工程技术220提高岩石单轴抗压强度试验成果的影响因素和控制及

工程技术220 提高岩石单轴抗压强度试验成果 可靠性的影响因素和控制及工程实践意义 （湖南省核工业地质局三O一大队，湖南，长沙，） 要】笔者结合多年的实际操作经验，对如何提交可靠的岩石单轴抗压强度试 验成果应满足的试验条件、主要影响因素进 行了研究，提出了野外采样过程、试件制做 过程及试压过程应采取的控制措施，从而对 工程实践起到了指导作用，在有效降低工程 造价、节省工程建设资金方面具有较好的现 实意义。 【关键词】岩石单轴抗压强度；试验条 件；影响因素；控制措施；可靠性；工程实 一、概述随着现代工程建设的迅猛发展，在建筑 物基础设计、施工造价、建筑物运行安全等 方面，岩石物理力学数据都起着很大的作用。 岩石单轴抗压强度是岩石最重要的物理力学 性能指标之一，是从事岩石工程研究、设计、 施工和生产中不可缺少的力学参数，还是建 立岩石破坏判据的重要指标。因此，准确测 定岩石单轴抗压强度有着重要意义。但在实 际操作中，岩石单轴抗压强度往往有诸多的 影响因素，这些因素大致可分为两个方面： 一方面是岩石自身的因素，如：岩石结构构 造、矿物成分、颗粒大小、胶结物、容重、 孔隙度及含水量等等（内在因素）；另一方面 是试验方法与物理环境的影响，如：选样采 样、试件形状、尺寸大小、高径比、试件加 工精度、压力机压头与试件之间的摩擦、加 载速率及周围物理环境等外在因素的影响。

#

只有在试验条件满足相关规范要求，采取有 效措施对主要影响因素加以控制，才能提高 试验成果的准确性、可靠性，也才能在工程 应用中起到指导作用。 二、试验条件及试验成果影响因素分析 （一）、岩石单轴抗压强度指标常用于岩 石的强度分级和岩石特性的描述。岩石单轴 抗压强度是指岩石试件在无侧限条件下受轴 向力作用出现压缩破坏时，单位面积所承受 的荷载： （MPa）式中：R――岩石单轴抗压强度（MPa）； P――破坏荷载（N）； A――试件截面积（mm 具体的测定方法是将圆柱体岩石试件置于压力机与承垫板之间，轴向加荷，在破坏 时的应力值即为岩石的单轴抗压强度（见图 （二）、岩石单轴抗压强度测定的主要试验步骤 试件制备试件描述试件烘干或饱和 处理测量试件尺寸安装试件加荷描 述试件破坏后的形态并记录有关情况按公 式计算岩石的单轴抗压强度报告整理。 （三）、岩石单轴抗压强度试验条件及 影响因素 岩石抗压强度试验1、选样采样 岩体是一种非匀质体系，从不同部位所 取的样品性质差异很大，岩石的层状结构、 节理、裂隙及其他不连续结果，对岩石的抗 压强度都有很大影响，表现在岩石的抗压强 度离散性较大。为了使岩石样品具有代表性， 室内试验结果能反映岩石自然状态下的力学 性质，样品的选样采样就非常之关键。 #

采样 通常从野外的大块岩石上制取，对于坚硬岩 石，一般用钻孔法钻取，在钻孔的不同深度 分别取样；页岩、岩盐等软弱岩石的取样需 用专门的机器从块石上切取。取样时，要保 持节理等软弱面不受扰动。 2、试件形状 岩石试件样品可分为三类：规则样品、 不规则样品、特殊形状的样品。试件形状可 采用圆柱体、棱柱体、立方体，具有相同截 面积的圆形、六边形、四边形、三角形试样， 其强度差别很大，圆柱体试件因受力时，应 力分布沿轴向是对称的，故被实验室普遍采 3、试件高径比当试件高径比为 2.0～2.5 时，处于弹性 状态，而且试件中的应力分布较为均匀，且 制成圆柱体试件最为理想。大量试验数据证 明，随高径比增大, 岩块强度降低。 4、试件尺寸‘ 最常用试件尺寸有两种，一种是边长 50mm 的立方体；另一种是直径为 50 54mm，长度为直径的2～3倍的圆柱体。一 般而言，样品的强度通常是随着尺寸的增大 而减小。 5、加荷速率 国际岩石力学学会建议加载速度为 0.5～0.8 MPa/ ,一般从开始试验直至岩石试件破坏的时间为5～10 分钟。加载速度对 岩石的变形性质和强度指标有明显的影响： 加载速度越快，测得强度指标越高。

