浅析岩石单轴压缩变形试验的影响因素
单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究
单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究一、本文概述本文旨在深入研究单轴压缩下岩石损伤演化的细观机理，并探讨其对应的本构模型。
通过对岩石在单轴压缩过程中的微观破坏行为进行详细分析，揭示岩石损伤演化的内在机制，进而建立能够准确描述岩石力学行为的本构模型。
这一研究对于理解岩石的力学特性、预测岩石工程的稳定性和优化岩石工程设计具有重要意义。
在概述部分，本文将首先介绍单轴压缩试验的基本原理和方法，以及其在岩石力学研究中的应用。
随后，将概述岩石损伤演化的基本概念和研究现状，包括岩石损伤演化的定义、分类、影响因素等。
在此基础上，本文将提出研究目的和意义，明确研究内容和方法，并简要介绍论文的结构和主要研究成果。
通过本文的研究，我们期望能够深入理解岩石在单轴压缩下的损伤演化过程，揭示其细观机理，并建立相应的本构模型。
这将有助于我们更好地预测和控制岩石工程的稳定性和安全性，为岩石工程的设计、施工和维护提供科学依据。
二、单轴压缩岩石损伤演化细观机理在单轴压缩条件下，岩石的损伤演化细观机理是一个复杂而关键的科学问题。
单轴压缩是指岩石在单一轴向压力下发生的变形和破坏过程，它是岩石力学中最基本也是最重要的试验手段之一。
在这个过程中，岩石内部的微裂纹、微孔洞等损伤会不断演化，最终导致岩石的宏观破坏。
岩石在单轴压缩过程中，由于其内部存在的非均匀性和初始损伤，会导致应力分布的不均匀。
在应力集中区域，微裂纹会首先产生并扩展。
这些微裂纹的扩展方向往往与最大主应力方向一致，形成所谓的“翼裂纹”。
随着应力的增加，微裂纹会不断扩展、连接，形成宏观裂纹，导致岩石的整体强度降低。
岩石的损伤演化过程中还伴随着能量的耗散和释放。
在微裂纹产生和扩展的过程中，会消耗一部分外部输入的能量，并以热能的形式释放出来。
同时，岩石内部的损伤还会导致其弹性模量、泊松比等力学参数的降低，进一步影响岩石的应力-应变关系。
岩石的损伤演化还受到多种因素的影响，如岩石的矿物成分、颗粒大小、孔隙率、温度、压力等。
天然石材压缩强度试验影响因素分析
响压缩强度试验结果。为避免试验过程中出现类似的现
象，拟采用压缩夹具进行试验，然而各标准未对压缩强
度的试验夹具进行规定，本文参照受压尺寸较小的水泥
压缩夹具制作石材压缩夹具，同时研究压缩夹具对试验
结果的影响。
2 试验
2.1 检测标准
GB/T 9966.1-2001 《天然饰面石材试验方法 第 1 部分：干燥、水饱和、冻融循环后压缩强度试验方法》
（外力）而不受屈服或破裂的能力，是岩石承受外力的极 面夹角为（90±0.5）°，以确保两个受压面是平行的。压
限力值。由于岩石压缩强度的样品尺寸较小（为 50mm× 缩试验时用游标卡尺测量上下两受力面的边长，以两个
50mm×50mm），强度较高，而现有的压力试验机上下压板 受力面面积的平均值作为试样受力面面积，边长测量值
采用压缩夹具进行干燥压缩强度试验。
2.3 仪器设备
微机控制电液伺服压力试验机、电热鼓风干燥箱、 游标卡尺，游标万能角度尺、压缩夹具。
2.4 试验环境
常温常湿。
2.5 试验过程描述
检测规范》、JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检
按 标 准 GB/T 9966.1-2001 将 石 材 试 样 先 放 入
质量控制与检测
项目 长 L（mm） 宽 B（mm）
面积 S（mm2）
破坏荷载 P（N）
压缩强度 R（MPa）
表 1 未使用压缩夹具的花岗岩石材干燥压缩强度结果
1
2
3
4
50.5
50.5
49.5
49.5
50.5
50.0
49.0
49.5
48.5
49.5
50.0
49.5
岩石力学-影响岩石力学性质的主要因素
KW
1 2
（吸水率系数）；
n1 R1 1 为新鲜岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；
n2 R2 2 为风化岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率。
利用 K y 分级如下：
K y 0.1 Ky 0.1 ~ 0.35
Ky 0.35 ~ 0.65
Ky 0.65 ~ 0.90
Ky 0.90 ~ 1.00
三、加载速度对岩石力学性质的影响
做单轴压缩试验时施加荷载的速度对岩石的变形性质和 强度指标有明显影响。加载速率愈快，测得的弹性模量愈大； 反之，愈小。
ISRM（国际岩石力学学会）建议的加载速率为0.5～ 1MPa，一般从开始试验直至试件破坏的时间为5～10分钟。
四、围岩对岩石力学性质的影响
侧向压力（围压）对岩石的变形有很大的影响， 由三轴压缩试验可知：岩石的脆性和塑性并非岩石 固有的性质，它与受力状态有关，随着受力状态的 改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。
岩石的风化程度可以通过室内岩石物理力学 性质指标评定的方法，也可以用声波及超声波的 方法。
1964年以来，水电部成都勘察设计研究院科 研所提出用岩石风化程度系数（ Ky ）来评定岩石 的风化程度。
Ky
1 3
(
K
n
KR
Байду номын сангаас
KW
)
（1－46）
式中：
Kn
n1 n2
（孔隙率系数）
KR
R1 R2
（强度系数）
剧风化 强风化 弱风化 微风化 新鲜岩石
用上述分级法与地质上肉眼判断等级进 行对比，大多数是吻合的，所以采用以地质 定性评价为基础，再用定量分级加以补充， 可以消除认为的误差。
单轴压缩过程中岩石变形破坏机理
单轴压缩过程中岩石变形破坏机理摘要：岩石是地球表层的主要构成物质，其变形破坏机理是地质学、地球物理学、岩土力学等领域研究的重要内容之一。
本文主要围绕单轴压缩过程中岩石的变形和破坏机理进行探讨，从微观和宏观层面分析了岩石变形破坏的机理，对于加深对岩石力学性质的认识和岩体工程设计具有一定的指导意义。
关键词：单轴压缩；岩石变形；岩石破坏；机理一、引言岩石是地球表层的主要构成物质，其地质力学性质对于地质灾害防治、矿产资源勘探和开采、地下工程建设等具有重要意义。
岩石的变形和破坏是岩石力学研究的核心内容之一，而单轴压缩实验是岩石力学中最基本、最重要的实验之一，能够模拟岩石在地球内部受到的单向应力，揭示岩石的变形和破坏机理。
本文将围绕单轴压缩过程中岩石的变形和破坏机理进行探讨，从微观和宏观层面分析了岩石变形破坏的机理，对于加深对岩石力学性质的认识和岩体工程设计具有一定的指导意义。
二、单轴压缩实验概述单轴压缩实验是岩石力学中最基本、最重要的实验之一，其主要原理是使岩石试样在一个方向上受到单向压缩应力，从而模拟岩石在地球内部受到的单向应力。
实验中通常采用圆柱形或立方体的岩石试样，通过加压机施加压力，测量岩石试样的应变和应力变化，从而研究岩石的变形和破坏机理。
三、岩石变形机理岩石的变形是指岩石在受到外力作用下发生的形状和大小的变化，包括弹性变形和塑性变形两种形式。
岩石的破坏是指岩石在受到外力作用下失去原有的力学性质和稳定性，出现破裂和破碎的现象。
1. 岩石的弹性变形岩石的弹性变形是指岩石在受到外力作用下，能够在一定范围内恢复原有的形状和大小的变化。
在单轴压缩实验中，当岩石试样受到一定的压力时，岩石试样会发生弹性变形。
当压力撤离时，岩石试样会恢复原有的形状和大小。
2. 岩石的塑性变形岩石的塑性变形是指岩石在受到外力作用下，发生不可逆的形状和大小的变化。
在单轴压缩实验中，当岩石试样受到足够大的压力时，岩石试样会发生塑性变形。
简单分析岩石单轴压缩变形试验的影响因素
简单分析岩石单轴压缩变形试验的影响因素[摘要]：岩石力学是研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏的规律并在工程地质定性分析的基础上，定量地分析岩体稳定性的一门学科。
岩石变形的研究是岩石力学问题的重要内容之一，是公路、铁路等工程地质勘察中对岩石力学性质评论的必不可少的依据。
岩石单轴压缩试验是最通用的一种试验方法，因其原理较为简单，也较容易配附加的测量仪器，故至今广泛地应用于工程实践和各种科研工作中。
关键词：弹性模量泊松比影响因素1、序言岩石单轴压缩变形试验的目的是测定规则形状的岩石试样在单轴荷载作用下的纵向和横向的变形量，绘制相应的应力一应变曲线，从而求得弹性模量及泊松比。
