岩石力学性质试验

岩石力学性质试验一、岩石单轴抗压强度试验1.1 概述当无侧限岩石试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。不同含水状态的试样均可按本规定进行测定，试样的含水状态用以下方法处理：（1 ）烘干状态的试样，在 105110 0C 下烘 24h。（2 ）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度的 1/4，然后每隔 2h 分别升高水面至试样的 1/3 和 1/2 处，6h 后全部浸没试样，试样在水下自由吸水 48h；采用煮沸法饱和试样时，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于 6h。1.2 试样备制（1 ）试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不允许有人为裂隙出现。按规程要求标准试件为圆柱体，直径为 5cm，允许变化范围为 4.85.2cm。高度为 10cm，允许变化范围为 9.510.5cm 。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:12.5:1。（2 ）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备 3 个。（3 ）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过 0.3mm。两端面的不平行度最大不超过 0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过 0.25 度。1.3 试样 描述试验前的描述，应包括如下内容：（1 ）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。（2 ）节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。（3 ）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。1.4 主要 仪 器设备1.4.1 试样加工设备钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。1.4.2 量测工具与有关检查仪器游标卡尺、天平（称量大于 500g，感量 0.01g） ，烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。1.4.3 加载设备压力试验机。压力机应满足下列要求：（1 ）有足够的吨位，即能在总吨位的 10%90%之间进行试验，并能连续加载且无冲击。（2 ）承压板面平整光滑且有足够的刚度，其中之一须具有球形座。承压板直径不小于试样直径，且也不宜大于试样直径的两倍。如大于两倍以上时需在试样上下端加辅助承压板，辅助承压板的刚度和平整光滑度应满足压力机承压板的要求。（3 ）压力机的校正与检验应符合国家计量标准的规定。1.5 试验 程序（1 ）根据所要求的试样状态准备试样。（2 ）将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受力。（3 ）依每秒 0.50.8MPa 的加载速度对试样加荷，直到试样破坏为止，记录最大破坏载荷。（4 ）描述试样破坏形态，并记下有关情况。1.6 成果整理和计算按下式计算岩石单轴抗压强度 APc式中：岩石单轴抗压强度（MPa） ；c最大破坏载荷（N） ；P垂直于加载方向的试样横截面积（mm 2） 。A试验结果按表 1-1 记录。表 1-1 岩石单轴抗压强度试验记录表工程名称_ 试验时间_年_ 月_日试 样 尺 寸岩石名称试样编号受力方向含水状态 直 径 (mm)高 度 (mm)横截面积(mm2)最大破坏载 荷(N)单轴抗压强 度(MPa)备 注试 样 描 述班 级 组 别 试验者 计算者 二、岩石压缩变形试验2.1 概述岩石变形试验，是在纵向压力作用下测定试样的纵向（轴向）和横向（径向）变形，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。