浅谈岩石单轴抗压强度的影响因素
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摘要:岩石单轴抗压强度值是工程规划设计中必不可少的资料之一，做好岩石单轴抗压强度值试验，确保其准确性、真实性，是保证工程施工的一个先决条件。但是因为岩石单轴抗压强度的影响因素很多，因此在进行实验时，需要对这些影响因素进行分析，从而在实验中得出准确的实验结果。
关键词:岩石；单轴抗压强度；影响因素；现实意义
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1、岩石单轴抗压强度的影响因素
1.1 岩石本身性质方面的因素
(1)岩石的结构构造
岩石结构的影响，表现在颗粒大小、空隙率与空隙分布特点等方面。岩石的结构特征尤其是矿物颗粒间连结及微结构面的发育特征对岩石的力学性质影响很大。一般来说，等粒结构的岩石抗压强度比非等粒结构的高。在等粒结构中，细粒结构岩石抗压强度比粗粒结构的高，这是因为细晶颗粒间接接触面积大，连结力增强。在斑状结构中，具细粒基质的岩石抗压强度比玻璃质基质的高，总之，结晶愈细愈均匀，非晶质成分愈少，岩石抗压强度愈高。
岩石空隙率的大小，反映岩石的密实程度，一般空隙率愈大的岩石，抗压强度愈低。通常存在岩石抗压强度随着密度减小而降低的规律，就是空隙率增大对抗压强度影响的具体表现，如果空隙(主要是各种微结构面)具有定向分布的特性时，必将导致岩石抗压强度呈现各向异性。通常，受压方向平行微结构面方向的抗压强度低于垂直微结构面方向的，抗压强度因为微结构面连结差，平行施加压力时容易沿微结构面裂开。岩石的构造是指矿物集合体之间及其与其它组分之间的排列组合方式，如岩浆岩中的流线、流面结构，沉积岩中的微层状构造，变质岩中的片状构造及其定向构造等，这些都会影响岩石的抗压强度。
(2)岩石矿物组成
一般而言，岩石的矿物成分及其相对含量对岩石的抗压强度有很大的影响。含硬度大的粒柱状矿物(如石英、长石、角闪石、辉石等)愈多时，岩块抗压强度愈高；含硬度小的片状矿物(如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)愈多时，则岩块抗压强度愈低。对于胶结连结的岩石，其抗压强度取决于胶结物成分及胶结类型，一般来说，硅质胶结的岩块抗压强度最高；铁质、钙质胶结的次之；泥质胶结的岩块强度最低，且抗水性差。从胶结类型来看，常以基底式胶结的岩块抗压强度最高，孔隙式胶结次之，接触式胶结最低。
(3)风化程度与温湿度
岩石的风化程度愈强，其空隙率和变形也愈大，抗压强度也就愈低。温度对岩石抗压强度的影响，一般而言，随温度升高，岩石的脆性降低，粘性增强，岩石抗压强度也随之降低。岩石湿度对抗压强度有显著影响，一般岩石的强度随含水率的增加而降低，但岩性不同其降低程度也不同，主要取决于岩石中亲水性矿物和易溶性矿物的含量以及空隙发育情况。因为当水侵入岩石时，将顺着裂隙进入并润湿全部自由面上的每个矿物颗粒，由于水分子的加入改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒间的连结力，降低了岩石的强度。
1.2 试验条件方面的因素
(1)试件的几何形状
试件的形状影响表现在：1)当试件断面积和高径比相同的情况下，断面为圆形的试件强度大于多边形试件强度。2）在多边形试件中，棱角处易产生应力集中，棱角越尖应力集中越强烈，试件越易破坏，岩块抗压强度也就越低，边数增多，试件强度增大。
试件尺寸越大，岩块强度越低，这被称为尺寸效应。尺寸效应的核心是结构效应。大尺寸的试件包含的细微结构面较小尺寸的多，结构也复杂一些，试件的破坏概率也就大些。
试件的高径比对岩块强度也有明显影响。一般而言，随高径比增大，岩块强度降低，因为高径比增大导致试件内应力分布及弹性稳定状态不同所致，高径比很小时，试件内部的应力分布趋于三向应力状态，试件具有很高的抗压强度；相反，试验会由于弹性不稳定而易破坏，降低岩块的强度。
(2)加荷速率
加荷速率在一定程度上对岩石极限强度值有一定的影响，岩块的单轴抗压强度随加荷速率的增大而增高。当岩块的加荷速率增大到超过了岩石的变形速率，即岩石变形未达稳定就继续加荷，试件内将出现变形滞后于应力的现象，使塑性变形来不及发生和发展，增大了岩块强度。
(3)端面条件及加工精度
端面条件对岩块强度的影响，称为端面效应。试件受压时，轴向趋于缩短，横向趋于扩张，而试件和压板间的摩擦约束作用阻止其扩张，使试件内的应力分布趋于复杂化，图1(a)为存在端面效应下试件内的应力分布区，其余部分除轴向仍为压应力外，径向和环向均处于受拉状态。由于三向压应力引起强度硬化，拉应力产生强度软化效应，致使试件产生对顶锥破坏如图1(d)，这种破坏实质上是端面效应的反应，并不是岩块在单轴压缩条件下所固有的破坏型式。如果改变其接触条件，消除端面间的摩擦作用，则岩块的破坏将变为受拉应力控制的劈裂破坏和剪切破坏型式如1(b)和图1(c)。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，端粗糙和不平行容易产生局部应力集中，降低岩块的强度。
图1试件内的应力分布及破坏型式
2、控制措施
影响岩石单轴抗压强度的因素很多，而其自身性质的影响是不可避免的，我们要努力提高试验人员的素质，做好试件结构特征和矿物组成等方面的描述。在试验条件方面，严格按相关规程采样制样，一般尽量选用圆柱形试件，高径比为2~2.5之间，此时试件内应力分布较均匀，易处于弹性稳定状态。对尺寸不标准的试件要采用可靠的经验公式进行较正，试验中的加荷速率严格按规范执行，一般控制在0.5~0.8MPa/s，同时选用精密较高的加工设备提高试件两端面的平整度和平行度，并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、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多方面的重要依据。在矿山、地质、公路、水利水电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及取值的重要依据，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。
案例：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。
某房建项目的桩基工程质量检测，勘察报告提交的持力层为强风化凝灰质粉砂岩，持力层深度大致为10～12米，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，对强风化凝灰质粉砂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。在工地现场，发现从10～12米强风化凝灰质粉砂岩持力层中，现人工挖孔的凝灰质粉砂岩已全风化为土状，实为全风化凝灰质粉砂岩，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米以下，从不同深度的岩石中，分组取样12组，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：试件已达到强风化凝灰质粉砂岩的强度，15～18米可作为新的持力层。
结束语
对岩石进行抗压强度试验是岩石地基和岩石材料工程所必须的进行的一个程序，像是公路、水利、建筑等领域，在工程规划设计阶段，就需要进行岩石抗压强度的试验。因此分析影响岩石单轴抗压强度的的因素是试验中一个重要工作。
参考文献
[1] 吕明，李广平，王玉玲.脆性岩石单轴压缩变形强度的试验[J].岩矿测试.2005.