本文主要通过对花岗岩和泥岩在弹性模量试验中的比对试验，初步分析了影响岩石压缩变形试验的主要因素，是室内岩石弹性模量试验的工作总结。
2、弹性模量的概念及其取值方法2.1弹性模量的概念弹性理论的基础，即应力（σ）与—应变（ε）的关系。
从这简单的线性关系中得知：应力与应变之比σ/ε=e就称为弹性模量[1]。
e值在物理意义上讲，系代表在压缩或拉伸时，材料对弹性变形的抵抗能力，但在力学意义上讲，它反映了岩石材料的坚硬程度。
2.2岩石弹性模量的取值方法岩石弹性模量的取值方法是根据国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会的《岩石力学试验建议方法》中来计算的。
主要是割线弹性模量e50及泊松比μ的取值方法。
在纵向应力一应变曲线上的原点与应力相应于极限抗压强度50%处的应力点的连线，其斜率为割线模量e50[1]，国内外规范多采用抗压强度50%时的变形量为基础。
大多数岩石这个应力水平下仍处于弹性范围内，很少出现微裂隙扩展现象，因此采用此应力点与原点连线斜率确点e50 。
泊松比μ（也称泊松系数），是指横向应变（εd）与纵向应变（εh）的比值，即μ=εd/εh [1]。
一般情况下，μ是采用抗压强度50%应力点上所对应的横向应变与纵向应变之比来计算。
单轴压缩过程中岩石变形破坏机理
单轴压缩过程中岩石变形破坏机理摘要：岩石的变形和破坏是地质工程中的重要问题，而单轴压缩试验是一种常用的研究岩石变形和破坏机理的方法。
本文通过对单轴压缩试验的分析，探讨了岩石在单轴压缩过程中的变形和破坏机理，以及影响岩石变形和破坏的因素。
关键词：单轴压缩试验，岩石变形，岩石破坏，机理，影响因素一、引言岩石的变形和破坏是地质工程中的重要问题，对于矿山、隧道、地下工程等工程项目的设计和施工具有重要的意义。
而单轴压缩试验是一种常用的研究岩石变形和破坏机理的方法。
本文主要通过对单轴压缩试验的分析，探讨了岩石在单轴压缩过程中的变形和破坏机理，以及影响岩石变形和破坏的因素。
二、单轴压缩试验单轴压缩试验是指将岩石样品置于试验机上，使其受到垂直于样品轴向的力，即压缩力，以研究岩石在压缩过程中的变形和破坏规律。
试验时，通常采用标准的试验设备和试验方法，如GB/T 23561-2009《岩石单轴压缩试验方法》。
在单轴压缩试验中，一般会对岩石样品施加不同的压力，以研究岩石的变形和破坏规律。
试验过程中，一般会记录下岩石样品的应力-应变曲线，以及岩石样品在不同应力下的变形和破坏状态，以便分析其变形和破坏机理。
三、岩石在单轴压缩过程中的变形和破坏机理1. 变形机理在单轴压缩试验中，岩石样品受到垂直于样品轴向的压缩力，从而发生变形。
岩石的变形机理主要有两种，即弹性变形和塑性变形。
弹性变形是指当岩石受到压力时，岩石会发生弹性变形，即变形后能够恢复原状的变形。
这种变形主要是由于岩石中的弹性模量和泊松比等物理性质所决定的。
当岩石受到的压力较小时，岩石主要发生弹性变形。
塑性变形是指当岩石受到较大的压力时，岩石会发生塑性变形，即变形后无法完全恢复原状的变形。
这种变形主要是由于岩石中的塑性模量和黏滞阻力等物理性质所决定的。
当岩石受到的压力较大时，岩石主要发生塑性变形。
2. 破坏机理在单轴压缩试验中，当岩石受到的压力超过其承载能力时，岩石就会发生破坏。
浅论如何消除岩石单轴抗压强度试验的影响因素
浅论如何消除岩石单轴抗压强度试验的影响因素作者：王磊来源：《环球人文地理·评论版》2015年第05期摘要：岩石单轴抗压强度指试件在无侧限条件下当受轴力作用破坏时试件的单位面积上所能承受的荷载。
开展岩石单轴抗压强度试验是为了明确洞室、巷道或建筑物的地基稳定性。
在岩石单轴抗压强度试验中，有一些内在和外界因素会对试验造成影响。
本文就此及如何消除岩石单轴抗压强度试验的影响因素作了浅论。
关键词：岩石单轴抗压尺寸形状加荷速率一、关于岩石抗压强度及岩石单轴抗压强度试验在岩石力学强度中，岩石抗压强度是最基本的指标之一。
在计算及评价洞室、巷道以及建筑物的地基稳定和选择建筑石材时，抗压强度是必须被考虑的一个必不可少的指标。
岩石单轴抗压强度指试件在无侧限条件下当受轴力作用破坏时试件的单位面积上所能承受的荷载。
为了明确洞室、巷道或建筑物的地基稳定性，需要开展岩石单轴抗压强度试验。
该试验是试件在单轴压力荷载下得出岩石的变形以及破裂状态的试验。
该实验的目的是测定岩石受压破坏时的极限应力值。
通过在室内对岩石进行单轴抗压强度试验能用肉眼能得到破损特性的资料，尤其能得到对岩石破坏程度的描述。
二、岩石单轴抗压强度试验的开展步骤在开展岩石单轴抗压强度试验时，需要按如下步骤操作：（一）制作试验试件。
试件必须被加工成规则形状，可用岩芯和岩块制成。
在选取及准备试件时，同种岩性每组试件最少得有三快。
对于试件的尺寸范围，其允许变化范围不超过5%，在试验时取其平均值。
（二）确定试样精度。
在确定精度时需要符合如下要求：第一，两端面的平行度会存在误差，但其最大误差不得超过0.05mm；第二，在试件的整个高度上，其直径误差不得超过0.3mm；第三，在进行试验时，试件端面应垂直于试件轴，其最大偏差不超过0.25度。
（三）描述。
用2%的游标卡尺对试件量测尺寸后，要对其进行描述，描述的内容包括试件的颜色、矿物含量、结构、构造裂隙或节理发育程度以及风化程度、胶结物的性质、定名、试件加工精度等。
单轴压缩岩石疲劳寿命影响因素试验分析_任建喜
１ 试验设备与试验方法
表 ２ 应力幅值对疲劳寿命的影响 Table 2 The influence of different stress amplitudes on fatigue life
试样 RG－1－1 RG－3－1 RG－4－1 上限应 力比 0.9 0.9 0.9 下限应 力比 0.3 0.4 0.5 幅值应 力比 0.6 0.5 0.4 加载 频率 /Hz 0.2 0.2 0.2 波形 正弦波 正弦波 正弦波 疲劳寿 命/次 30 174 629
1284 表 ３ 波形对疲劳寿命的影响
岩 土
工 程
学 报
2005 年
Table 3 The influence of different waveforms on fatigue life
试样 RS－8－1 RS－14－4 RS－12－4 上限应 力比 0.9 0.9 0.9 下限 应力 比 0.3 0.3 0.3 幅值 应力 比 0.6 0.6 0.6 加载频 率/Hz 0.2 0.2 0.2 波形 三角波 正弦波 方波 疲劳 寿命/ 次 567 488 410
由于试验机的刚度比较大，可以认为其始终工作 在弹性的范围之内，由虎克定律得 σ = Eε ， (10) 则试验机释放的弹性应变能
1 1σ2 W = σε = 2 2 E
。
(11)
在四分之一周期中，不同波形输出的情况下试验 机释放的弹性应变能如下： ð/ 2 ð/ 2 2 2 c2 sinð t c2 1σ ； (12) 正弦波 W2 = ∫ dt = ∫ dt = 2E 8E 0 2 E 0 三角波 W3 =
岩石的力学性质及其影响因素
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Tutuncn和Sharma在室内对饱和低渗透砂岩进行三轴应力 下的动、静态同步测试得出：Ed大于Es，纯砂岩中Ed与Es差 别大，而泥质砂岩差别较小。粉砂岩和泥岩动静态弹性模量 的转换系数为0.68，白云岩质的粉砂岩为0.73，灰岩和白云 岩为0.79。
第二页
对任何工程现象来说，只有将某些因素影响下的岩石力学 性质逐一进行研究，才能认识到哪些是主要影响因素，哪些是 次要因素。从而得出某些参数，建立岩石的本构方程 (constitutive equation )和破坏准则(failure criterion )，为进一步研究分析提供一定模式与依据。
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图3－1 准备岩心
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样品采集和岩石学审查
钻岩心 几何形状检验
端面切割 端面磨平
环境存放
样品包裹（围压实验）
实验
图3－2 制备岩样的程序
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图3－3 检查岩心的规则程度
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二、实验研究的基本方法
