巖石單軸抗壓強度試驗的探討與研究

王 平

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院勘察分院，四川成都 611731)

1 概述

在水利水電工程勘察設(shè)計中，巖基的承載力、巖坡穩(wěn)定性、地下硐室開挖時硐周巖石(圍巖)的應(yīng)力分布及其穩(wěn)定等各方面的分析和鑒定均與巖石強度密切相關(guān)。鑒于抵抗外荷載的能力是巖石的重要力學(xué)特性之一，因此，研究巖石抵抗外力破壞的能力——巖石強度具有重要工程意義。

巖石單軸抗壓強度試驗是測定巖石強度的重要試驗，通過其能進行巖石強度分級和巖石特性描述，還能對完整巖芯試樣的抗壓強度測量結(jié)果進行壩基的穩(wěn)定性和堅固性作出有效的評估，從而真實地反映出巖體的工程性質(zhì)。

測定巖石的抗壓強度通常是測試巖石的單軸抗壓強度。巖石的單軸抗壓強度是指巖石試件在無側(cè)限條件下受軸向荷載作用出現(xiàn)壓縮破壞時單位面積所承受的軸向作用力。具體的測定方法是將圓柱體巖石試樣置于壓力機承壓板之間，巖石試樣在軸向加載下發(fā)生破壞時所測得的應(yīng)力值稱為巖石單軸抗壓強度。

巖石單軸抗壓強度按照《國家工程巖體試驗方法標準》與《水利水電工程巖石試驗規(guī)程 》中的要求進行試驗。

巖石單軸抗壓強度可以由公式R=P/A求得。式中R為巖石單軸抗壓強度(MPa);P為試件破壞荷載(N);A為試件截面面積(mm2)。

理論上，通過試驗測定巖石的抗壓強度是極其簡單的事情。但實際上并非如此，因為影響巖石力學(xué)性能的因素眾多，筆者簡述如下。

2 巖石單軸抗壓強度試驗的影響因素及消除措施

巖石的礦物特征、顆粒大小、孔隙率、結(jié)構(gòu)缺隙等內(nèi)在因素決定了巖石的強度性能;試樣的采集、幾何形態(tài)、形狀、高徑比、尺寸大小、加荷速率、承壓板與端面之間的摩擦、環(huán)境等外部因素亦對巖石的抗壓強度試驗結(jié)果影響很大。

在試驗過程中，毋需人為地去改變巖石內(nèi)在的屬性，但需人為地消除或減小外部因素對巖石抗壓強度試驗的影響，從而得到巖石真實準確的單軸抗壓強度值，為工程的勘察設(shè)計研究提供可靠的數(shù)字依據(jù)。

如何消除或減小外部因素對巖石抗壓強度試驗的影響呢?筆者從巖樣的采集、巖石的幾何形態(tài)、加載速率、試驗樣品的數(shù)量、接觸面的摩擦等幾方面進行了簡明扼要的闡述。

(1)巖樣的采集。

巖體是一種非勻質(zhì)體系，從不同部位所取的巖樣性質(zhì)差異很大，通過試驗得出的結(jié)論也截然不同，可見取樣工作十分重要。對于同一巖體，為了得到試驗結(jié)果計算的平均值，應(yīng)當從巖體的不同部位進行巖樣的采取。

為了正確取樣，需進行巖石學(xué)研究，對礦物成分、膠結(jié)物的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和風(fēng)化程度等有顯著不同的地方進行記錄和判別，以便準確分析試驗結(jié)果，更好地評判巖石及巖體的工程性質(zhì)。

巖石的層狀結(jié)構(gòu)、節(jié)理、裂隙及其他不連續(xù)結(jié)構(gòu)面對巖石的抗壓強度值影響很大。這些巖石缺陷在選樣、制備樣品時很容易通過肉眼觀察出來，在試驗過程中必須對其引起足夠的重視。

樣品在運輸過程中，應(yīng)當注意避免受到過份的震動而產(chǎn)生新的裂縫或使原有的裂隙擴展。為避免受到風(fēng)化的影響，樣品須放在適宜的地方;有條件的情況下，可以采用密封保存。

(2)巖石試件的幾何形態(tài)。

由于形狀為圓柱體的巖石試樣容易制備，易達到加工精度的要求，并且力學(xué)性質(zhì)對稱性極好，所以，國內(nèi)外的許多試驗部門常采用圓柱體巖石試件進行巖石力學(xué)性質(zhì)試驗。

巖石的強度通常會隨其尺寸的增大而減小，這就是巖石力學(xué)中所謂的尺寸效應(yīng);而且在進行巖石抗壓強度試驗時，巖石試件的應(yīng)力分布狀態(tài)對試驗結(jié)果數(shù)值影響很大，并且也決定了巖石試件受壓后的破壞方式和破壞類型。研究結(jié)果表明:直徑為4～6 cm且滿足試件直徑大于其最大礦物顆粒直徑10倍以上的巖石試件，其強度值較為穩(wěn)定。目前世界上幾乎所有國家的試驗都采取直徑為4.8～5.4 cm且直徑大于其最大礦物顆料直徑的10倍以上的巖石試件進行巖石抗壓強度試驗。