弹性模量是纵向单轴应力与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度的 50%作为应力和该应力下的纵向应变值进行计算。根据需要也可以确定任何应力下的弹性模量。泊松比是横向应变与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度 50%时的横向应变值和纵向应变值进行计算。根据需要也可以求任何应力下的泊松比。2.2 试样备制试样备制方法和精度要求见 7.2。2.3 试样 描述试样描述见 7.3。2.4 主要 仪 器设备（1 ）制样设备、检查仪器和压力机要求见 7.4。（2 ）电阻应变片、粘结剂、万用表等。（3 ）电阻应变仪（或数据采集器） 、压力传感器、引伸仪等。除用电阻应变仪外，也可用精度能达到 0.1%和量程能满足变形测定需要的其他仪表。岩石试件轴向应变片横向应变片图 4 岩石试件贴电阻应变片示意图 图 5 试件连接静态应变仪示意图2.5 试验 程序（1 ）选择电阻片，电阻片质量应符合产品要求，电阻丝的长度应大于组成试样的矿物最大粒径或斑晶的 10 倍以上。同一试样用的工作片和补偿片的电阻值应不超过 0.2 欧姆。（2 ）电阻片应贴在试样高度的中部，每个试样贴纵向（轴向）和圆周向电阻片各 2 片，沿圆周向对称布置，贴片处应尽量避开显著的裂隙、特大的矿物颗粒或斑晶。试样贴片前用零号砂纸打磨，用丙酮或酒精将贴片处擦洗干净，防止污染（如图 4 所示） 。（3 ）贴片用的胶，一般情况下可用 502 快速粘结剂，914 粘结剂等脆性胶；饱和试样还需配置防潮胶液。（4 ）将贴好片的试样置于压力机上，对准中心，以全桥或半桥的方式联入应变仪（或数据采集器，如图 5 所示） ，接通电源。以每秒 0.50.8MPa 的加载速度对试样加载，直至破坏。（5 ）在施加载荷的过程中，由数据采集系统同步记录各级应力及其相应的纵向和横向应变值。为了绘制应力 应变关系曲线，记录的数据应尽可能多一些，通常不少于 10 组数据。（6 ）描述试样的破坏形式，并记下与试验有关的的情况。试验记录格式见表 8-1。2.6 试验 成果整理和 计算2.6.1 计算各级应力下的应变值（1 ）分别将纵向、横向各二片的数值进行平均，求得纵向、横向应变， （也可试验前将二片串联，直接测得纵向、横向应变值） 。（2 ）用下式计算体积应变值： dhv2式中：某一应力下的体积应变值；v某一应力下的纵向应变值；h某一应力下的横向应变值。d（3 ）绘制应力应变曲线图，如图 6 所示。图 6 岩石压缩应力应变关系曲线2.6.2 计算弹性模量和泊松比（1 ）在纵向应变曲线上，做通过原点与应力相当于 50%抗压强度处的应变点的连线，其斜率即为所求的弹性模量（或称割线模量） 。50hE式中：弹性模量（MPa） ；50E相当于 50%抗压强度的应力值（MPa） ；应力为抗压强度 50%时的纵向应变值。50h（2 ）取应力为抗压强度 50%时的横向应变值和纵向应变值计算泊松比。 50hd式中：泊松比；应力为抗压强度 50%时的横向应变值；50d应力为抗压强度 50%时的纵向应变值。h2.6.3 计算岩石单轴抗压强度 APc式中：岩石单轴抗压强度（MPa） ；c最大破坏载荷（N） ；P垂直于加载方向的试样横截面积（mm 2） 。A2.6.4 计算值取值弹性模量取至百位数；泊松比取至小数点以后两位；单轴抗压强度取至整数位。表 2-1 岩石变形试验记录表工程名称 试样直径（mm） = （MPa）50E岩石名称 试样高度（mm） =试样编号 试样面积（mm 2） = （MPa）c载荷（N） 应力（MPa ） 纵向应变 横向应变 体积应变 备 注班 级 组 别 日期 试验者 计算者 三、岩石抗拉强度试验3.1 概述巴西法（劈裂法）是在圆柱体试样的直径方向上，施加相对的线性载荷，使之沿试样直径方向破坏的试验（如图 7） 。本方法可用于测烘干、自然干燥、饱和的试样。本方法不适用于软弱岩石。3.2 试样备制（1 ）试样可用钻孔岩芯或岩块，在取样和试样制备过程中，不允许人为裂隙出现。（2 ）采用圆柱体作为标准试样，直径为 5cm，高度为直径的 0.51.0 倍。试样尺寸的允许变化范围不宜超过 5%。