淺論如何消除巖石單軸抗壓強度試驗的影響因素

摘要：巖石單軸抗壓強度指試件在無側限條件下當受軸力作用破壞時試件的單位面積上所能承受的荷載。開展巖石單軸抗壓強度試驗是為了明確洞室、巷道或建筑物的地基穩定性。在巖石單軸抗壓強度試驗中，有一些內在和外界因素會對試驗造成影響。本文就此及如何消除巖石單軸抗壓強度試驗的影響因素作了淺論。

關鍵詞：巖石單軸抗壓尺寸形狀加荷速率

一、關于巖石抗壓強度及巖石單軸抗壓強度試驗

在巖石力學強度中，巖石抗壓強度是最基本的指標之一。在計算及評價洞室、巷道以及建筑物的地基穩定和選擇建筑石材時，抗壓強度是必須被考慮的一個必不可少的指標。

巖石單軸抗壓強度指試件在無側限條件下當受軸力作用破壞時試件的單位面積上所能承受的荷載。為了明確洞室、巷道或建筑物的地基穩定性，需要開展巖石單軸抗壓強度試驗。該試驗是試件在單軸壓力荷載下得出巖石的變形以及破裂狀態的試驗。該實驗的目的是測定巖石受壓破壞時的極限應力值。通過在室內對巖石進行單軸抗壓強度試驗能用肉眼能得到破損特性的資料，尤其能得到對巖石破壞程度的描述。

二、巖石單軸抗壓強度試驗的開展步驟

在開展巖石單軸抗壓強度試驗時，需要按如下步驟操作：

（一）制作試驗試件。試件必須被加工成規則形狀，可用巖芯和巖塊制成。在選取及準備試件時，同種巖性每組試件最少得有三快。對于試件的尺寸范圍，其允許變化范圍不超過5%，在試驗時取其平均值。

（二）確定試樣精度。在確定精度時需要符合如下要求：第一，兩端面的平行度會存在誤差，但其最大誤差不得超過0.05mm；第二，在試件的整個高度上，其直徑誤差不得超過0.3mm；第三，在進行試驗時，試件端面應垂直于試件軸，其最大偏差不超過0.25度。

（三）描述。用2%的游標卡尺對試件量測尺寸后，要對其進行描述，描述的內容包括試件的顏色、礦物含量、結構、構造裂隙或節理發育程度以及風化程度、膠結物的性質、定名、試件加工精度等。在試驗時按0.5MPa的加荷速率進行加壓，一直到試件被破壞，然后記錄下試樣的極限破壞荷載（kN）。

三、消除巖石單軸抗壓強度試驗中的影響因素的措施

（一）明確內在及外界因素對巖石單軸抗壓強度試驗的影響

巖石抗壓強度試驗看似極其簡單，但是實際應用上卻并非如此。作為在工程地質條件的論述資料中不可缺少的一項，巖石單軸抗壓強度試驗看似簡單，實際上其影響因素卻非常多。首當一提的是試件本身性質，其次還有從采樣到加工以及試驗等一系列的影響。在這些因素中，概括來說，影響該實驗的因素可分為內在和外界因素兩種。內在因素如顆粒大小、結構、構造、礦物含量以及含水量、孔隙率等會對試驗造成影響，此外，像試件的形態、徑高比、加工精度及加荷速率等外界條件也會對試驗結果產生很大影響。

第一，內在因素對巖石抗壓強度試驗的影響。巖石中總是含有很多不同的礦物成分，不同的礦物成分會對巖石單軸抗壓強度試驗造成不同的影響。其影響主要表現為：一般來說，巖石中石英、長石、角閃石、輝石等礦物成分含量越高，巖石的抗壓強度就越高。如果巖石中云母、高嶺石、蒙脫石、綠泥石、滑石等的含量越高，那么巖石的抗壓強度就越低。巖石結構也是影響巖石抗壓試驗結果的內在因素之一。通常情況下，相同種類的巖石，細粒結構的巖石強度相對要高于粗粒結構的巖石。另外，巖石的含水量也是影響巖石強度的一個內在因素。一般，巖石的強度和含水量成反比，含水量越高，則巖石強度越低。還有，垂直層理受力的巖石強度要高于平層理受力的巖石。膠結物也是影響巖石強度的一個內在因素。在不同膠結物中，硅質膠結的強度最高，其次是鐵質，再次是鈣質，泥質膠結的強度最差。風化程度也會造成巖石強度的不同。弱風化巖石的抗壓強度高，全風化巖石的抗壓強度低。

第二，外界因素對巖石抗壓強度試驗的影響。影響巖石抗壓強度試驗的外界因素中首先不得不提的就是試件形態。巖石試件的相對尺寸、斷面、形狀、徑高比以及加荷速率等都屬于試件形態。試件的形狀包括圓柱形、正方形以及立方形三種。這三種形狀中，圓柱體屬于比較好的試驗形態。首先因為圓柱體樣品制備費時少，經濟，其次其應力分布屬于軸對稱的。由此，圓柱形試件形態深受國際巖石力學學會推崇。除了外在形態，試件樣品的強度通常隨著尺寸的增大而減小。徑高比也是影響巖石抗壓強度試驗的一個外界因素。通過不同條件下的多個試驗可知，當試件的徑高比大于一時，巖石的抗壓強度有很大的下降。但當徑高比達到一定值時，巖石的抗壓強度就不再持續那種很大的下降幅度了，而是減少甚微，甚至趨于穩定狀態。加荷速率對巖石抗壓強度的影響主要表現為：隨著加荷速率增快，巖塊的單軸抗壓強度也隨之增高。當巖塊的加荷速率超過了巖石的變形速率，也就是說巖石變形尚未達到穩定就繼續加荷，一直至試件內將要出現變形滯后于應力的情況，塑性變形來不及發生和發展，巖塊的強度就增大了。因此，對靜力而言，巖石試件的加荷速率應限制在某一限度以內。

（二）采取消除巖石單軸抗壓強度試驗結果影響因素的措施

針對上述影響因素，在巖石單軸抗壓強度試驗中，可采取如下措施盡量消除試驗中的影響：

第一，提高試驗人員的素質。在巖石單軸抗壓強度試驗中，影響因素固然很多，但試驗人員自身對于試驗的影響也是不可忽視的。因此，要努力提高試驗人員的素質，在對試件的結構特征以及礦物組成等方面進行描述時，除了專業還有精準。

第二，試驗時嚴格遵守規程制樣。正如上述分析，影響巖石單軸抗壓強度試驗的因素除了試件本身的因素之外，試驗過程的影響也是在所難免的。因此，在試驗條件方面，要嚴格遵守相關試驗規程。在制樣時，盡量選用圓柱形試件，徑高比要居于2到2.5之間。這個徑高比的狀態下試件內應力分布相對比較均勻，易處于彈性穩定狀態。如果一旦選用了尺寸不標準的試件，要在試驗前采用可靠的經驗公式對其進行校正。因為加荷速率也是影響試驗結果的因素之一，因此，在試驗中，進行加荷速率時要嚴格按規范執行。

第三，引進精密的加工設備。為了盡量減少甚至消除試驗過程對試驗結果的影響，要積極引進精密的加工設備。在試驗中，利用精密設備可以盡量減少對試驗的影響。

參考文獻：

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