岩石物理力学性质试验

岩石物理力学性质试验是研究岩石在自然状态及受力条件下行为特性的基础，其结果直接服务于地质勘察、工程设计与灾害评估。

这类试验通过定量测量岩石的物理属性（如密度、含水率、孔隙特征）和力学响应（如强度、变形、破坏模式），为地下工程（隧道、矿井）、地基基础、边坡治理等提供关键参数。

试验的核心是模拟岩石在自然界或工程环境中的受力状态与环境条件，揭示其内在特性与外在表现的关联。

一、岩石物理性质试验

1. 密度与含水率相关试验

颗粒密度与块体密度：颗粒密度（比重）通过比重瓶法测定，反映岩石固体矿物的真实密度；

块体密度则考虑岩石孔隙，通过蜡封法或量积法测量，用于计算岩石自重及地基承载力。

含水率试验：基于烘干减重法，测定岩石中水分占比，影响岩石强度与体积稳定性（如黏土岩含水率升高易崩解）。

2. 孔隙与渗透特性试验

孔隙率试验：通过测量岩石干燥前后在水中的质量差，计算孔隙体积占比，反映岩石致密程度（如砂岩孔隙率高则渗透性强）。

渗透试验：利用达西定律，在水压差下测量水通过岩石的流量，评估地下水渗透对工程的影响（如隧道涌水风险）。

3. 吸水性与膨胀性试验

吸水性试验：将岩石浸入水中，测量一定时间内的吸水量，用于评估岩石遇水软化特性（如页岩吸水后强度显著下降）。

膨胀性试验：针对含蒙脱石等黏土矿物的岩石，测定其在水中的体积膨胀率，防止路基或地基因膨胀产生开裂。

二、岩石力学性质试验

1. 强度特性试验

单轴抗压强度试验：将圆柱形岩样（直径 50mm，高 100mm）置于压力机中轴向加载至破坏，获得岩石抵抗压缩的最大应力，是评估岩石坚硬程度的核心指标（如花岗岩抗压强度可达 100MPa 以上，页岩仅 10~30MPa）。

三轴压缩试验：在围压（模拟地层侧向压力）条件下施加轴向压力，更真实反映地下岩石受力状态，用于计算岩石的抗剪强度参数（内摩擦角与黏聚力）。

抗剪强度试验：通过直接剪切仪对岩样施加法向压力和剪切力，测定岩石沿剪切面的抗剪强度，是边坡稳定性分析的关键参数（如滑坡面抗剪强度不足会引发滑动）。

抗拉强度试验：采用劈裂法（巴西试验），通过对圆盘状岩样施加径向压力使其沿直径方向拉裂，间接测量岩石抗拉能力（岩石抗拉强度通常仅为抗压强度的 1/10~1/50）。

2. 变形特性试验

弹性模量与泊松比测定：在单轴或三轴加载过程中，通过应变片测量岩样的轴向与横向变形，计算应力 - 应变曲线的斜率（弹性模量）及横向应变与轴向应变的比值（泊松比），反映岩石的弹性变形能力（如玄武岩弹性模量大，受力变形小）。

3. 硬度与耐磨性试验

点载荷强度试验：通过点载荷仪对不规则岩样施加集中荷载，评估岩石的相对硬度，适用于现场快速测试（如勘探中初步划分岩石等级）。

耐磨性试验：利用耐磨试验机让岩样与磨料摩擦，测量磨耗量，用于评估岩石作为路面或隧道衬砌材料的耐久性（如石英含量高的岩石耐磨性强）。

三、试验关键要点与影响因素

样品代表性：岩石具有非均质性，取样需覆盖不同岩性、风化程度及结构面（如节理、裂隙），避免因样品偏差导致结果失真。

试验条件控制：

加载速率：单轴抗压试验中，加载过快会使岩石表现出更高强度（惯性效应），通常控制在 0.5~1.0MPa/s。

环境因素：渗透试验需控制水温与水压稳定，含水率试验需避免烘干时矿物分解（如含石膏岩石需低温烘干）。

数据可靠性：同一岩样需进行 3 次以上平行试验，取平均值并分析离散性，必要时结合统计方法（如概率分布）评估结果可信度。

四、工程应用场景

地下工程设计：通过单轴抗压强度与弹性模量确定隧道支护形式（如硬岩可采用喷锚支护，软岩需钢拱架加固）；

渗透试验数据用于预测隧道涌水量，制定排水方案。

地基基础选型：块体密度与抗压强度决定岩石地基的承载力，高压缩性软岩需进行地基处理（如换填或注浆）。

边坡与滑坡治理：抗剪强度参数用于计算边坡安全系数，结合含水率与膨胀性数据设计排水系统及抗滑结构（如抗滑桩、锚杆）。

建材与资源开发：耐磨性与硬度试验指导岩石作为建筑骨料（如混凝土用砂）或矿石加工的适用性，密度与含水率影响资源储量计算（如煤炭发热量与含水率负相关）。