（3 ）对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许使用非标准试样，但高径比必需满足标准试样的要求。（4 ）试样个数视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下至少制备 3 个。（5 ）试样制备精度。整个厚度上，直径最大误差不应超过 0.1mm。两端不平行度不宜超过 0.1mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不应超过 0.25 度。3.3 试样 描述试样描述同 7.33.4 主要 仪 器设备（1 ）试样加工设备、量测工具与有关仪器详见 7.4。（2 ）加载设备：压力试验机应符合 7.4 的规定，因岩石的抗拉强度远低于抗压强度，为了提高试验精度，所以选择压力试验机的吨位不宜过大。（3 ）垫条：在岩石劈裂试验中，目前国内外规程中，有加垫条、劈裂压模、不加垫条三种， 水利电力规程建议采用电工用的胶木板或硬纸板，其宽度与试样直径之比为0.080.1；国际岩石力学学会建议采用压模，压模圆弧直径为试样直径的 1.5 倍（如图 7） ；日本、美国等矿业规程建议采用不加垫条，使试样与承压板直接接触。三种方法相比，最后一种比较简单所以用的较广泛。半球座图 7 岩石抗拉强度测定示意图3.5 试验 程序（1 ）根据所要求的试样状态准备试样。（2 ）将试样平置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板使试样均匀受载。（3 ）以每秒 0.30.5MPa 的加载速度加荷，直到试样破坏为止，并记录最大破坏载荷。（4 ）观察试样在受载过程中的破坏发展过程，并记录试样的破坏形态。表 3-1 岩石劈裂法试验记录表工程名称_试 样 尺 寸岩石名称试样编号受力方向含水状态平均直径（mm）平均厚度 (mm)劈裂面积（ mm2）破坏最大载 荷 (N)岩石抗拉强 度(MPa)备 注试 样 描 述班 级 组 别 日期 试验者 计算者 3.6 成果整理和计算（1 ）按下式计算岩石的抗拉强度上加载鄂试件下加载鄂DHPt2式中：岩石的抗拉强度（MPa） ；t试样破坏时的最大载荷（N） ；P试样直径(mm)；D试样厚度(mm) 。H计算值取至小数点以后一位。四、岩石抗剪强度试验(变角剪切)4.1 概述标准岩石试样在有正应力的条件下，剪切面受剪力作用而使试样剪断破坏时的剪力与剪断面积之比，称为岩石试样的抗剪强度。利用几个不同角度的抗剪夹具做试验，得出试样沿剪断面破坏的正应力和剪应力之间的关系，以确定岩石抗剪强度曲线的一部分。4.2 试样备制试样为 505050mm 或 707070mm 的立方体，误差小于 0.20.3mm ，试样各端面严格平行，不平行度小于 0.07mm，四面凸起小于 0.03mm。每组试验至少 3 个角度，每个剪切角度的试样数目应不少于 23 个，所以一组试验的试样数目至少应有 69 个以上。图 8 岩石变角剪示意图 图 9 岩石变角剪加载示意图4.3 试验设备、用具压力试验机，抗剪夹具（20 、30 、40 三个） ，卡尺及其它辅助设备。4.4 试验 程序（1 ）描述试样的颜色、颗粒、层理方向、加工精度等情况，在试样上划出剪切线。（2 ）用游标卡尺量测试样的高、宽、长的尺寸，精确到 0.05mm，并计算剪切面的面积。（3 ）把试样和抗剪夹具一起放在压力试验机的承压板上，夹具与垫板之间放滚轴以消除摩擦力，试样和抗剪夹具周围放防护罩。（4 ）以每秒 0.51.0MPa 的速度加载，直到试样剪断为止，记录下破坏时的载荷，格式见表 10-1。（5 ）按 20、30 、45 不同夹具，分别逐个进行试验，每个角度做 3 件。4.5 试验 成果整理和 计算（1 ）试样受力状态如图 8、9 所示，根据下式计算试样所受的正应力和剪应力。 sinAPco式中：抗剪断面上平均正应力（Mpa） ；抗剪断面上平均剪应力（MPa） ；抗剪夹具的角度（剪力与竖直方向） （度） ；试样破坏时的载荷（N） ；P剪断面积（mm 2） 。A（2 ）绘制岩石抗剪强度曲线图。通过改变夹具的剪切角剪切试样，对于每一个角度可以确定试样的一对剪应力、正应力 值，把这些值标在坐标图中，连接求得的各点，即可得到如图 10 所示的岩石抗剪强度曲线。