巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗研究

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，陜西 咸陽 712000)

1 研究巖石單軸抗壓強(qiáng)度的目的與意義

單軸抗壓強(qiáng)度是試件在無側(cè)限條件下受軸向應(yīng)力作用破壞時，單位面積上所能承受的最大荷載應(yīng)力值，即試件破壞時的最大荷載值與垂直于加載方向的橫截面積之比，用R表示。

單軸抗壓強(qiáng)度的試驗和計算看似簡單，但實(shí)際上并非如此。巖石雖然脫離了母巖，但仍然具有非均質(zhì)性，這些非均質(zhì)性，如加載方向與層理、片理之間的關(guān)系，微裂隙的發(fā)育程度以及風(fēng)化程度等，對評價巖石的質(zhì)量是極其重要的。

2 試驗原理

巖石單軸抗壓強(qiáng)度，是通過連續(xù)加載直接壓壞標(biāo)準(zhǔn)試件的方式獲得試驗結(jié)果，可與單軸壓縮變形試驗(彈性模量試驗)一起進(jìn)行。

3 試驗步驟與過程

3.1 標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸與設(shè)備

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸

試驗時所有的試件加工成標(biāo)準(zhǔn)試件規(guī)格，標(biāo)準(zhǔn)試件為圓柱形，可用鉆孔巖心或者坑探槽中采取巖塊加工制成。試件在采取、運(yùn)輸和制備過程中應(yīng)避免擾動。試件直徑宜為48～54 mm，高度與直徑之比為2.0～2.5。試驗中常采用Φ50×100 mm，一組三塊。試件高度、直徑的允許偏差±0.3 mm；試件的兩端面不平整度允許偏差±0.05 mm；端面應(yīng)垂直于試件軸線，允許偏差±0.25°。

3.1.2 設(shè)備

(1)巖石鉆石機(jī)；(2)巖石鋸石機(jī)；(3)巖石磨石機(jī)。

3.2 試件記錄與標(biāo)注

(1)記號筆：標(biāo)注每塊試件的編號；(2)游標(biāo)卡尺：用于測量試件的直徑和高度；(3)記錄表格：記錄試件尺寸，對試件進(jìn)行描述，包括：巖石名稱、顏色、礦物成分、風(fēng)化程度以及層理、裂隙、膠結(jié)物的性質(zhì)等。

3.3 試件處理

3.3.1 干燥狀態(tài)

干燥箱、干燥器。在105°～110°恒溫下烘干24 h，在干燥器冷卻至室溫，稱取試件重量，精確至0.01 g。

3.3.2 飽和狀態(tài)

真空抽氣機(jī)。自由吸水后強(qiáng)制飽和，抽氣時間不應(yīng)少于4 h，靜置4 h，稱量重量。

3.4 試驗設(shè)備

壓力試驗機(jī)TYE-1000B型，以每秒0.5～1.0 MPa速率加載直至破壞。

3.5 結(jié)果整理

3.5.1 單軸抗壓強(qiáng)度公式

R=P/A

式中：R為巖石抗壓強(qiáng)度 MPa；P為最大破壞荷載 N；A為試件截面面積 mm2。

3.5.2 試件破壞形態(tài)的描述

(1)圓錐型破壞(見圖1、圖2和圖3)：該類巖石破壞形狀近似對頂圓錐，破壞時巖塊剝落向四周迅速散去。此類巖石較為堅硬，無明顯裂隙發(fā)育，多表現(xiàn)為脆性破壞，伴隨較大的聲音形成破壞。試驗過程中應(yīng)力分布如圖3所示，頂部與承壓板形成較大的摩擦力，對頂部和底部形成“箍”的約束力，應(yīng)力向四周拉伸，使得四周巖塊剝落，形成圓錐形破壞。

圖1 試驗儀器圖2 圓錐型破壞

(2)無規(guī)則裂紋型試驗儀器：該類巖石在法向應(yīng)力作用下，由于裂隙、層理、片理的存在以及本身存在的礦物成分原因形成破壞，破壞形態(tài)無規(guī)則，一般聲音較小，破壞面顆粒松散或附著有膠結(jié)物，抗壓強(qiáng)度值小于圓錐型破壞的巖石(見圖4)。

4 試驗的控制

巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗過程看似簡單，影響試驗結(jié)果的因素卻很多，主要分為內(nèi)在因素和外在因素。對于內(nèi)在因素，檢測人員需正確的描述記錄巖石自體結(jié)構(gòu)以及破壞形式，以提供可靠的數(shù)據(jù)。對于外在因素，就要嚴(yán)格控制實(shí)驗過程，避免一切影響數(shù)據(jù)結(jié)果的不利因素。

圖3圓錐形破壞應(yīng)力圖 圖4 無規(guī)則裂紋型破壞

4.1 內(nèi)在因素

主要是指巖石自身性質(zhì)因素，例如：礦物成分、顆粒大小、孔隙率等。

4.1.1 物理性質(zhì)

巖石中含有各種各樣的礦物成分，礦物成分的多少直接影響抗壓強(qiáng)度值的大小。一般來說，硬度較大的礦物成分(如石英、長石、角閃石、輝石等)，其含量越高，抗壓強(qiáng)度值就越高。反之越低，如巖石中含有片狀的云母、滑石、高嶺石、蒙脫石、綠泥石等。