6、含水量 岩石在自然状态、干燥状态以及饱水状 态下的单轴抗压强度的差异，反映了岩石的 含水量对岩石力学性能指标的影响。其影响 程度：与风干岩石相比，完全干燥的岩石强 度大约增加 6%，而岩石饱水状态下的强度 平均减少12%。如果用饱水试件进行试验， 提供的强度值是偏于安全的。 7、接触面的摩擦 岩石试样在受荷时，样品的应力分布情 况与端面是否有摩擦有很大的关系。岩石试 验规程规定在岩石试件与承压板之间垫上一 种硬塑料垫片，即垫片的尺寸至少应同岩石 试件的直径一致，承压板必须磨光，样品必 须放在承压板中心，压力试验机最少应当有 一个球形接头，并需要涂少量矿物润滑油。 8、加工精度 试件的加工精度的影响，主要表现在试 件端面平整度和平行度的影响上，端面粗糙 和不平行容易产生局部应力集中, 降低岩块 的强度，试验规程要求：端面不平整误差最 大不超过 0.02mm，侧面不平整度不超过 0.3mm 三、提高试验成果可靠性的控制措施笔者对岩石单轴抗压强度试验条件、采 样过程及试验步骤逐一进行分析研究后，认 为试验员的专业素质、选样采样、试件制作 （试件形状、高径比、尺寸等）是关键环节 需加以重点控制，同时进行加压过程的有效 控制也是提高试验准确性的重要因素。

（一）、加强试验人员的专业知识培训 和操作培训，严格按相关规程进行制样和试 验；对不了解试验条件的工程人员，可按选 样采样要求说明进行，重要工程试验员还可 深入施工现场进行指导。 （二）、选样采样过程控制： 1、对于同一岩体，应当从岩体的不同部 位采取。 2、钻孔取样，应在钻孔的不同深度，根 据岩石的风化程度、裂隙发育程度等选取具 有代表性的样品组。钻孔取样还应进行如下 控制：钻机设备安装必须周正、稳固、底座 水平。钻机立轴中心、天轮中心与孔口中心 必须在同一铅垂线上。确保钻机在钻芯过程 中不发生倾斜、移位。提钻卸取芯样时，应 拧卸钻头和扩孔器，严禁敲打卸芯，钻取的 芯样由上而下按回次顺序放进芯样箱中并做 工程技术 221 好标识；杜绝锤击岩芯取样或被太阳暴晒后 取样。 3、样品在人工搬动时应轻拿轻放、防止 摔碰，运输过程中应防止受到过分的震动， 以免使原有的裂隙扩展或产生新的裂缝。 4、为防止样品被风化，样品须放在适宜 的地方，有条件的情况下，可采用密封保存 （如岩石蜡封法等）。 5、野外取样数量同一组要保证有3 效试样强风化花岗岩饱和单轴抗压强度，按长径比2:1要求，长度要取足。 6、对矿物成分、胶结料的性质、结构和 风化程度等有显著不同的地方应进行记录和 判别，以便对试验结果作出准确的分析判断。 #

（三）、试件制作过程控制 却系统和牢固夹紧芯样的装置，配套使用的金刚石圆锯片有足够刚度，芯样试件端面的 补平器和磨平机满足芯样制作的要求。 2、对很脆的岩石试件进行加工，可将脆 硬岩石样品埋入硬石蜡中强风化花岗岩饱和单轴抗压强度，然后再进行切割， 以保证样品端面能做成符合其标准要求。 3、选择适宜精度的计量器具测量尺寸 （如：游标卡尺等），对尺寸不标准的试件 要采用可靠的经验公式进行校正。 4、芯样试件制作完毕立即进行抗压强度 试验。 （四）、加压过程控制 1、加荷速度： 通过对大量试验数据的 分析归总，当加荷速率控制在 0.5～1.0 MPa/ ，压力满足0.2P＜Pmax＜0.8P 况下，试验误差最小。2、在对试样加荷前，应检查试样是否均 匀受压。可在试件与压板之间插入刚度与试 件相匹配、断面尺寸与试件相同的垫块来消 除或减少端面摩擦。 3、加荷方向与岩石试样内层理、节理、 裂隙的关系及试样加工中出现的问题应及时 记录。 四、提高数据可靠性对工程实践的现实 意义 岩石单轴抗压强度是划分岩石坚硬程 度、开挖分级并确定可钻性等的重要依据。 在矿山、地质、冶金、铁路、公路、水电水 利及其他工程建设领域都是评价工程岩体性 质的重要指标。

