岩石点荷载强度指数影响因素分析

(西华大学土木建筑与环境学院 四川 成都 610039)

单轴抗压强度是岩石最基本的力学参数之一，常用于岩石坚硬程度分级和岩体质量评价。岩石的抗压强度指标可通过单轴抗压强度试验和点荷载强度试验两种方法获取。对于风化程度较高，节理发育的岩石，通常不能制备满足单轴抗压试验的标准试样。因此，国际岩石力学学会于1972年制定了岩石点荷载强度试验的标准，点荷载强度指数与单轴抗压强度具有良好的转换关系，通过换算即可得到岩石的抗压强度。由于点荷载试验操作简单，仪器便于携带，对岩样要求较低，得到广泛的应用。为更加全面的掌握点荷载试验的相关特性，分析岩石点荷载强度指数的影响因素，通过收集整理国内外相关文献，总结试验要点，分析破坏模式，对点荷载与单轴抗压强度之间的转换关系进行讨论。

一、点荷载试验

岩石点荷载试验方法是将岩石试样置于2个角度相同的同轴线加荷锥之间，稳定施加荷载，使岩石试件在10～60s的时间内破坏。

试样要选取具有代表性的岩石，尤其是对于风化程度高或者层理明显的软质岩，应避免试样带有裂纹，导致试验结果产生偏差。试样在运输过程中应避免扰动，并保持含水率稳定。非规则试样的选取要符合尺寸和数量要求，通常一组点荷载试验的试样数不应少于15个。

试样安装应保持试样中心放入点荷载仪的两球锥之间，且上下两加荷锥与试样应紧密接触，试样自由端的距离应大于两加载点间距的0.5倍；试验过程中应稳定的进行施加荷载，破坏面贯穿整个试样并通过两加荷点才能视为有效试验。记录下试样破坏瞬间的荷载大小，并用游标卡尺测量破坏面的宽度和加荷点间距。

二、破坏机理研究

Peng S S[1]通过对圆柱状试样在点荷载作用下的应力场分析，认为试样中的压应力只存在于试样表面，其内部则主要分布为拉应力。平松良雄[2]开展了弹性球体的点荷载试验，分析了加载中心角与不同性质球体内部的应力状态，发现除加载点附近外，大范围内为均匀的拉应力，试样破坏主要是因为中央区的拉应力超过球体承载极限而断裂。Reichmuth[3]发现点荷载试验时试样内部会形成拉应力和压应力区，当荷载增大时，试样在靠近锥头附近因为产生压应力而形成裂纹，裂纹贯通形成滑动线并不断深入，最终试样在拉应力作用下发生断裂。综上所述，点荷载强度的力学实质是试样单位破坏面积上所能承受的最大拉应力。

三、计算方法

1972年，国际岩石力学学会制定了点荷载强度的试验方法，建议对于非规则块体采用加荷间距D的平方作为承载面积计算点荷载强度。如式(1)所示。

Is=P/D2

(1)

1985年，ISRM通过引入等效岩芯直径De的概念，提出Is为P与试样De的平方之比，如式(2)所示。对于轴向、方块体和非规则试样，等效直径的表达式如式(3)所示。同时ISRM利用点荷载强度的修正系数，并认为单轴抗压强度为点荷载强度指数的20～25倍，计算公式为式(4)。

(2)

(3)

Rc=(20～25)Is(50)

(4)

式中，De为等效圆直径(mm)；F为尺寸修正系数；m为修正系数，取0.40～0.45。

1986年，向桂馥[9]提出了考虑破坏面积的点荷载强度PLS，其计算方法如式(5)所示。

(5)

式中Af为试样破坏实际面积。

综上所述，我国不同行业对于点荷载的计算方法并不统一，应用时应根据试验对象合理选择。若能够测量出破坏面的实际面积，建议采用文献[5]建议方法，其具有明确物理意义，且较好的避免了试样尺寸和形状对强度带来的影响。

四、点荷载强度影响因素

对于各向异性岩石而言，平行于软弱面加载的强度小于垂直软弱面加载，因此，试样强度应以垂直于软弱面加载得到的强度作为基准，当平行软弱面加载时应乘以异性指数进行换算。

岩石的点荷载强度是随着试样含水率的提高而降低的，且岩石强度等级越低，水对其影响越明显。岩石试验规程以饱和状态下的单轴抗压强度作为岩石强度分类依据，因此现场勘测进行点荷载试验时应以饱和状态下试样的点荷载强度作为基准。

结论

点荷载试验是工程应用中获取岩石强度特性的重要手段，通过收集整理国内外相关文献，总结了试验要点与破坏实质，讨论了不同计算方法的特点，分析了点荷载强度的影响因素，得到以下结论：

(1)点荷载试验的力学实质，是试样单位破坏面积上的受拉极限破坏，计算时应采用考虑破坏面积的点荷载强度，物理意义更加明确。

(2)对于各向异性岩石而言，应以垂直于软弱面加载获取的强度作为基准，当平行于软弱面加载时应乘以异性指数进行换算。

(3)点荷载强度受试样含水状态的影响，工程应用时应以饱和状态下点荷载强度作为基准。