岩石建筑材料力学性能测试中的单轴抗压强度试验方法解析

单轴抗压强度是衡量岩石建筑材料承载能力的核心指标，直接决定其在基坑支护、隧道衬砌、路基填筑等工程中的适用性。作为岩石力学性能测试的基础试验，单轴抗压强度试验的规范性、准确性不仅影响材料选型，更关系到工程结构的安全稳定性。本文结合《建筑石材试验方法》（GB/T 9966.1-2020）等标准，从试验准备、试样制备到操作流程、数据处理，系统解析单轴抗压强度试验的关键环节与注意事项。

单轴抗压强度试验的基本原理与适用范围

单轴抗压强度试验的核心是“无侧限轴向加载”——在不给试样施加侧向约束的条件下，沿轴向缓慢施加压力，直至试样破坏，此时的极限荷载与试样承压面积的比值，即为单轴抗压强度（记为σ_c）。这一指标直接反映岩石在单向受压状态下的抗破坏能力，是建筑工程中选择岩石材料的“硬指标”——比如基坑支护用的锚杆注浆体，若锚固体周围岩石的单轴抗压强度低于10MPa，就需要增大锚杆间距或改用高强度材料。

并非所有岩石都适合做单轴抗压试验。根据标准，试验适用于致密、均匀的硬质岩石（如花岗岩、石灰岩、大理岩）和中等硬度岩石（如砂岩、板岩）；对于极软岩（如泥炭岩、风化严重的页岩）或裂隙发育的岩石，试样易在制备或加载过程中破碎，难以得到稳定结果，通常需改用点荷载试验或三轴压缩试验。

试样制备的标准化要求

试样尺寸与形状是结果准确的基础。标准规定，常用试样为圆柱体（直径50mm，高100-150mm，高径比2-3）或正方体（边长50mm）。非标准尺寸试样需转换为等效强度（查标准附录）。比如直径60mm的圆柱体试样，需用转换系数0.95将结果换算为50mm标准试样的强度。

试样平整度与垂直度要求严格。端面平面度误差≤0.05mm——用平尺紧贴端面，0.05mm塞尺无法插入即为合格；侧面垂直度误差≤0.25°。不少试验人员手工打磨试样，易导致平面度超标，使结果偏低10%-15%，正确做法是用金刚石磨床加工。

试样干燥需“恒重”。天然含水量低的岩石（如花岗岩）可自然干燥72小时；含水量高的岩石（如黏土岩）需在105-110℃烘箱中烘干，每隔2小时称重，直至两次差值≤0.1%。跳过干燥步骤会使结果低20%以上，因水分降低了岩石内聚力。

试样数量需足够。每组至少3个，推荐5个。若某试样结果与平均值偏差超15%，需剔除。比如5个试样结果为120、118、100、122、115MPa，平均值115MPa，100MPa偏差13%（未超15%），可保留；若有90MPa（偏差21.7%），则剔除。

试验设备的选择与调试要点

压力试验机需量程匹配。最大量程应为预估破坏荷载的1.5-3倍。比如预估某岩石强度100MPa，试样面积1963mm²（Φ50mm），破坏荷载约196kN，选300kN或500kN试验机最合适；用1000kN机因量程过大，小荷载测量误差增加。

承压板需高强度。用40Cr合金钢，表面硬度≥HRC45，平面度≤0.02mm。若承压板有划痕，会导致接触面积减小，结果偏高，需重新研磨。

设备调试不能省。试验前校准力值（误差≤1%）、调平承压板（水平度≤0.02mm）、空载运行检查卡顿。比如用标准测力仪校准力值，若试验机显示100kN时，测力仪显示98kN，误差2%，需调整至误差≤1%。

试验操作的关键流程

试样安装需“定心”。用圆心定位器确保试样中心与加载中心重合，避免偏心加载（结果低10%-20%）。安装后轻轻按压上承压板，若试样能自由转动，说明定位正确。

预压消除间隙。预压荷载取预估破坏荷载的5%-10%，保持1-2分钟。比如预估破坏荷载200kN，预压10-20kN，避免正式加载时“突加载”导致结果偏差。

加载速度需稳定。硬岩0.5-1.0MPa/s，软岩0.05-0.5MPa/s。比如硬岩加载速度1.0MPa/s，试样面积1963mm²，每秒需增加荷载1.57kN（1.0×1963）。速度过快会使结果高20%-30%，因试样来不及变形。

记录破坏形态。柱状劈裂（脆性大、抗拉低）、锥形破坏（中等硬度）、压碎破坏（软岩）。破坏面与轴向夹角45°左右说明加载均匀；偏向一侧说明偏心。

数据处理与结果计算

强度计算公式：σ_c=P/A（P为极限荷载N，A为承压面积mm²，结果MPa）。比如极限荷载196kN（196000N），面积1963mm²，σ_c=196000/1963≈99.8MPa，保留一位小数。

平均值计算需剔除异常值。比如5个结果100、105、90、102、103MPa，平均值100MPa，90MPa偏差10%（未超15%），可保留；若有85MPa（偏差15%），需剔除，用剩下4个计算。

常见问题与规避方法

偏心加载：因安装不对或承压板不水平，结果低10%-20%。解决：用定位器或调平承压板，确保中心重合。

加载过快：结果高20%-30%。解决：用秒表校准——比如1.0MPa/s速度，10秒需增加15.7kN（1.57kN/s×10），不符则调整。

端面不平整：局部应力集中，结果低。解决：磨床加工，用0.05mm塞尺检查。

数量不足：结果无代表性。解决：至少3个试样，补做至合格。比如2个试样结果异常，需补做3个，再计算平均值。