岩石单轴抗压强度还作为桥 梁、水工建筑物等基础类型承载力特征值的 设计依据，也是桩基础持力层选择定位及桩 端承载力特征值设计取值的重要依据，岩石 单轴抗压强度数据的可靠性与否，不仅对建 筑物的安全性能起着决定性的作用，也对建 筑物施工造价起着决定性作用，因此对工程 实践有着重要的现实意义。 （一）、案例1：试验室工作人员到现场 指导工程人员选样采样，为设计提供了岩体 客观、可靠的力学参数，也为建设方节省大 量资金，创造了良好社会效益。 某桥梁建筑工程，岩体岩性主要为灰岩, 初次送样3 件，进行饱和岩石单轴抗压强度试验。设备采用 压力试验机, 加荷速率控制在 0.5～0.8 MPa/ 加载直至破坏，试验结果见表1。 初次送样测试结果单轴抗压 强度 压强度平均值 试件 编号 名称试件 含水 状态 (MPa) (MPa) 36.9 31.4 ZK15-2 饱和34.0 34.1 23.6 19.8 ZK16-1 饱和22.6 22.0 3.78 4.32 ZK17-1 饱和3.93 4.01 从上表可知：该3组试件的抗压强度值在 3.78～36.90MPa之间，离散性大，平均值为 20.04MPa，按此数据，工程人员称将不能满 足设计要求，将更改设计，加大桩径，预计 增加造价900万元，为此，请试验室人员帮助 查明情况。 #

试验人员通过追查试验过程、查 看试验记录：发现ZK17-1岩石裂隙发育并充 填泥质物，导致此组岩石单轴抗压强度值明 显偏低，导致该岩石强度平均值偏低，不具 代表性。为综合评价该岩体的力学特性,更好 地反映此工程项目岩石力学性质，试验室工 作人员亲自到工地现场，指导工程人员采样， 按照试验要求，在野外共同采取了ZK13、 ZK14、ZK15、ZK16共6组试样，并小心运输， 按规程要求再次进行测试，结果见表2 现场指导采样后的测试结果单轴抗压 强度 压强度平均值 试件 编号 名称试件含 水状态 (MPa) (MPa) 29.7 25.6 ZK13-2 饱和26.3 27.2 46.7 40.5 ZK13-3 饱和47.2 44.8 31.2 28.5 ZK14-1 饱和29.7 29.8 22.3 19.6 ZK14-4 饱和18.7 20.2 41.2 ZK15-3 饱和45.9 43.5 43.4 38.9 43.5 ZK16-2 饱和38.2 40.2 试件抗压强度值在 18.7～46.7MPa 间，平均值：34.28MPa，离散性变小，比第一次送样提高了14.24MPa，基本代表了此岩 石强度力学特征，同时满足了设计需要，不 需更改设计方案。 #

（二）、案例2：在不同深度岩石取样， 重新确立了满足设计要求的持力层及位置， 节省了二次设计费用及更改基础类型增加的 资金。 我单位承接了长沙某房建项目的桩基工 程质量检测业务，勘察报告提交的持力层为 强风化板岩，持力层深度大致为10～12 选用的基础类型为人工挖孔灌注桩，基础开挖至设计深度后，对强风化板岩进行了岩基 载荷试验和深层平板载荷试验，试验数据远 远不能满足设计要求，施工方因此而停工， 造成了重大损失。为此，建设方只好提请设 计方进行二次设计，预计更改基础类型增加 费用近600 万元。我单位急建设方所急，组 织了技术部、试验室等相关部门参与解决， 试验人员也到了工地现场，发现从 10～12 米强风化板岩持力层中，现人工挖孔的板岩 已全风化为土状，实为全风化板岩，才达不 到设计要求。通过现场分析，制定了解决方 面，从深部寻找持力层。在对持力层进行超 前钻探的过程中，试验人员在 12～18 送室内完成岩石单轴抗压强度试验。分析试验数据发现：在15～18 米试验数值：7.56～ 16.2 MPa，平均值到达：10.3MPa，真正到达 设计要求。据此，试验人员建议：试件已达 到强风化板岩的强度，15～18 米可作为新的 持力层。

建设方同意了我方建议，施工方又 投入了施工，还满足了对工期的要求。 参考文献：: 50266-99 工程岩体试验方法 标准[ 北京:中国计划出版社, 1999 SL264- 2001 水利水电工程岩石试 验规程[ 中国水利水电出版社, 2001. 关于岩石单轴抗压强度影响因素的分析.《西部探矿工 程》,2008,04:44～45 作者简介： 刘广庆，男，45 岁，本科，学士，工程 师，从事地质试验测试与管理工作，湖南省 核工业地质局三O 一大队。