岩石“非标准试件”的单轴抗压试验强度换算关系的研究

摘要：砂岩和灰岩颗粒较均匀、各项异性指标相比较而言更接近于1，故采用砂岩和灰岩加工成高径比为等差数列、等差值基本为0.1、比值从0.986--2.150的、直径为4.99cm的试件试验，数目大约九百块，经抽气饱和后在原液中、空气中静置4h再进行单轴抗压强度试验，从大量的单轴抗压试验的数据结果中分析得出换算公式。

关键词：高径比非标准件抗压强度值换算公式

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

1、前言

在岩石国标《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-99）中对“岩石单轴抗压强度”这一单项试验试件的加工尺寸所作的要求是：D=（48~54）mm、H/D=2.0~2.5，由此我们可以把能满足此加工尺寸要求的试件称为“标准试件”，不能满足该要求的试件称为“非标准件”。

为什么要有“非标准件”的说法呢？

“非标准件”也很有存在的现实价值，“非标准件”现象在实际工作中是普遍存在的，它是由岩石这一大自然客体本身的结构性质及我们室内实验室的加工设备及方式决定的。在我们实际的工作生产过程中，一般碰到的岩样主要是直径为6.50~10.00cm的岩芯样。岩芯样经过被切割的第一道工序后再被内直径为5.0cm的钻头对其取芯，某些中~强风化的硬质岩如花岗岩、千枚岩等等内部含有风化、结构裂隙或是含层理、节理结构的软质岩石如泥岩、泥页岩等等，它们经过钻芯后很容易从结构裂隙等薄弱处断裂从而使岩样变成高径比为1.0~1.9的“非标准试件”或是完全破碎作废。对于那些经过钻芯取样会完全破碎的岩样为了不让其作废我们就对其不进行钻芯取样这一环节，而采用在尽量最大限度的保证高径比的前提下直接切、磨或手工切磨的加工方法来减少加工环节对软弱岩石本身的伤害。

一般来说，对于同一类岩性的、风化程度差不多的岩石，如果它们的直径相同的话，单轴抗压强度值会随着高度的增加而降低【1】。在高径比和强度值之间存在着一定的关系，如果能通过对大量的同一岩性、同一风化程度、不同高径比的试件所作的单轴抗压强度试验值进行分析，找出规律，得到换算公式，那么我们就可以将“非标准件”的单轴抗压强度试验结果按此公式进行合理换算，使之更接近岩样本身在物理力学试验中的“真值”。

为了研究它们之间的规律性，我们加工了大批量的符合国标中加工精度要求的试件，进行了试验研究。

2、试验岩石的选择

首先是确定采用什么样的岩石？岩浆岩一般颗粒较粗，且硬度也很高；变质岩一般具千枚、片麻、板状等构造，各项异性明显，不大合适；沉积岩中的泥岩等等又具层理；根据实践，普通砂岩和灰岩颗粒较均匀、 各项异性指标较接近于1，硬度也在5―6之间，能很好的达到国标上加工精度要求，所以它们是较好的试验研究对象。

3、试件加工

按照高径比为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1的规格钻芯取样，再进行切磨。对砂岩各种高径比下的试件每个高径比下的设计加工20块、共计240块。灰岩各种高径比下的试件每个高径比设计加工60块、共计720块。实际加工结果砂岩220块，灰岩686块。

上述试件加工精度为：1.试件两端面不平整度误差不得大于0.05mm；2..沿试件高度、直径的误差不得大于0.3mm；3.断面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。。所有加工试件均已符合标准要求。将所有试件在真空压力表读数为100kPa的饱和容器内进行抽气饱和4h，在空气中、在原饱和水中静置4h后进行岩石的单轴抗压强度试验。

4、试验数据及分析图形

1、将饱和砂岩的抗压试验结果输入电脑进行分析，得到下列图形：

附图1

由趋势线函数表达式得到：

y任意=18.261(x任意)-0.1712 ①

y标准=18.261(2.0)-0.1712②

由②/①得到

Y标准=Y任意*（2.0*D/H）-0.1712③

说明：X 即径比H/D

Y标准 即换算后的标准抗压强度R

Y任意 即实测任意高径比下的抗压强度R

因此③式即可表达为

R=R0 *（2.0*D/H）-0.1712 ④

说明：R 换算强度值（MPa）

R0.任意高径比下的单轴抗压强度值（MPa）

2、将饱和灰岩的抗压试验结果输入电脑进行分析，得到下列图形：

附图2

由趋势线函数表达式得到：

y任意=94.073(x任意)-0.1712 ①

y标准=94.073(2.0)-0.1712②

由②/①得到

Y标准=Y任意*（2.0*D/H）-0.1712③

说明：X 即径比H/D

Y标准 即换算后的标准抗压强度R

Y任意 即实测任意高径比下的抗压强度R，

③式即可表达为

R=R0*（2.0*D/H）-0.1712 ④

说明：R 换算强度值（MPa）

R0.任意高径比下的单轴抗压强度值（MPa）

5、水利水电部门类似与其换算公式比较研究

说明：①岩石水利水电部门抗压强度换算公式：R=（R0*8）/（7+2.0*D/H）

②自研强度修正公式：R= R0*（2.0*D/H）-0.1712

水利水电部门换算公式与自研公式结果的比对 表1

通过上述表可以看出与类似换算公式的计算结果偏差均小于1%。

6、结论

综上所述④式作为岩石单轴抗压试验“非标准件”的强度换算公式，可行。此公式适用于直径为5.0cm，高径比1.0~2.2规格的岩石试件。对于不能钻芯的强风化岩样、极软的岩样这样的“非标准试件”的抗压强度换算关系是否适用还有待验证。

参考文献：【1】《工程地质手册》第四版