点荷载试验确定岩石强度指标的效果分析_杨帆

（ 3）
kp = 0. 7540 + 0. 0058D ， D ≥ 55 mm ，
（ 4）
式中，Is （ 50） 为经尺寸修正后的点荷载强度指数（ MPa） ； Is（ D） 为直径 D 的未经尺寸修正的荷载强度指标
值（ MPa） ； kp 为修正系数； D 加荷点间距（ mm） 。
Is（ 50） 与岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度的经验公式分别为：
2 试验分析
2. 1 点荷载强度换算值计算
若试样破坏时的点荷载为 P，两加荷点间距 D（ 即试
样厚度） 为试样宽度，是取试样上宽和下宽的平均值，加
荷点的间距 D 在 30 ～ 50 mm，D 与垂直加荷轴的最小宽 度 W 之比应为 0. 3 ～ 1. 0，接触点距试件自由端的距离 不小于加荷点间距 D 的 0. 5 倍，且长度 L 与 D 之比不小
岩石点荷载强度试验方法是布鲁克（ E. Broch） 和弗兰克林（ J. A Franklin） 1972 年发明的［5-6］，同年 国际岩石力学学会试验方法委员会建议采用，1985 年又对该方法进行了修正［7］。试验是将岩石试样置 于上下两个圆锥状压板之间，对试样施加集中荷载，直至其破坏，然后求得岩石的点荷载强度指数，再通 过经验系数确定岩石的抗压强度值［8-9］。在加载点周围岩石所受的力接近压应力，但在距加载点一定距 离以外的范围内，岩石受到了垂直加载轴方向的弹性拉应力。随着载荷进一步的作用，裂隙可在一定范 围内产生，并自然地发展，直到它们与弹性拉应力区连接后，岩石在拉应力作用下发生劈裂，即在点荷载 作用下整个试件中承受了拉应力和压应力［10］。
长期以来，国内外广泛以岩石的单轴抗压强度作为岩石分类的基础，并用以评价岩石工程地质特 性和岩体质量等［1］，其中岩石坚硬程度作为主要评价指标，主要包括岩石单轴饱和抗压强度（ Rc ） 、弹 性模量（ Er ） 、回弹值（ r ） 等。在这些力学指标中，单轴抗压强度因代表性强，且与其他强度指标相关 性好，同时又能反映岩石受水软化性质而在工程中使用最广泛［2］。但由于室内荷载试验费时费工，制 备试样困难，成本昂贵，所做试验数量少，往往受到诸多条件的限制而难以实施［3］。点荷载试验是一种 快速、轻便、经济的现场试验方法，在岩土工程实践中，当无条件取得实测 Rc 值时，可采用现场实测的 岩石点荷载强度指数 IS 的换算值［4］。
岩石名称
石英片岩 云母片岩
矽卡岩 大理岩
表 1 岩石室内物理力学性质试验结果 Tab. 1 List of rock indoor physical mechanic property test result
密度 / （ g·cm － 3 ） 2. 79 2. 60 3. 01 2. 83
力学参数 抗压强度 / MPa
本文在岩石单轴抗压强度试验的基础上，对同工况（ 相同含水率、温度条件） 下岩石样本进行点荷 载试验，对所得点荷载换算强度结果进行比较分析，认为在一定数值范围内确定强度指标时，点荷载试
收稿日期： 2012-09-29； 修订日期： 2012-12-12 基金项目： 云南省自然科学基金资助项目（ 2009ZC020M） 通讯联系人： 谢永利（ 1961-） ，男，山西芮城人，长安大学教授，博士生导师； E-mail： glxx@ chd． edu． cn。
图 1 STDZ-3 型数显点荷载仪 Fig. 1 The type of STDZ-3 number display
point load instrument
于 1. 0［11］，则点荷载试验强度指标用 Is （ index of strength） 表示为［12-13］：
Is
=
P D2
。
（ 1）
48. 05 39. 4 73. 67 60. 10
抗拉强度 / MPa 3. 54 4. 05 10. 58 3. 64
泊松比 0. 094 0. 175 0. 271 0. 142
样号 E970 E980 E990 E1010 E1020 E1040 E1050 E1070 E1100 平均
表 2 东帮点荷载单轴抗压强度测试结果 Tab. 2 East side point load uniaxial compressive strength test result
第1 期
杨 帆等： 点荷载试验确定岩石强度指标的效果分析
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验对软岩 Rc 进行替代时情况较复杂，有待进一步论证研究，对硬岩 Rc 替代具有一定的代表性。经工程 实践检验认为，采用点荷载试验方法获得的岩石坚硬程度定量指标，在一定条件下应用在岩体质量评 价、岩体强度分析等方面是可行的。
1 点荷载试验概况
MPa
大理岩强度 115. 96 91. 84 57. 23 49. 77 — 40. 25 33. 46 64. 75
第1 期
杨 帆等： 点荷载试验确定岩石强度指标的效果分析
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样号 N930 N1000 N1010 N1050 N1060 N1070 N1080 N1090 N1120 平均
剥离表土后裸露软岩主要包括石英片岩、云母片岩，且表现出强风化、松散、破碎等性状。基岩主要 为大理岩、矽卡岩，其强度较大。对于现场岩体进行取样、制样难以获得单轴抗压强度试验所要求的圆 柱体试样（ 软岩成型条件较差，硬岩切割困难） ，在这种试验条件下，为获得岩石抗压强度指标，采用点 荷载法进行测定。
采用图 1 所示 STDZ － 3 型点荷载仪测定，经统计分 析后得到岩石的单轴抗压强度 Rc ，点荷载法测定 Rc 值。 此方法的特点： ①试验成本低、时间短、试样要求较低，在 现场可直接提供试验数据； ②已有相应的规范可直接应 用于点荷载方法测定岩石试样强度； ③点荷载试验所需 样本量较大，在数据统计方法上还未统一，虽然与室内抗 压强度试验在结果上有着趋向性的关系，但在量化指标 上还需进一步分析论证。
杨 帆，谢永利Biblioteka Baidu
（ 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）