图 10 岩石抗剪强度部分曲线图表 4-1 岩石抗剪强度试验记录表试 样 尺 寸岩 石名 称试 样编 号岩 石特 征 长 (mm) 宽 (mm) 高 (mm) 面积(mm2)夹具 角度破坏载荷 （N ）剪应力(MPa)正应力(MPa)备 注试 样 描 述班 级 组 别 日期 试验者 计算者 五、岩石弱面剪切强度试验5.1 概述岩石软弱结构面包括夹泥和不夹泥的层面，节理裂隙面和断层带等，岩石弱面剪切强度试验的目的是确定这些不连续面的摩擦强度。5.2 试样备制（1 ）试样应尽量保持原状结构，防止结构面被扰动。（2 ）试样的断面尺寸采用 151530 30cm，在室内小型剪力仪上做时一般采用岩芯级（7 710 10cm）试样。（3 ）对天然含水量的试样，在试样备制时，应尽量减少含水量的损失。（4 ）将采集的试样用绳索捆紧，放入下模具中，使弱面与模具的上边缘平行且高出3 5mm，然后倒入水泥或石膏，震实抹平。下模具中的水泥或石膏凝固后，翻转模具 180度（连同试样一起） ，以便浇注上模。两模具的间隙 610mm，即注意不要把弱面浇注在水泥或石膏中。待水泥或石膏养护 34 周后，即可用来做试验（见图 11） 。图 11 弱面试件制备示意图5.3 试样 描述重点描述结构面的充填物质，充填程度以及取样和制样过程的扰动情况；另要描述结构面的起伏、粗糙度。弱面试件水泥浇筑试件水泥浇筑试件5.4 主要 仪 器设备（1 ）制备试样设备：模具，灰铲，捣棒等。（2 ）岩石弱面直剪仪，包括法向恒压和剪切向加载设备。（3 ）测量、记录设备，包括游标卡尺、测量法向和剪切位移的测微表或位移传感器、函数记录仪等。5.5 试验 程序（1 ）试验装置如图 12 所示，将试样置于岩石弱面直剪仪上，安装测法向和剪切向位移的仪表。图 12 弱面剪切试验示意图（2 ）选择法向应力，除充填夹泥的结构面试验外，一般应大于或等于设计应力，对于充填夹泥的结构面试验，法向应力的选择，以不挤出夹泥为原则。（3 ）按试验要求施加第一级法向应力，剪断捆绑试样的绳索，当法向应力达到一预定的值后，再施加剪力向载荷，并注意剪切过程中通过伺服系统控制法向应力的恒定和稳定性。（4 ）控制剪力向载荷的加载速度，试样相对位移每分钟不超过 2mm，每位移0.2 0.5mm 记录一次相应的剪应力值和法向位移量（如用位移传感器、函数记录仪等可连续记录） ，当随剪位移增加而剪应力降至近似某一常数值时（或剪力向总位移量超过15 20mm 时） ，本次摩擦即可停止。（5 ）先卸掉剪力向载荷，再卸掉法向力载荷，推试样复原位，施加第二级法向应力，开始第二次摩擦。一般情况下，法向应力需施加 35 级，每变一次法向应力，进行一次摩擦。（6 ）摩擦完毕，拆除仪表，取出试样测量其摩擦面积，测定剪切面的起伏差。对于充填夹泥的试样，要记述夹泥的性质、厚度、组织结构，并取样测定其含水量、容重、流塑性和颗粒分析、矿物鉴定等。5.6 成果整理和计算（1 ）按下式计算各级法向载荷下的法向应力和剪应力 APAQ式中：作用于剪切面上的总法向载荷（含施加的载荷，设备、试样重量） （N） ；P作用于剪切面上的法向应力（MPa） ；剪切面积（mm 2） ；A作用于剪切面上的剪向应力（MPa） ；作用于剪切面上的剪切载荷（） 。Q0501001502002503003500 2 4 6 8 10D（ mm） (KPa) =200Kpa =400Kpa =600Kpa =800Kpa图 13 剪应力与剪位移（ D ）关系曲线图（）绘制各法向应力下的剪应力与剪位移（D）关系曲线（如图 13 所示） ，根据（ D）曲线取每次摩擦的峰值做剪应力与法向应力（ ）关系曲线（如图 14 所示） ，从而图解求的岩石弱面的摩擦角，粘聚力。0501001502002503003504004505000 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 （ KPa） (KPa)图 14 剪应力与法向应力（）关系曲线图（）修正爬坡角，可根据法向位移和剪切位移的比值，对图解出的进行修正，如爬坡，则 j i；反之， ji式中：i岩石弱面起伏角；j修正后的弱面摩擦角（度） ；修正前图解出的弱面摩擦