将岩石试件放置在常规压力机（load frame ）或刚性压力机 （ load frame stiffness ）上进行加载，其应变可以通过在试件 上粘贴应变片（strain gauge ），由电阻应变仪测定。
L
L L
E F A L L
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b.弹性常数与强度的确定
弹性模量国际岩石力学学会（ISRH）建议三种方法
初始模量
E0
d d
0
割线模量
c
E50 / 50
切线模量
极限强度 Et d / d 50
c
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影响岩石力学性质和岩石变形的因素(附图)
影响岩石力学性质和岩石变形的因素岩石的力学性质和岩石变形的因素:岩石内部因素如成分、结构和构造岩石所处外部环境温度、围压、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间的影响岩石的力学性质和岩石变形的因素不仅受岩石内部因素如成分、结构和构造的控制，而且受岩石所处外部环境如温度、围压、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间的影响。
一、岩石的成分、结构和构造不同成分的岩石，其抗压、抗张、抗剪强度相差很悬殊。
一般说来，含硬度大的颗粒矿物越多的岩石，强度越大，往往呈脆性变形，如石英砂岩、花岗岩等；含硬度小的片状矿物，尤其含具有滑感的鳞片状矿物越多的岩石，强度越小，往往呈韧性变形，如粘土岩、片岩等。
岩石中的化学性质不稳定的矿物和易溶于水的盐类（如黄铁矿、岩盐、石膏等）如果含量很高，也会降低岩石的强度。
碎屑岩中，颗粒细、棱角不明显、呈基底式胶结的岩石，往往强度较高；反之，并呈接触式胶结的岩石，强度就比较低。
具有层理，尤其是薄层状的沉积岩层，在侧向压力作用下，容易沿层理面滑动，形成褶皱构造；不具层理或呈巨厚层，容易产生断层。
孔隙或裂缝发育的岩层，强度往往会明显降低。
二、围压岩石的围压是指周围岩体对它施加的压力。
在地下深处岩石的围压，主要是由上覆岩石的重量所致，故常称为静岩压力。
（3-62）式中为静岩压力，为覆盖层的平均密度，为重力加速度，为岩石的埋深。
若以地壳中硅铝层岩石的平均比重为2.7计算，在地下10km深处的静岩压力可达2700kgf/cm2。
而在地表即使十分坚硬的花岗岩，其抗压强度也只有1480kgf/cm2，则在10km深处的岩石早该压的粉碎，但事实上并非如此，从地表普遍分布的褶皱构造来看，无疑是在地下发生的塑性变形，这足以说明地下深处围压对岩石变形的影响是十分明显的。
围压一方面增强了岩石的韧性；另一方面大大提高了岩石的强度极限，而弹性极限也有所增高。
王仁等于1981年对白云岩所作的压缩试验表明，在温度不变的情况下，白云岩的塑性变形随着围压的增加而明显增加（图3-39）。
关于岩石单轴抗压强度影响因素的分析
关于岩石单轴抗压强度影响因素的分析摘要：作为论述工程地质条件中不可缺少的资料之一，岩石单轴抗压强度值的测试看似简单，其影响因素却非常复杂，除试件本身性质外，还包含了从采样到加工和试验一系列的影响因素。
重点讨论了岩石结构构造及试验条件方面的因素，并提出了一些控制措施，使岩石单轴抗压强度值在实际工程应用中更真实可靠。
关键词：单轴抗压强度；结构构造；几何形状；加荷速率；端面条件随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，越来多的岩石力学问题呈现在我们面前，诸如高坝坝基岩变形及高层建筑地基岩体变形等等，要正确分析与评价就这些工程问题，需要我们对岩石的力学性质进行研究，而岩石的单轴抗压强度作为岩石最基本的力学性质之一，其研究意义也是不容忽视的。
主要从两个方面探讨了影响岩石单轴抗压强度这一重要力学参数的因素。
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问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。
尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究
[收稿日期]20221016[基金项目]国家自然科学基金项目 深水高温高压环境下钻井全过程井壁稳定评价方法 (51774050)㊂ [第一作者]李忠慧(1977),男,博士,教授,现主要从事岩石力学与钻完井工程等方面的研究工作,l i z h o n g h u i @y a n gt z e u .e d u .c n ㊂ *为共同第一作者李忠慧,李明涛,胡棚杰,等.尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究[J ].长江大学学报(自然科学版),2024,21(2):60-66.L I Z H ,L IM T ,HUPJ ,e t a l .S t u d y o n t h e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t o n r o c k u n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t [J ].J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ),2024,21(2):60-66.尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究李忠慧1,2,李明涛1,2*,胡棚杰1,2,刘剑1,2,孟凡奇1,21.油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学),湖北武汉4301002.长江大学石油工程学院;油气钻完井技术国家工程研究中心,湖北武汉430100[摘要]为探究尺寸效应对小尺寸岩样单轴压缩试验的影响规律,通过在室内伺服试验机上对直径25mm ,不同长度的花岗岩岩样进行单轴压缩试验,研究尺寸效应对小尺寸花岗岩岩石力学参数以及破坏形式的影响规律㊂试验结果表明,随着长径比增加,岩样表现出抗压强度和泊松比逐渐减小,弹性模量增加的趋势㊂其中,多项式模型较为适合小尺寸岩样尺寸效应强度模型;不同长径比岩样的单轴压缩试验应力应变曲线加载趋势不同,其峰值应变随着长径比的增加而减小;随着长径比的增加,岩石破坏形式从脆性剪切破坏转变为剪切破坏,最后逐步变为脆性破坏,岩样破坏面数量与角度出现规律性变化㊂当长径比在1.1~2.2时,岩样破坏形式遵循相同的破坏准则,通过拟合公式推导不同长径比岩样的力学参数存在可行性;岩石单轴试验破坏过程中的能量与长径比呈负相关,且当长径比在1.9~2.2时,各能量变化幅度趋于平缓,岩样破坏形式较为统一,其强度在数值上表现的差异性较小,可作为小尺寸岩样单轴试验的最佳长径比㊂[关键词]花岗岩;小尺寸岩样;尺寸效应;单轴抗压强度;破坏形式[中图分类号]T E 24[文献标志码]A [文章编号]16731409(2024)02006007S t u d y o n t h e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t o n r o c ku n i a x i a l c o m pr e s s i o n t e s t L I Z h o n g h u i 1,2,L IM i n g t a o 1,2*,HU P e n g j i e 1,2,L I UJ i a n 1,2,M E N GF a n qi 1,21.H u b e iK e y L a b o r a t o r y o fO i l a n dG a sD r i l l i n g a n dP r o d u c t i o nE n g i n e e r i n g (Y a n g t z eU n i v e r s i t y),W u h a n430100,H u b e i 2.S c h o o l o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ,Y a n g t z eU n i v e r s i t y ;N a t i o n a lE n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r f o rO i l &G a sD r i l l i n g a n