摘要： 为合理、有效地确定岩石强度指标，区别于常规室内试验获得岩石单轴抗压强度 Rc 的方法，对不同风化 程度及岩性的几种岩石，采用岩石点荷载试验获得点荷载强度指数 Is（ 50） ，经换算后得到岩石等效的单轴抗 压、抗拉强度指标。通过试验分析认为该指标适用于 Rc ＞ 60 MPa 的坚硬岩石，证明采用点荷载指标换算值 获得的岩石强度指标可较好地应用于岩石坚硬程度划分、岩体质量分级、区域地质调查及岩体强度分析等方
σc = 24Is（ 50） ，
σt = 0. 96Is（ 50） 。
2. 2 试验计算结果与分析
表 1 为几种岩石取样后经室内物理力学试验获得的相关力学参数的结果。在相同取样条件下，现
场对所取岩石样本（ Rc ＞ 5 MPa） 采用点荷载试验，由式（ 2） 获得的点荷载强度指标，经换算得到的岩石 单轴抗压强度的平均值［14］如表 2 ～ 4。
面。
关键词： 岩石强度指标； 单轴抗压强度； 岩体； 点荷载试验； 岩体分级
中图分类号： TU45
文献标识码： A
Determination of the rock strength with point load test
YANG Fan，XIE Yong-li
（ School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China）
试验现场在一山坡型露天矿内，采场内剥采水平标高 930 ～ 1 180 m，逐级形成台阶式边坡，在每级 边坡进行岩石取样。根据岩石岩性和节理特性，在场区内 3 个方位即东帮、西帮、北帮，从标高 930 m 到 1 100 m，每 10 m 为一平台进行取样。取样时应尽量避免破坏岩块的原有属性而造成其内部结构损坏。 现场可采用地质锤直接敲取试样，或是直接捡取在场区内边坡上剥离下的岩石试样，再对试样进行稍加 修整即可使用。目测选取岩块的高宽比应控制在 0. 8 ～ 1. 4 的范围内，每种岩性在每一平台采样点采集 15 ～ 20 块试样。
第 38 卷 第 1 期 2013 年 2 月
广西大学学报： 自然科学版 Journal of Guangxi University： Nat Sci Ed
文章编号： 1001-7445（ 2013） 01-0138-06
Vol． 38 No． 1 Feb． 2013
点荷载试验确定岩石强度指标的效果分析
云母片岩强度 60. 17 55. 23 47. 36 43. 18 38. 24 36. 57 35. 07 21. 35 13. 24
石英片岩强度 126. 51 68. 08 — 65. 14 53. 59 52. 84 43. 25 39. 18 35. 67
矽卡岩强度 135. 05 114. 24 — 94. 55 82. 53 70. 87 58. 33 57. 27 50. 44
为获得具有可比性、统一的点荷载强度值，规定采用在 D = 50 mm 岩心上进行径向试验所测得的值
作为岩样经尺寸修正后的点荷载强度指数，用 Is（ 50） 表示，其与 Is（ D） 关系表示为：
Is（ 50） = kp ·Is（ D） ，
（ 2）
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广西大学学报： 自然科学版
第 38 卷
kp = 0. 2717 + 0. 01457D ， D ≤ 55 mm ，
Abstract： In order to determine the rock strength in a reasonable and effective way，considering the rocks of different weathering degrees and lithology，a point load test instead of the conventional indoor test for rock uniaxial compressive strength was adopted，and the equivalent uniaxial compressive and tensile strength after conversion was obtained． The experimental analysis verified that the strength index is applicable to the hard rock with strength larger than 60 MPa，demonstrating that the rock strength index given by the equivalent value of the point load index can be used to identify the rock hardness，rock mass，regional geology and rock strength． Key words： index of rock strength； uniaxial compression strength； rock mass； rock point load test； classification of rock mass
云母片岩强度 34. 24 29. 08 25. 91 24. 58 21. 79 16. 09 — 25. 28
石英片岩强度 79. 89 — 77. 05 46. 78 38. 54 36. 20 34. 46 52. 15
矽卡岩强度 105. 65 98. 90 91. 57 86. 76 72. 34 63. 59 52. 01 81. 55
38. 93
60. 53
82. 91
MPa
大理岩强度 128. 21 107. 36 48. 29 45. 38 — 38. 80 31. 17 28. 84 24. 43 56. 56
样号 W980 W990 W1000 W1010 W1020 W1090 W1100 平均
表 3 西帮点荷载单轴抗压强度测试结果 Tab. 3 West side point load uniaxial compressive strength test result