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。

3、影响岩石弹性模量的主要因素

3.1构成岩石的矿物及岩石物理性质的影响

岩石是矿物的天然集合体。大多数岩石是由一种或几种造岩矿物按一定方式结合

而成，其中矿物的硬度分布形式、结晶方式以及孔隙大小和分布方向直接影响到岩石弹性模量的大小。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。本试验主要分析花岗岩及泥岩两种不同岩性的岩石在弹性模量试验中的影响关系。

3.1.1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。样编号为mdz3-hhd2-7y，其取样深度为地下20.6～21.50m。现制成天然状态下的三块标准试件进行弹性模量试验，其试验结果见表1。由表1可见，花岗岩的变形模量越大，其泊松比越小，原因是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，但是组成花岗岩的岩石矿物集合嵌布在微结晶中，有些还含有黑色云母，这些片状晶体以及部分非结晶的二氧华硅的排列方向都是不规则的，其中有些长石又具有一定的节理面，这些岩石矿物的特性及岩性直接影响花岗岩的抗压荷载能力，使试样结构面产生压密作用而发生塑性变形，从而影响弹性模量的取值。

3.1.2泥岩的岩性在弹性模量试验中的作用

本试验中采用的样品是一块粉沙质泥岩，制成天然状态下的三块标准试件进行弹模试验，其试验结果见表1。由表1及表2可以看出，泥岩弹性模量的数值明显低于花岗岩，这是由两类不同岩性的岩石矿物成份、层理结构与构造以及相关的物理性质各有不同影响决定的。泥岩这类岩石矿物构成份主要为粘土矿物，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。泥岩抗压强度值明显低于花岗岩的抗压强度值。弹性模量的取值又是采用岩石单轴抗压强度50%所对应的应力值与纵向应变的比值采确定的。因此，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，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。泥岩及花岗岩的弹性系数的对比关系见表2。

表1

试件状态

（天然状态） 泥岩（4.92*9.22）cm 花岗岩（4.90*9.23）cm

破坏荷载（kn） 变形模量e50（mpa） 泊松比

（μ） 破坏荷载（kn） 变形模量e50（mpa） 泊松比

（μ）

试件1 24.4 4.06×103 0.23 227.5 5.69×104 0.27

试件2 40.8 4.37×103 0.24 290 6.76×104 0.28

试件3 29.2 4.78×103 0.24 259 6.80×104 0.25

表2

岩石名称 抗压强度（mpa） 弹性模量e50 泊松比（μ）

花岗岩 75～110

120～180

180～200 1.4～5.6

5.43～6.69 0.36～0.16

0.16～0.10

0.10～0.02

泥岩 3.5～20

40～60 0.38～2.1 0.30～0.20

3.2电阻应变片粘贴的影响

3.2.1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]。

3.2.2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份，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。

3.3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[3]，因比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。

4.结论

4.1不同岩石矿物及其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。

42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