dC o m pl e t i o n T e c h n o l o g y,W u h a n430100,H u b e i A b s t r a c t :I no r d e r t o e x p l o r e t h e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t o n t h eu n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t o f s m a l l -s i z e r o c ks a m pl e s ,t h eu n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t o f g r a n i t e r o c k s a m p l e sw i t hd i a m e t e r o f 25mma n d d i f f e r e n t l e n gt h sw a s c a r r i e d o u t o n t h e i n d o o r s e r v o t e s t i n g m a c h i n e t o s t u d y th e i n f l u e n c e o f s i z e e f f e c t o n t h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r s a n d f a i l u r em o d e s o f s m a l l -s i z e g r a n i t er o c k .T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f l e n g t h -d i a m e t e rr a t i o ,t h ec o m pr e s s i v e s t r e n g t ha n dP o i s s o n s r a t i o o f r o c k s a m p l e s d e c r e a s e g r a d u a l l y ,a n d t h e e l a s t i cm o d u l u s i n c r e a s e s .A m o n g t h e m ,t h e p o l y n o m i a lm o d e l i s m o r es u i t a b l ef o rt h es i z ee f f e c ts t r e n g t h m o d e lo fs m a l l s i z er o c ks a m pl e s ;t h es t r e s s -s t r a i n c u r v e s o f u n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t s o f r o c k s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t a s p e c t r a t i o s h a v e d i f f e r e n t l o a d i n g t r e n d s ,a n d t h e p e a ks t r a i nd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s e o f a s p e c t r a t i o .W i t h t h e i n c r e a s e o f a s p e c t r a t i o ,t h e f a i l u r em o d e o f r o c kc h a n g e s f r o mb r i t t l e s h e a r f a i l u r e t os h e a r f a i l u r e ,a n d f i n a l l yg r a d u a l l y b e c o m e sb r i t t l e f a i l u r e .T h en u m b e r a n da n g l eo f f a i l u r e s u r f a c e s o f r o c ks a m p l e sc h a n g er e g u l a r l y .W h e nt h ea s p e c t r a t i o i sb e t w e e n1.1a n d2.2,t h e f a i l u r e m o d eo f r o c k s a m p l e s f o l l o w s t h e s a m e f a i l u r e c r i t e r i o n ,a n d i t i s f e a s i b l e t o d e r i v e t h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f r o c k s a m p l e sw i t h d i f f e r e n t a s p e c t r a t i o s b y f i t t i n g f o r m u l a .T h e e n e r g y i n t h e f a i l u r e p r o c e s s o f r o c ku n i a x i a l t e s t i s n e g a t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h t h e a s p e c t r a t i o ,a n dw h e n t h e a s p e c t r a t i o i s b e t w e e n 1.9a n d 2.2,t h e c h a n g e r a n g e o f e a c h e n e r g y te n d s t ob e g e n t l e ,t h ef a i l u r e f o r mo f r o c k s a m p l e i s r e l a t i v e l y u n i f o r m ,a n d t h e d i f f e r e n c e o f i t s s t r e ng thi n v a l u e i s s m a l l ,w h i c h c a nb eu s e da s t h eb e s t a s p e c t r a t i oo f s m a l l s i z e r o c ks a m pl eu n i a x i a l t e s t .K e yw o r d s :g r a n i t e ;s m a l l s i z e r o c ks a m p l e ;s i z e e f f e c t ;u n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ;f a i l u r em o d e ㊃06㊃长江大学学报(自然科学版) 2024年第21卷第2期J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y (Na t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) 2024,V o l .21N o .2岩石的尺寸效应一直被国内外学者所关注,对产生尺寸效应的原因以及尺寸效应对岩石力学参数的影响规律做了大量研究㊂许多学者对产生岩石尺寸效应的影响因素存在不同看法,一些学者认为试验仪器与岩石端面之间的摩擦效应影响了岩石强度造成了岩石的尺寸效应㊂杨圣齐等[1]认为在直径一定时,岩样长度对岩石尺寸效应的影响是由岩样端面与钢性垫块之间的摩擦效应引起的,当长度改变时,岩样端部的摩擦效应改变了岩样端部的应力状态,从而影响了岩样的破坏形式和抗压强度;尤明庆等[2]通过在岩样端面添加柔性垫片的方法进行试验,认为端面的摩擦效应影响了岩石的单轴抗压强度㊂而另一部分学者则认为岩石的尺寸效应主要是岩石内部结构特征和岩样形状导致的;张明等[3]认为岩石强度尺寸效应的产生是由于岩石内部存在缺陷,岩石体积的变化导致岩样内部缺陷分布发生变化,从而影响了岩石的强度;朱其志等[4]认为对于均质性较好的细颗粒岩石,缩放岩样尺寸引起的体积效应不明显,尺寸效应主要表现为岩样高径比的影响㊂而针对岩石尺寸效应影响规律的研究,D