巖石的風(fēng)化程度越大，其空隙和變形破壞強(qiáng)度越大，巖石的強(qiáng)度越低。弱風(fēng)化強(qiáng)度高，全風(fēng)化強(qiáng)度低。

巖性相同的巖石含水率的不同強(qiáng)度隨之受到影響，一般含水率越高，強(qiáng)度的影響也就越大。對于親水性較強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)松散的巖石，水破壞了其物理狀態(tài)，削弱了顆粒之間的粘結(jié)力，起到了潤滑的作用，飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度值明顯降低，如砂巖和泥巖。

4.1.2 結(jié)構(gòu)性質(zhì)

同種巖性的巖石，空隙率越小，密度越大，強(qiáng)度越高。巖石中存在大大小小的微結(jié)構(gòu)裂隙，導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度各向異性，通常受力方向垂直層理比平行層理強(qiáng)度高。裂隙發(fā)育越多貫穿長度越長，強(qiáng)度值越低。

顆粒越細(xì)的巖石，抗壓強(qiáng)度值也就越高，是因為在等粒條件下，細(xì)粒比粗粒連接力大，強(qiáng)度也就較高。巖石的強(qiáng)度也受膠結(jié)物的影響，硅質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度最高，依次鐵質(zhì)、鈣質(zhì)，泥質(zhì)膠結(jié)最差。

總之，物理因素是巖石本身的性質(zhì)，它們相互作用對巖石抗壓強(qiáng)度造成很大的影響，在試驗過程中應(yīng)仔細(xì)觀察記錄其表征特點(diǎn)(如顏色、裂隙發(fā)育)，詳細(xì)的描述破壞形式以及破壞面特征，為巖石的抗壓強(qiáng)度值提供有力的佐證。

4.2 外在因素

4.2.1 試件尺寸

因圓柱體制備簡單，費(fèi)時少，原材料耗費(fèi)較小，經(jīng)濟(jì)合理。以及圓形試件具有軸對稱性，應(yīng)力分布均勻，目前國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦采用圓柱體試件。巖石抗壓強(qiáng)度隨試件的高度增加而降低，這是因為尺寸越大應(yīng)力分布越不穩(wěn)定，彈性狀態(tài)也不同。因為尺寸效應(yīng)的存在，我們國家一般規(guī)定試件高度與直徑之比宜為2.0～2.5，通常制備成標(biāo)準(zhǔn)試樣Φ50×100 mm。為便于對單軸抗壓強(qiáng)度的試驗成果統(tǒng)計分析，應(yīng)將任意高徑比的抗壓強(qiáng)度值換算成高徑比為2:1的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度值Re。

4.2.2 人為因素

巖石抗壓強(qiáng)度是隨著加荷速率增快，強(qiáng)度增高。加荷速率大于巖石的變形速率時，巖石的變形未達(dá)到穩(wěn)定就繼續(xù)加荷，巖石的塑形變形來不及發(fā)生或發(fā)展，最后得出的抗壓強(qiáng)度值就略高。加荷速率應(yīng)控制在某一限度以內(nèi)，我國規(guī)定加荷速率以每秒0.5～1.0 MPa的速率加載直至破壞，在試驗中可根據(jù)巖石軟硬程度來選用，對于極軟巖石加載速率宜適當(dāng)降低。

試件的制備，需引進(jìn)精密的儀器，嚴(yán)格按照規(guī)范要求制備標(biāo)準(zhǔn)試件。提高檢測人員的素質(zhì)，及時發(fā)現(xiàn)不符合規(guī)定的試件，能準(zhǔn)確的調(diào)平儀器上下接觸荷載范圍，使剛性墊塊與試驗機(jī)上下承壓板均勻接觸，受力對中，試驗過程中嚴(yán)格控制加載速率，對于高徑比非2:1的試件按照公式換算成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行成果整理。嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，以保證抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的正確性。

5 結(jié)果控制

如表1，當(dāng)試驗成果出來后，應(yīng)根據(jù)原始記錄(試驗前的顏色、裂隙是否發(fā)育，試驗后的破壞形態(tài)，裂隙充填、結(jié)構(gòu)性質(zhì)等)對照數(shù)據(jù)是否正確。從內(nèi)在因素和外在因素仔細(xì)核查(4試驗控制)，若為內(nèi)在因素造成同組試驗數(shù)據(jù)差異過大，應(yīng)從其物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)兩方面加以描述，附報告一起發(fā)布。若為外在因素造成數(shù)據(jù)差異過大，應(yīng)重新試驗。

表1 試驗成果表

6 結(jié)語

巖石單軸抗壓強(qiáng)度在工程上應(yīng)用極為重要和廣泛，因此對于試驗的控制極其重要。作為巖石力學(xué)指標(biāo)中一個重要的參數(shù)，通過對巖石單軸抗壓強(qiáng)度因素的了解，控制不利因素，力求結(jié)果的準(zhǔn)確，為設(shè)計，勘察報告的準(zhǔn)確性和合理性提供可靠的依據(jù)。