岩石单轴压缩试验是岩石力学特性测试的基本试验之一,岩样加工精度影响岩石试验测试结果,主要包括端面不平行、端面与轴线垂直度和直径误差,端面不平行度包括顶面凸起、存在凹槽和局部翘起,端面与轴线垂直度则指端面与轴线存在倾斜情况。开发了用于测量圆柱形岩石试件几何缺陷的检测仪器,通过岩石单轴压缩试验和数值模拟研究了岩石试件几何缺陷对其力学特性的影响。主要研究内容如下:(1)基于激光位移传感器研发了圆柱形岩石试件几何缺陷检测仪。设计了仪器的主要测量原理,介绍了设计的过程,设计了仪器的硬件部分包括单片机控制系统、动力驱动系统、仪器支架模型的建立和加工。根据仪器的检测原理,推导了计算平整度和垂直度的算法,并编写了相应程序,继而开发了配套的控制和数据处理程序。(2)进行了含几何缺陷岩石试件的单轴压缩试验。设计加工了5组含缺陷的岩石试件组,即:顶面中间凸起、顶面偏心凸起、局部翘起、顶面凹槽、倾斜试件。对加工的岩石试件组进行单轴压缩试验,并用声发射技术进行岩石破坏过程监测,得到了含缺陷岩石试件单轴压缩的声发射特征。单轴压缩试验结果表明:顶面中间凸起缺陷对岩石强度的影响较大,其平均单轴抗压强度为标准岩石的64%,而偏心凸起缺陷对岩石的单轴抗压强度的削弱更明显,其平均抗压强度为标准岩石的33.8%,凸起试件组的破坏形式受凸起影响较大,主要表现为凸起部分形成楔入体造成试件开裂破坏;局部翘起试件组平均抗压强度与标准岩石组较为接近,破坏形式与标准岩石较为相似,顶面翘起角度较大时,顶面破坏形成的滑移面有向顶面较低一侧倾覆的趋势;顶面凹槽试件组,在试验时顶面和压力机压头之间未涂抹润滑油,顶面形成环向的箍力,顶面凹槽附近未发生破坏;倾斜试件组平均单轴抗压强度为标准岩石强度的93.3%,倾斜角度较小时破坏形式和标准岩石相似,倾角较大时,岩石破坏后中间部分形成一个较大的楔入体,延伸到底面,两个破裂面呈“V”字形。单轴压缩试验中声发射检测到的数据显示:岩石在临近破坏时,声发射事件产生较为密集。(3)基于RFPA3D软件进行了含缺陷岩样的数值模拟,建立了含缺陷岩样模型,荷载通过加载盖板传递以模拟实际加载板,设计了端面不平行度的3种典型形式:端面单点凸起(中心或偏心)、端面存在凹槽和端面单侧翘起,对于端面与轴线垂直度设计了不同倾斜角度岩样。数值模拟表明:端面存在中心凸起时,凸起部分形成一个密实核,凸起较高时则呈现楔入效应,偏心凸起时岩样呈现偏心剪切破坏特征。端面单侧翘起时,在翘起侧出现应力集中而产生局部破坏。端面存在凹槽时,岩样端面应力发生转移,凹槽直径较大时,凹槽两侧出现应力集中。