A R L I N G T O N 等[5]通过试验证明了多种尺寸效应强度模型具备较好的预测结果,其中M F S L 模型的预测结果最好;L I A N G 等[6]通过试验发现岩样破坏模式与岩样尺寸和应变速率存在显著关系,并提出当应变速率在10-5~10-2s-1区间内的试验最佳长径比为2.5;孟庆彬等[7]则通过试验,探究了尺寸效应在不同应变速率条件下对岩样单轴压缩试验的影响规律,发现岩样的峰值强度与应变速率呈正相关,其应变速率越快,岩样的破坏形态越复杂;伍法权等[8]针对不同尺寸,同一长径比的岩石,利用C T 扫描技术,认为不同岩样中孔隙的大小形状和分布情况对岩石尺寸效应强度变化存在影响;王连山等[9]则分析了立方体岩样的尺寸效应,通过试验得到了不同高宽比岩样随着高度的增加,岩石单轴抗压强度表现出先减小后增大的规律;梁昌玉等[10]对中低应变率范围内花岗岩单轴试验的尺寸效应进行了研究,得到了在一定应变速率条件下不同尺寸试样的破坏规律,试样破坏形态满足劈裂锥型破裂剪切破裂的变化规律;唐伟等[11]利用P F C2D 模拟了不同围压下不同尺寸岩样的压缩试验,探究了围压对岩石尺寸效应的影响规律,得到了不同尺寸岩样的强度和峰值应变在相同围压区间内的增加基本相同的变化规律;平琦等[12]通过压缩试验得出了岩石动态压缩试验同样存在尺寸效应,发现不同长度的试样的应力应变曲线在不同长度区间内的形态变化不同,在长径比0.3~0.7区间内,试样的应力应变曲线形态变化很大,而当长径比大于0.7时,曲线大致形态较为一致;孟庆彬等[13]通过改变应变速率,分析了岩样在尺寸效应影响下的能量分布规律,得到了岩样能量与其高径比呈负相关的关系㊂另一方面,针对尺寸效应对岩石强度的影响规律,刘宝琛等[14]通过大量试验提出了不同直径的尺寸效应强度经验公式;杨圣齐等[1]在刘宝琛公式的基础上通过改变试样长度的单轴压缩试验提出了大理石尺寸效应的强度模型;靖洪文等[15]利用P F C 数值模拟出不同长径比的单轴强度,利用杨圣齐提出的理论公式进行回归分析也得出了较好的拟合效果;耿永明[16]则利用试验和数值模拟的方法得到了直径50mm 岩样压缩试验的最佳长径比为2.5~3.0㊂上述针对岩石的尺寸效应研究,国内外学者已经做出了许多成果,但关于小尺寸岩样尺寸效应的研究较少㊂因花岗岩岩石本身性质较为稳定,并无明显缺陷,对试验结果影响较小㊂鉴于此,笔者通过室内试验研究了尺寸效应对直径为25mm 的小尺寸岩样的常规单轴压缩试验的影响规律,确定了在一定长径比区间内岩石单轴抗压强度模型,探究了尺寸效应对花岗岩岩石力学参数及破坏形式的影响规律,确定了小尺寸岩样单轴实验的最佳长径比㊂1 试验样品及试验结果试验岩样采自山东省新泰市古潜山地层露头岩石,所有试验岩样取自同一块岩样,采用线切割岩石切割机和切磨机进行加工㊂为探究尺寸效应对试验结果的影响规律,将露头岩样制成直径为25mm ,长度为30~60m m 的圆柱形试样(见图1),其长径比在1.0~2.4之间,端面平整度误差不超过0.05m m ,试样两端直径偏差不大于0.2mm ,轴线垂直度偏差不超过0.25ʎ㊂试验设备采用T AW -2000微机电液伺服岩石三轴试验机,该装置可实现岩石单轴抗压试验㊂通过压力机对岩样按50N /s 的加载速率施加压力,并安装轴向㊁径向传感器,测量岩石的轴向㊁径向应变,㊃16㊃第21卷第2期李忠慧等:尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究图1 不同长度的花岗岩露头试样F i g .1G r a n i t e o u t c r o p s a m p l e s o f d i f f e r e n t l e n g t h s 得出试样的单轴抗压强度㊁弹性模量及泊松比㊂开展露头岩样不同长径比的单轴压缩试验,共33组㊂2 试验结果分析2.1 尺寸效应对岩石强度的影响规律岩石尺寸效应最直接的体现就是岩石的抗压强度,为研究岩样单轴抗压强度与岩样尺寸之间的关系,根据试验结果,绘制长径比与单轴抗压强度的散点图,如图2所示㊂可以看出,岩石单轴强度随着长径比的增加而减小,在区间1.1~1.9之间,岩石强度快速下降,且下降速度逐渐减小,当长径比增加至1.9时,岩样强度变化率逐渐趋于平缓,在长径比1.9~2.2之间,岩样强度变化大致在一个较为稳定的区间内㊂当长径比大于2.2后,岩石单轴强度变化规律表现出发散的趋势㊂而根据实验结果绘制的单轴应力应变曲线如图3所示,曲线共分为4个阶段:压实阶段㊁弹性阶段㊁塑性阶段㊁破坏后阶段,其峰值应 图2 不同长径比试样单轴抗压强度F i g .2 U n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f s a m pl e s w i t hd i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 变和破坏后阶段可以明显看出岩样具有一定的脆性㊂同时,随着岩样长径比的增加,试样单轴抗压强度减小,其应力应变曲线的峰值应变也随之减小,曲线弹性阶段的斜率逐渐增大,根据弹性模量的定义,表现出弹性模量随长径比增加而增大的规律㊂为探究岩石强度与尺寸效应的具体关系,建立岩石长径比与单轴强度的关系式,经调研适合尺寸效应强度模型主要有2种类型,一种是反比例函数模型,另一种是多项式模型㊂其中反比例函数模型有2种:一种是尤明庆等[2]采用的大理石试样长度L 对单轴抗压强度的关系式:σL =σS a +b L /D æèçöø÷(1) 图3 不同长径比(L /D )单轴试验应力-应变曲线 F i g .3 S t r e s s -s t r a i n c u r v e s o f u n i a x i a l t e s t sw i t h d i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 式中:σL 为单轴压缩下任意长径比岩样的强度;σS 为长径比为2的试样强度;L /D 为岩样的长径比;a 和b均为岩石材料常数㊂另一种是杨圣齐等[1]提出的大理石岩石材料尺寸效应的指数模型:F 0=F 2e x p a +b L /D æèçöø÷(2)式中:F 0为单轴压缩下任意长径比岩样的力学参数;F 2为标准岩样的力学参数㊂而多项式模型针对非均质性较强的岩样具有较好的拟合效果㊂σB =a ㊃L D æèçöø÷2+b ㊃L D æèçöø÷+c(3)㊃26㊃长江大学学报(自然科学版)2024年3月式中:σB 为单轴压缩下任意长径比岩样的力学参数㊂将处理后的试验结果,通过式(1)㊁式(2)和式(3)分别进行拟合,得出花岗岩露头不同长径比的单轴抗压强度关系式,式中U C S 为单轴抗压强度㊂模型一拟合结果:U C S =-0.32+270.44L /D æèçöø÷ R 2=0.9076(4)模型二拟合结果:U C S =e x p 3.858+1.57L /D æèçöø÷ R 2=0.9142(5)模型三拟合结果:U C S =73.70㊃L D æèçöø÷2-322.55㊃L D æèçöø÷+469.35 R 2=0.9393(6) 图4 拟合不同长径比单轴抗压强度结果 F i g .4 F i t t i n g u n i a x i a l s t r e n gt h r e s u l t sw i t h d i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 从拟合结果(见图4)来看,三种模型拟合情况相似,相关系数较高㊂但在强度变化趋势上有所不同,在长径比小于1.9时,三种模型变化趋势相近,与实际试验数据较为贴近㊂当长径比大于1.9后,各模型的变化趋势发生改变,模型一和模型二还保持着较为明显的下降趋势,模型三则是变化较为平缓,在区间1.9~2.2之间,模型三的拟合结果与试验数据具备更高的相似性㊂故模型三即二次多项式模型针对小尺寸岩样强度模型在长径比1.1~2.2区间内具有较高的适用性,而当长径比大于2.2时,岩石强度变化较为分散,其拟合结果较差,无法用单一曲线表示㊂2.2 尺寸效应对岩石弹性模量、泊松比的影响根据试验结果绘制散点图,并采用单轴强度尺寸模型即多项式模型进行拟合,通过拟合得出不同长径比花岗岩的弹性模量E ㊁泊松比ε的关系式,如图5㊁图6所示㊂E =-12.897㊃L D æèçöø÷2+59.846㊃L