点载荷检测概述

点载荷检测是一种广泛应用于岩石力学、地质工程、采矿工程及建筑材料领域的简易、快速测定岩石或类似脆性材料强度的试验方法。其核心原理是在两个球状或圆锥状的点状加载头之间对规则或不规则岩块试样施加集中载荷，直至试样发生破坏。通过测定破坏时的载荷值和试样的几何尺寸，计算得到点载荷强度指数（Is），该指数是表征岩石强度特性的重要参数。相较于传统的单轴抗压强度试验，点载荷检测具有设备轻便、试样制备简单（甚至可直接使用不规则岩块或岩芯）、测试速度快、成本低廉等显著优势，尤其适合于现场快速评价和大批量样本的初步筛选，为工程岩体质量分级、稳定性评估及建筑材料质量控制提供关键数据支撑。

检测项目

点载荷检测的核心项目是测定材料的点载荷强度指数（Is）。此外，基于Is值，通常还可以进行以下重要的换算和评价：

• 点载荷强度指数 (Is)：这是最基本的测试结果，计算公式为 Is = P / De²，其中 P 为试样破坏时的载荷（通常以 kN 或 N 计），De 为等效岩芯直径（以 mm 计）。对于规则岩芯试样，De 即为加载点间距；对于不规则岩块试样，De = 2√(A/π)，A 为加载点截面面积。
• 估算单轴抗压强度 (UCS)：点载荷强度指数 Is 与岩石单轴抗压强度 (UCS) 之间存在显著的统计相关性。通过大量试验建立的转换关系（通常 UCS = k * Is，其中 k 为转换系数，范围通常在 20 到 25 之间），可利用点载荷测试结果快速估算岩石的 UCS 值。
• 岩石各向异性指数：通过在不同方向（如平行于层理/片理、垂直于层理/片理）对同一岩性试样进行点载荷测试，比较其 Is 值，可以评价岩石强度的各向异性程度。
• 岩体质量初步分级依据：Is 值常作为岩体风化程度、完整性和强度等级划分的初步指标。

检测仪器

进行点载荷检测的核心设备是点载荷试验仪。其主要组成部分包括：

• 加载框架：通常为便携式结构，由高强度合金钢制成，提供足够的刚度和稳定性承受测试过程中的载荷。框架常设计为“C”型或柱塞式。
• 加载系统：
  • 手动/液压加载装置：小型便携式仪器常为手动螺旋加载或小型液压泵加载；大型或固定式仪器则配备液压伺服系统。
  • 荷载传感器：高精度传感器（如应变片式或压力传感器）用于实时测量施加在试样上的破坏载荷（P）。量程需覆盖预期测试材料的强度范围。
• 加载头：
  • 形状：标准的加载头为圆锥形（锥角60°）或球形（半径5mm, 15mm等）。圆锥头应用更广泛。
  • 材质：硬化合金钢（如碳化钨），具有极高的硬度和耐磨性，确保加载点不易变形或损坏。
  • 活动性：一个加载头通常固定，另一个加载头可沿加载轴线移动。
• 测量系统：
  • 间距测量装置：精确测量加载点间距（D）或等效直径（De）的工具，如游标卡尺、位移传感器等。
  • 位移计（可选）：测量加载过程中的位移，用于研究岩石的变形特性。
• 数据采集与显示单元：现代点载荷仪通常配备电子读数装置或连接电脑的数据采集系统，实时显示载荷-位移曲线，自动记录峰值载荷（P），并可进行数据存储和后续分析。

根据便携性和应用场景，点载荷仪可分为便携式（现场用）和台式（实验室用）两大类。

检测方法

标准化的点载荷检测流程如下：

1. 试样准备：
   • 试样类型： 可使用岩芯（径向、轴向）、方块体或不规则岩块。
   • 尺寸要求： 加载点间距 (D) 建议在 30mm 至 85mm 之间（常用 50mm）。不规则岩块的尺寸应使加载点间距在合适范围，且加载点截面处厚度不小于间距。
   • 形态要求： 试样两端加载面应大致平行。对于不规则岩块，应选择能稳定放置且近似锥体或柱体的部位。避免使用有明显缺陷（大裂隙、孔洞）的试样。
   • 数量： 同一组岩性建议测试至少10个有效试样，以保证统计可靠性。
2. 试样测量： 精确测量加载点间距（D）。对于不规则岩块，需测量加载点处垂直于加载轴的截面的宽度（W）和厚度（T），计算加载点截面积（A = W * T）和等效直径（De = 2√(A/π)）。
3. 试样放置： 将试样稳定地放置在仪器的两个加载头之间，确保加载点位于试样的预定位置，且加载方向（对岩芯）或加载面（对不规则岩块）符合要求。
4. 加载测试：
   • 启动加载装置，以恒定速率（通常为0.05-0.1mm/s）施加压力。
   • 持续加载直至试样发生破坏（通常伴随明显的脆性破裂声和载荷骤降）。
   • 记录试样破坏时的峰值载荷（P）。
   • 对于不规则岩块，需记录破坏面的形态（是否贯穿加载点）。
5. 破坏模式观察： 检查试样破坏模式是否有效（通常应为贯穿两加载点的张拉破裂）。非有效破坏模式（如沿结构面剪切破坏、只压碎一个加载点附近）的数据应舍弃。
6. 数据计算： 根据记录的峰值载荷（P）和等效直径（De），计算点载荷强度指数 Is = P / De²。对同组有效试验结果剔除异常值后，计算平均值作为该岩样的点载荷强度指数代表值。
7. 估算UCS： 根据需要，利用经验公式（如 UCS = k * Is(50)）估算岩石的单轴抗压强度。其中 Is(50) 指的是当量尺寸为50mm时的点载荷强度指数（可通过尺寸修正公式将不同De测得的Is换算到De=50mm）。

检测标准

点载荷检测的操作、计算和结果应用需遵循相关的国际或国家标准，以确保数据的可靠性、可比性和准确性。国际上广泛采用的标准有：

• ASTM D5731 - 16: 《Standard Test Method for Determination of the Point Load Strength Index of Rock and Application to Rock Strength Classifications》 - 这是美国材料与试验协会的标准，详细规定了试样要求、试验程序、计算方法和结果报告内容，是国际上最常用的标准之一。
• ISO 22309:2011: 《Geotechnical investigation and testing - Identification and classification of rock - Part 9: Rock material tests - Point load test》 - 国际标准化组织的标准，为岩土工程调查和岩石分类中的点载荷试验提供规范。

中国国家标准和行业标准包括：

• GB/T 50266 - 2013: 《工程岩体试验方法标准》 - 该国家标准在其第4章“岩石物理力学性质试验”中包含了点荷载试验方法，对试样制备、试验步骤、计算和结果整理提出了具体要求。
• JTG E41 - 2005: 《公路工程岩石试验规程》 - 交通运输行业标准，其中也包含了点荷载试验方法，为公路工程领域的岩石强度评价提供依据。

关键标准要求小结：

• 试样尺寸和形态：

  检测机构资质证书

  

  CMA认证

  检验检测机构资质认定证书

  证书编号：241520345370

  有效期至：2030年4月15日

  

  CNAS认可

  实验室认可证书

  证书编号：CNAS L22006

  有效期至：2030年12月1日

  

  ISO认证

  质量管理体系认证证书

  证书编号：ISO9001-2024001

  有效期至：2027年12月31日