果表

6 结语

岩石单轴抗压强度在工程上应用极为重要和广泛，因此对于试验的控制极其重要。作为岩石力学指标中一个重要的参数，通过对岩石单轴抗压强度因素的了解，控制不利因素，力求结果的准确，为设计，勘察报告的准确性和合理性提供可靠的依据。