D æèçöø÷-32.086 R 2=0.8735(7) ε=0.0159㊃L D æèçöø÷2-0.1034㊃L D æèçöø÷+0.3647 R 2=0.808(8)由图5㊁图6可知,试样弹性模量随着长径比的增大而增大,泊松比则随着长径比的增大而减小,两者的变化规律较为明显,弹性模量的增长速率随着长径比的增加逐渐减小,而泊松比则维持着相对稳定的衰减速率㊂当长径比从1.1增加至2.4时,弹性模量增加约100%,泊松比减小约26%,岩样的力学参数受到尺寸效应的影响较为明显㊂3 尺寸效应对岩石能量及破坏形式的影响分析3.1 尺寸效应对岩石能量积聚耗散的影响规律分析假设单位体积的岩体单元在外力作用下产生变形的整个物理过程与外界没有热交换,即岩石加载变形破坏过程是一个封闭系统,则外力共所产生的总输入能量为U ,根据热力学第一定律可得[17]: U =U s +U c (9)式中:U 为试验机对岩样所做的功,即岩样所输入的总能量,J /c m 3;U c 为岩样单元体中所储存的弹性应变能,J /c m 3;U s 为岩样受载荷变形破坏过程中单位体积的耗散能,J /c m 3㊂㊃36㊃第21卷第2期李忠慧等:尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究图5 拟合不同长径比弹性模量结果 图6 拟合不同长径比泊松比结果F i g .5 F i t t i n g r e s u l t s o f e l a s t i cm o d u l u s o f F i g .6 F i t t i n g Po i s s o n ’s r a t i o r e s u l t sw i t h d i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s d i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 在单轴试验中,总输入能量即为岩样破坏前应力应变曲线的总面积,可表示为: U =ʏσ1d ε1(10)式中:σ1为岩石峰值应力,M P a ;ε1为主应变,mm /mm ㊂基于可释放能量的岩体整体破坏准则,对于单轴试验,弹性应变能U c 可表示为[17]: U c =12σ1ε1=σ212E(11)根据试验结果及应力应变曲线,采用式(9)~(11)计算求得单轴压缩试验岩样变形破坏过程中的各能量数值,绘制不同长径比岩样的能量散点图,如图7所示㊂图7 不同长径比岩样各能量散点图F i g .7 T h e e n e r g y s c a t t e r p l o t s o f r o c k s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 由图7可知,岩样在试验过程中吸收的总能量㊁弹性应变能及耗散能均随着长径比的增加而减小,呈现负相关的关系,且其减小幅度随长径比的增加也在随之减小㊂当长径比在1.9~2.2时,试验过程中各能量的变化幅度均保持在较低的水平,并且其强度变化幅度也较为稳定,在数值上表现的差异性较小㊂而当长径比大于2.2时,耗散能的变化规律趋于分散㊂耗散能低且变化规律较为平缓证明了小尺寸岩样长径比在1.9~2.2时,其强度变化较为稳定的原因,同时也得出了小尺寸岩石单轴压缩试验的最佳长径比在1.9~2.2㊂3.2 尺寸效应对岩石破坏形式的影响分析受到尺寸效应的影响,岩样的破坏形式也有所不同㊂随着试样长度不断增加,较短试样的破坏形式外观类似于劈裂破坏,但岩样内部仍存在剪切破坏面,当长径比增加至1.6~2.2时,岩样破坏形式发生改变,破坏面数量减少,主要为单斜面剪切破坏或多斜面交叉剪切破坏㊂当长径比增加至2.2~2.4时,岩样破坏形式以劈裂为主,与主应力方向几乎平行㊂㊃46㊃长江大学学报(自然科学版)2024年3月图8 不同长径比岩样破坏形态F i g .8 F a i l u r em o r p h o l o g y o f r o c k s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t l e n gt h -d i a m e t e r r a t i o s 如图8所示,岩样主破坏面的角度出现规律性变化,呈现出随岩样长度增加而减小的趋势㊂在岩样较短的情况下,岩样受压破坏主要以脆性剪切破坏为主㊂随着长度增加,破坏面角度逐渐减小,破坏形态转变为剪切破坏㊂而当长径比增加至2.4时,岩样破坏面几乎垂直,表现为脆性破坏㊂其原因一方面是受到岩样尺寸的影响,当岩样较短时,应力分布较为均匀,随着长度的增加,岩样中部应力区逐渐从三维应力状态向一维应力状态转移㊂另一方面是由于岩石内部存在缺陷及裂缝,随着长度的增加,岩石内部的不均匀性被放大,在压缩过程中形成破坏弱面㊂而当长度增加至一定值时,岩样受到压力作用,岩样内部形成的 弱面 分布复杂化,表现为脆性破坏,岩样破坏面的角度也随之减小㊂从能量分布上分析,耗散能随长径比的增加而减小,即表示岩样破坏面造成的摩擦热能减小,侧面反映出岩样破坏面数量和面积减小㊂当长径比在1.9~2.2时,由于尺寸效应造成的应力分布变化使得岩样破坏形式从复杂化的脆性剪切破坏逐渐转变为剪切破坏,较为稳定的破坏形式与能量耗散使得岩样强度保持在相对稳定的区间内㊂从不同长径比的岩样破坏形式来看,岩样受到尺寸效应的影响,岩样应力分布的改变使得破坏形式与能量耗散出现变化,但在长径比为1.1~2.2时,岩样破坏始终存在主要剪切破坏面,表明岩样在一定长径比内,岩样破坏始终符合岩石的破坏准则,即在一定长径比区间内,岩石力学参数与破坏形态受到尺寸效应的影响,但岩石破坏准则并未发生改变,通过拟合公式计算出不同长径比岩样的力学参数存在可行性㊂4 结论1)尺寸效应对小尺寸岩样单轴抗压强度的影响规律与前人总结出的规律大致相同,随着长径比的增加,岩样强度减小,采用二次多项式函数模型拟合得到的不同长径比强度模型相关程度较高,对小尺寸岩样不同长径比单轴强度拟合具有一定的适用性㊂2)随着长径比的增加,岩样弹性模量增加和泊松比减小的变化趋势较为稳定㊂根据其应力应变曲线,随着长径比增加,岩样强度与其峰值应变都随之减小,岩样的长度增加使得岩样的破坏极限应变增加㊂3)岩样破裂形式受到岩样长径比和岩样内部缺陷的影响㊂随着长径比的增加,岩石破坏形式从脆性剪切破坏转变为剪切破坏,最后逐步变为脆性破坏㊂岩样破坏面角度表现出随长径比增加而减小的趋势,破坏面数量则是先减小后增加的趋势㊂在长径比为1.1~2.2区间内,岩石力学参数与破坏形态受到尺寸效应的影响,但岩石破坏准则并未发生改变,通过拟合公式计算出不同长径比岩样的力学参数存在可行性㊂4)根据直径为25m m 不同长度岩样的单轴压缩试验,根据其能量分布规律,当长径比在1.9~2.2时,各能量的变化幅度都较为平缓,且岩样的破坏形式较为统一,其强度在数值上表现的差异性较小,㊃56㊃第21卷第2期李忠慧等:尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究㊃66㊃长江大学学报(自然科学版)2024年3月故小尺寸岩样单轴压缩试验最佳长径比为1.9~2.2,在一定程度上能弥补试验误差㊂参考文献:[1]杨圣奇,苏承东,徐卫亚.岩石材料尺寸效应的试验和理论研究[J].工程力学,2005,22(4):112-118.Y A N GSQ,S UCD,X U W Y.E x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l s t u d y o n s i z e e f f e c t o f r o c km a t e r i a l s[J].E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s,2005(4): 112-118.[2]尤明庆,苏承东.大理岩试样的长度对单轴压缩试验的影响[J].岩石力学与工程学报,2004,23(22):3754-3760.Y O U M Q,S U CD.I n f l u e n c e o f l e n g t ho fm a r b l e s a m p l eo nu n i a x i a 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岩石抗压强度和抗剪强度
岩石抗压强度和抗剪强度岩石作为地壳的主要构成物质之一，在地质力学中扮演着重要的角色。
岩石的抗压强度和抗剪强度是衡量其抵抗外力作用的关键因素。