巖石試件的高徑比值不同，會對巖石強度產(chǎn)生不同影響。由圖1可以看到:由于高徑比h/d的不同，對巖石強度產(chǎn)生不同的影響。從曲線中可以明顯看出高徑比在2～3時，巖石單軸抗壓強度值已趨于穩(wěn)定的特性?？梢妿r石試件取高徑比為2～3時，對其強度來說比較合理。

圖1 巖石單軸抗壓強度與高徑比關(guān)系圖

筆者在進行巖石單軸抗壓強度試驗中通常采用的是直徑為5 cm、高徑比為2的圓柱體巖石試件進行巖石室內(nèi)力學(xué)試驗，已為多個水利水電工程提供了詳盡準確的試驗數(shù)據(jù)。

(3)加載速率。

巖石的單軸抗壓強度通常是隨著巖石試件所承受的加載速率增加而增加，在很高的加載速率下，如沖撞等試驗所求得的單軸抗壓強度值可數(shù)倍于緩慢加載條件下所得到的試驗結(jié)果。經(jīng)微觀分析發(fā)現(xiàn)，由于巖石礦物在高速率加載時未充分變形，從而提高了其抗外荷載的能力。因此，選擇適當?shù)募虞d速率對其試驗結(jié)果比較重要。我國有關(guān)巖石力學(xué)試驗標準規(guī)定，其加載速率應(yīng)控制在0.5～1 MPa/s之間，且按巖石的軟硬不同采取該范圍內(nèi)不同的加載速率，這一加載速率與國外的許多試驗標準中所提出的要求是一致的。筆者在巖石單軸抗壓強度試驗過程中也是遵循這一準則。

(4)試驗樣品的數(shù)量。

巖石是礦物顆粒的集合體，具有明顯的非均質(zhì)性。盡管形狀和尺寸完全相同，但強度值有差異，即呈現(xiàn)出極大的離散性?，F(xiàn)場鉆取的巖芯，如節(jié)理、裂隙等存在大量缺陷，強度離散性更大。巖石的非勻質(zhì)結(jié)構(gòu)特征決定了巖石力學(xué)性能試驗具有分散性大的特點，因而單個或少量的巖石抗壓試驗結(jié)果不能說明巖體的真實情況，即從理論上得不到其真實值。而大量試樣的抗壓試驗結(jié)果會接近巖石的真實強度值，但不計成本的投入是不現(xiàn)實的，因此，需要確定巖石抗壓強度試驗樣品的最少數(shù)量。

按照強度統(tǒng)計準則，巖石抗壓試驗的每組巖樣個數(shù)必須達到一定數(shù)量，才能保證強度平均值有95%以上的概率，而僅用幾個巖石的強度平均值來表示巖石的抗壓強度是危險的。

國際巖石力學(xué)學(xué)會建議:對于直徑54 mm的巖樣，試驗重復(fù)數(shù)不少于5次。筆者在實際的試驗工作中，便是參考此標準并依據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》規(guī)定“巖石抗壓強度采用圓柱體試件，試樣直徑為50 mm，數(shù)量不小于6個”來進行巖石單軸抗壓強度試驗的。

(5)接觸面的摩擦。

巖石試件在端面有或者沒有摩擦情況之下承受加荷時，樣品的應(yīng)力分布是完全不同的。巖石單軸抗壓強度的測定會因此而受到影響，所受影響的大小取決于樣品與承壓板之間的摩擦系數(shù)。

各種材料的摩擦系數(shù)不是常數(shù)，取決于接觸面性質(zhì)和材料狀態(tài)。為了統(tǒng)一試驗條件，規(guī)程規(guī)定:在巖石試件與承壓板之間墊上一種硬塑薄片，并對壓力試驗機提出了一定的要求，試驗機最少應(yīng)當有一個球形接頭，并需要涂少量礦物潤滑油;承壓板必須平整光滑，樣品必須放在承壓板中心(推薦用與巖石試件直徑相同的光滑塑料墊片，即墊塊的尺寸至少應(yīng)同巖石試件的直徑一致)。

在實際的巖石單軸抗壓強度試驗中，應(yīng)盡量消除巖石試件和壓力機端面摩擦的影響，使端面只有少量的徑向和圓周向的膨脹，使應(yīng)力分布盡量均勻。由于巖石的應(yīng)力分布不均勻是端面摩擦和約束造成的，許多研究者建議在試件端面與承壓板之間涂以石蠟或墊上潤滑材料如橡皮板、四氟乙烯塑料、氯丁橡膠、薄銅片或鉛板、硬紙板等材料來減少摩擦，盡可能地消除摩擦以確保應(yīng)力的均勻分布。

在巖石單軸抗壓強度試驗中，為統(tǒng)一試驗方法，增強試驗結(jié)果的可比性，巖石試驗規(guī)程對巖石試件的制作要求、尺寸大小作出了一定的要求，對試驗條件如減小承壓板與端面之間的摩擦，在巖石試件兩端承壓面墊上光滑的塑料薄板等都作了規(guī)定。

3 結(jié)語

在巖石單軸抗壓強度試驗過程中，只有針對上述的各個影響因素采取合理適當?shù)姆绞絹硐驕p小其對試驗值所產(chǎn)生的誤差，才能為勘察設(shè)計提供真實準確的試驗數(shù)據(jù)，才能確保水利水電工程百年運行的安全性。

［1］蔡美峰.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］成都理工大學(xué)巖土教研室 .巖石學(xué)簡明教程［M］.北京:地質(zhì)出版社，1992.