本文将分别从抗压强度和抗剪强度的定义、测定方法、影响因素以及在工程实践中的应用等方面进行阐述。
首先，岩石的抗压强度是指岩石能够抵抗垂直于其断面方向的压缩力的能力。
抗压强度的测定方法主要包括单轴压缩试验和三轴压缩试验。
在单轴压缩试验中，岩石试样受到垂直压缩力，并在断裂前进行应力-应变曲线的测定，通过弹性阶段的斜率和抗压破坏阶段的最大荷载值来计算抗压强度。
而三轴压缩试验则更接近实际的地下应力条件，通过在试样的周围施加水压和压缩力，测定岩石的抗压强度。
其次，岩石的抗剪强度是指岩石抵抗切变应力的能力。
岩石的抗剪强度测量方法主要有直剪试验、剪切强度试验和倾斜剪切试验等。
直剪试验是最简单的一种方法，将岩石试样分成两个相等的部分并以一定的速度施加切割力，通过测量岩石断裂面上的剪切应力和切割面上的平均正常应力来计算抗剪强度。
抗压强度和抗剪强度受多种因素影响。
首先是岩石的岩性，不同类型的岩石具有不同的抗压强度和抗剪强度。
例如，花岗岩具有较高的抗压强度和抗剪强度，而砂岩则较低。
其次是岩石的物理性质，如岩石的密度、孔隙率和韧性等。
密度越大、孔隙率越低、韧性越高的岩石往往具有较高的抗压强度和抗剪强度。
此外，岩石的应力状态也会对其抗压强度和抗剪强度产生影响，例如方向性加载会导致不同方向上的强度差异。
抗压强度和抗剪强度在工程实践中有着重要的应用。
工程师需要了解岩石的抗压强度和抗剪强度以评估岩石的可靠性和稳定性，以便进行合理的勘察、设计和施工。
例如，在地下工程中，确定地下岩体的抗压强度和抗剪强度可以确定合适的支护结构和施工方法，对工程质量和人员安全起到至关重要的作用。
综上所述，岩石的抗压强度和抗剪强度是地质工程中的重要性能指标。
深入理解和测定岩石的抗压强度和抗剪强度对于进行岩土工程设计和施工具有重要的指导意义。
岩石单轴压缩端部效应对受力状态的影响
岩石单轴压缩端部效应对受力状态的影响王玉凯;杨捷;匡汉;庞博【摘要】为研究单轴压缩试验中端部效应对试件内部受力状态的影响,以新阳煤矿山西组中粒砂岩为例,基于广义胡克定律,分别推导了有无端部效应2种情况下试件内部单元体的受力状态.基于FLAC3D数值模拟软件,通过改变接触面参数,分析了端部效应对岩石试件受力状态的影响.研究表明:①端面效应使试件端部侧向应力从无到有,试件中心应力最大,离中心越远,应力越小,试件边缘处应力最小;②端面效应使试件端部侧向应变减小,试件中心应变最小,离中心越远,应变越大,试件边缘处应变最大;③侧向应力应变的变化规律使轴截面的等值线基本呈三角形分布.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P117-120)【关键词】单轴压缩;端部效应;受力状态;广义胡克定律;数值模拟;应力;应变【作者】王玉凯;杨捷;匡汉;庞博【作者单位】中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院【正文语种】中文岩石单轴压缩试验是土工试验中最常用、最基本的试验之一[1]。
通过测量试件的应力、应变等相关参数，可对岩石的承载力、本构关系等力学性质进行分析。
端部效应是指当岩石试样在加载过程中的变形与承压板的变形比例不一致时，试件端部便会产生摩擦力，限制试样的端部变形，从而影响试件的应力分布等力学性质的现象[2-5]。
尽管大量学者对减少端部效应的措施进行了深入研究，但并未实现完全避免端部效应[6-8]。
为此，本研究通过理论推导，分析端部效应对试件端部单元体应力应变的影响，并运用FLAC3D软件分别模拟端面粗糙和端面光滑时的情况进行验证，从理论上对端部效应对试件本构关系的影响进行探讨。
1.1 本构模型岩石是典型的脆性材料，实验室用于进行单轴压缩试验的岩石试块不包含岩体节理裂隙，可认为是均匀、连续、具有各向同性的材料，因此其本构关系服从广义胡克定律。
影响岩石变形的因素
岩石变形 行为
第一节 影响岩石力学性质因素
一、岩石力学性质：指处于一定 物理环境条件下，在应力作用
下弹性、非弹的表现和破裂方式。
R=f(F、M、E) 其中，F：代表力的状态 M：代表岩石物理学性质、成分、结构
E：代表外界因素
二 岩 石 各 向 异 性 对 其 力 学 性 质 的 影 响
三、外界因素的影响
（一）围压 （二）温度 （三）溶液 （四）
27MPa
44.5MPa
围压
对岩石变形 行为的影响
增大岩石强度 增大岩石韧性
几 种 岩 石 韧 性 与
围 压
的 关 系
岩 石 屈 服 强 度 与
围 压
的 关 系
小结：增大围压的效应
• 破裂前的差异应力增大； • 破裂前的应变量增大。 • 韧性增大，强度增大。
思考
一、应力椭球体与应变椭 球体的关系是什么?
二、最大剪应力作用面与 实际剪切面为什么常常不 一致？
思考
三、影响岩石变形的物理因素有 那些?时间在岩石变形中的意义何 在?你知道吗?过泥潭时为什么要 快速通过?冰川下坚硬的砾石为什 么能变形?
四、自然界岩石具有那些弹性表 象和塑性表象？举例说明。
五、下图为二维应力摩尔圆图解。（1）请将 上述五种图解所反映的应力状态，用主应力 （σ1，σ2）之间的相互关系和文字表述出 来；（2）简述上述各种应力状态最可能形成 的构造变形类型
（五）扩散蠕变
扩散蠕变是指变形过程中由岩石或矿物 中的点缺陷（空位、杂质等）和质点 （离子、原子）的扩散和运动引起应变 作用过程。空位和原子迁移有两种途径： 一种是沿颗粒内部晶格迁移；另一种是 沿颗粒净界迁移。
六、溶解蠕变
试验五岩石单轴压缩试验
实验五岩石单轴压缩实验一.实验目的岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。
通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。
二.实验设备、仪器和材料1. 钻石机、锯石机、磨石机；2•游标卡尺，精度0.02mm；3•直角尺、水平检测台、百分表及百分表架；4. YE-600型液压材料试验机；5. JN-16型静态电阻应变仪；6. 电阻应变片（BX-120型）；7•胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。
三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mnr K50 mnr K 100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。
2. 加工精度：a平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。
检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。
b直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。
c轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。
检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。
3. 试样数量：每种状态下试样的数量一般不少于3个。
4. 含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1〜2 d,以保持-岩石单轴抗压强度测定结果填入表 5-1四•电阻应变片的粘贴1. 阻值检查：要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电 阻值一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超过 0.5Q 。
2. 位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部， 纵向、横向应变片排列采用 T ”形，尽可能避开裂隙，节理 等弱面。
3. 粘贴工艺：试样表面清洗处理 -涂胶一贴电阻应变片 -固化处理一焊接导线一防潮处理。
影响岩石抗压原因分析
抗压强度的影响因素大体可分两类：其一是岩石本身的因素，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）；其二是实验方法与物理环境的影响，如：试件尺寸、形状、试件加工情况、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）。
1、内在因素内在因素之一：矿物成分一般岩石中如含有较高的石英、长石、辉石等矿物，则岩石的抗压强度相对提高。
反之，岩石中含有较多强度较低的云母、高岭土、绿泥石、滑石、叶腊石等，则岩石的抗压强度相对降低。
内在因素之二：岩石内部结构例如，岩浆岩，由石英颗粒组成骨架，强度很大；但疏松砂岩中，石英颗粒也很多，但它们之间并无直接接触，因此石英颗粒的存在并没有使疏松砂岩强度增大。
内在因素之三：岩石中的胶结物岩石中的胶结物以硅质胶结物强度最高。
其次是铁质、钙质胶结物，而泥质胶结物强度最低。
内在因素之四：岩石中的水若有水的渗入促进胶结软化，可使岩石强度显著降低。
内在因素之五：岩石中颗粒的大小（grain size ）颗粒的大小也影响岩石强度，细粒岩石其强度往往大于粗粒岩石，内在因素之六：岩石的容重内在因素之七：岩石的孔隙岩石孔隙度对抗压强度影响很大，随着岩石孔隙度增大而抗压强度显著下降。
若孔隙中含有水会导致岩石强度进一步下降，内在因素之八：岩石的的结构构造一般垂直层理方向的抗压强度大于平行层理方向的抗压强度。
这是因为层面间粘结较差，当平行层理方向施加压力时，则沿层理面容易裂开。
故顺层理方向抗压强度较低。
2、外在因素外在因素之一：实验方法实验方法对岩石抗压强度影响也很显著，将制备的试件直接放在压力机下加载，试件端部表面产生不均匀分布的应力（应力集中stress concentration ），如图4-5所示。
外在因素之二：端面效应由于在单轴压缩下试件中应力分布的复杂性，决定了破坏实验时，岩石破坏类型有张性破裂、剪切破裂及对顶锥性破裂三种。
外在因素之三：试件的形状及大小(specimen shape and size)岩石试件的形状及大小均对岩石强度有一定影响。
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浅析岩石单轴压缩变形试验的影响因素
在实际工作中，由于对岩石力学性质评论是公路、铁路等工程地质勘察不可或缺的要素，因此采取岩石单轴压缩试验这种最通用的试验方法，研究岩石变形，成为岩石力学问题的重要内容之一，这也对实际工程施工原料选择起到一定的参考作用。
这个问题的研究由于操作起來比较方便，理论基础比较明显，所以被广泛应用于工程实践和各种科研工作中。
作者试图按照这个理论的思路，简单分析岩石单轴压缩变形试验的影响因素，进而为相关科研和实际工程施工提供一些有参考价值的东西。
标签：岩石；单轴压缩变形；影响
引言
岩石单轴压缩变形试验是检验岩石抗压承载力的一种试验，属于物理试验的范畴。
文章中提出的试验模型主要是用花岗岩、泥岩两种规则形状的岩石作为试样，用单轴荷载来进行压力作用，来测定其纵向和横向的变形量，进而形成相应的应力—应变曲线，得出弹性模量及泊松比。
作者以花岗岩和泥岩两种岩石为试验样本，采取弹性模量试验对两种岩石的受力变形等情况进行对比和分析，来具体总结影响岩石压缩变形试验的主要因素有哪些。
1 弹性模量的概念及其取值方法
1.1 弹性模量的概念
弹性理论是以应力、应变的线性关系为基础的一种理论，其中应力与应变之比就是弹性模量，从力学角度来看它表示岩石材料的坚硬程度，更具体地来说是指岩石材料在压缩或拉伸时，材料对弹性变形的抵抗能力，这是在本类试验中应用的重要基础理论和概念。
1.2 岩石弹性模量的取值方法
根据国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会的《岩石力学试验建议方法》，岩石弹性模量的取值方法主要是割线弹性模量及泊松比的取值方法，以抗压强度50%时的变形量为基础，在纵向应力—应变曲线上的原点与应力相应于极限抗压强度50%处的应力点的连线，其斜率为割线模量，横向应变与纵向应变的比值就是泊松比。
一般来说，在实际工作中，大多数岩石这个应力水平下仍处于弹性范围内，很少出现细微裂缝扩展乃至断裂破碎等现象。
2 影响岩石弹性模量的主要因素
2.1 构成岩石的矿物及岩石物理性质的影响
岩石是矿物的物理形态之一，是由一种或几种造岩矿物按一定方式结合的天然集合体。
岩石弹性模量的大小，主要受到矿物的硬度分布形式、结晶方式以及孔隙大小和分布方向等多种因素的影响。
举例说明它在这方面的特性，即岩石的质地越坚硬，矿物分布越均匀，孔隙越小，其岩石的抗压强度就越大，其弹性模量就越小，泊松比就愈小。
文章主要以花岗岩及泥岩两种不同岩性的岩石为例，作为本次试验的试样，来分析这两种不同岩性的岩石对弹性模量试验的各种影响关系。
2.1.1 花岗岩的岩性在弹性模量试验中的作用
本试验的样品采用广州市轨道交通四号线折返线详勘工程中的一块花岗岩，试验人员将其制成天然状态下的三块标准试件进行弹性模量试验，试验品的样编号为MDZ3-HHD2-7Y，其取样深度为地下20.6～21.50m。
通过实验可以得出，由于花岗岩这类岩石虽然岩质较为致密，含晶质粒状结构，孔隙率也较小，块状构造，花岗岩的变形模量越大，其泊松比越小。
但是试验样品的构成质地存在一些不确定因素，具体地说就是含有一些影响试验结果的成分，组成花岗岩的岩石矿物不仅含有一定量的黑色云母，而且由于集合嵌布在微结晶中，具有这些排列方向不规则的片状晶体以及部分非结晶的二氧化硅。
加之有些长石又具有一定的节理面，花岗岩的抗压荷载能力直接受到这些岩石矿物的特性及岩性的影响，使试样结构面产生压密的作用，发生了不可复原的塑性变形，从而影响弹性模量试验的取值。
2.1.2 泥岩的岩性在弹性模量试验中的作用
本试验以一块粉沙质泥岩作为采用的样品，试验人员将其制成天然状态下的三块标准试件。
通过试验证明，由于泥岩和花岗岩两类不同岩性的岩石矿物成分、层理结构与构造以及相关的物理性质各有不同，泥岩的主要成分是粘土矿物，质地细密而土质松软，孔隙较大，层理节理面较多，这些因素直接影响其抗压破坏荷载值的大小，可以看出泥岩弹性模量的数值明显低于花岗岩，泥岩抗压强度值明显低于花岗岩的抗压强度值，花岗岩的弹性模量值明显大于泥岩的弹性模量值，而花岗岩的泊松比值应小于泥岩的泊松比值。
2.2 电阻应变片粘贴的影响
2.2.1 对于砾石类的较坚硬的岩石，岩石矿物的结构为砾粒或较硬的晶体及斑晶，有些裂隙不仅在试样的表面同时也在人们肉眼不能察觉的岩石内部，如果试验时电阻应变片正好粘贴在内部裂隙的表面，在变形试验过程中，这些内部裂隙及外部砾粒等使样品的容易形成剪切破坏，其抗压强度值会明显偏低，直接影响弹性模量的取值和测试数据的准确性，使测试结果有所偏差。
因此，在一般的实验室弹模试验中，砾岩类较坚硬的岩石不采用电阻应变仪方法进行变行试验，而是采用千分表法。
2.2.2 对于泥质岩，泥灰岩等泥质岩石，其在天然状态下较为湿潮，样品表面含有较多水分，质地较为松散，孔隙较大，这种情况下电阻应变片的粘贴较为
不易，容易造成电阻应变片粘贴不牢而脱落，直接影响实验数据的准确性。
因此，这类岩石样品试验前应进行防潮处理，再进行电阻应变片的粘贴。
2.3 试样不同状态的影响
同一组岩石，其在天然含水状态，饱和状态风干状态下的抗压强度值都有所不同，一般情况下，岩石的风干状态的抗压强度值>饱和状态抗压强度值>天然含水状态抗压强度值。
在压缩变形试验中，其割线模量又是按照抗压强度值的50%的变形量作为基础来确定的，因此岩石在不同的试验状态下对压缩变形的结果也会产生一定的影响。
3 结论
不同岩石矿物及物理性质的岩石在弹性模量试验中数据有明显差异，其弹性模量与泊松比相互影响。
花岗岩的抗压强度值越大，其变形模量越大，其泊松反而越小；泥岩抗压强度值明显低于花岗岩的抗压强度值，花岗岩的弹性模量值一般情况下明显大于泥岩的弹性模量值，弹性模量值越大，其泊松比值反而越来越小，花岗岩的泊松比值应小于泥岩的泊松比值。
对于砾岩类较坚硬的岩石不建议采用电阻应变仪方法进行弹模试验，而应采用千分表法。
对于泥质岩，泥灰岩等泥质岩石试验前应进行防潮处理，再进行电阻应变片的粘贴，确保数据的准确性。
试样的不同状态（天然、饱和、风干）也会对压缩变形的结果产生影响。
4 结束语
岩石单轴压缩变形试验是一个实用意义非常强的试验，同时也容易受到试样等一些因素的影响。
通过采用花岗岩、泥岩两种试样来进行这个试验，需要一系列科学的理论依据和方法，试验结论可以反映两种岩石的物理特性，同时通过两种岩石的物理特性也可以分析影响这个试验的一些重要因素是什么。
此外，通过试验，我们可以了解到不同状态的同一种岩石作为试样，也会对试验结果产生影响。
如何在合理的条件下进行这种试验，使之与实际施工条件相吻合，将对交通道路灯工程的施工产生一定的积极作用。
参考文献
[1]工程地质试验手册[M].北京：中国铁道出版社，1995.
[2]DY-94岩石物理力学性质试验规程[S].
[3]GB/T50266-99工程岩体试验方法标准[S].。