岩石力学与工程实验指导书(修订).doc

岩石力学实验指导书岩石力学实验指导书 湖南科技大学湖南科技大学 能源与安全工程学院能源与安全工程学院 1 18 目目 录录 岩石物理性质试验 1 一 岩石密度试验 6 岩石力学性质试验 18 一 岩石单轴抗压强度试验 18 二 岩石抗拉强度试验 劈裂法 24 三 岩石抗剪强度试验 变角剪切 27 四 岩石力学伺服控制试验 43 1 18 岩石物理性岩石物理性质试验质试验 一 岩石密度试验 1 概述概述 岩石密度 即单位体积的岩石质量 是试样质量与试样体积之比 根据试样的含水量情况 岩石密度可分为烘干密度 饱和密度和天然密度 一般未说 明含水情况时 即指烘干密度 根据岩石类型和试样形态 分别采用下述方法测定其密度 1 凡能制备成规则试样的岩石 宜采用量积法 2 除遇水崩解 溶解和干缩湿胀性岩石外 可采用水中称重法 3 不能用量积法或水中称重法进行测定的岩石 可采用腊封法 用水中称重法测定岩石密度时 一般用测定岩石吸水率和饱和吸水率的同一试样同时 进行测定 2 试样制备试样制备 2 1 量积法量积法 1 试样的形态 可以用圆柱体 立方体或方柱体 根据密度试验后的其他实验要 求选择 2 制备的试样 应具有一定的精度 其精度要求应满足其他试验项目的规定 3 每组试验须制备 3 个试样 它们须具有充分的代表性 2 2 腊封法腊封法 1 试样取边长为 4 6cm 的近似立方体的岩块 2 如需测定天然密度时 拆除密封后立即称试样重 3 每组试验须制备 3 个试样 它们须具有充分的代表性 3 试样描述试样描述 1 岩石名称 颜色 结构 矿物成分 颗粒大小 胶结物质等特征 2 节理裂隙的发育程度及其分布 3 试样形态及缺角 掉棱角等现象 4 主要仪器设备主要仪器设备 4 1 量积法量积法 1 钻石机 切石机 磨石机或其他制样设备 2 18 2 烘箱和干燥器 3 称量大于 500g 感量为 0 01g 的天平 4 精度为 0 01mm 的测量平台或其他仪表 4 2 腊封法腊封法 1 烘箱和干燥器 2 石蜡和熔蜡用具 3 称量大于 500g 感量为 0 01g 的天平 4 水中称重装置 5 试验程序试验程序 5 1 量积法量积法 1 试样两端和中间三个断面 测量其互相垂直的两个直径或边长 计算平均值 2 测量均匀分布于周边的四点和中间点的五个高度 计算平均值 3 将试样置于烘箱中 在 105 110 C 的温度下烘 24h 取出后 即放入干燥器内 冷却至室温后称重 4 本试验要求量测准确至 0 01mm 称重准确至 0 01g 5 2 腊封法腊封法 1 将试样置于烘箱中 在 105 110 C 的温度下烘 24h 取出后 即放入干燥器内 冷却至室温后称重 2 用丝线缚住试样 置于温度 60 C 左右的熔化石蜡中 1 2s 使试样表面均匀涂 上一层腊膜 其厚度约 1mm 左右 蜡封好后 发现有气泡时 用热针刺穿并用腊涂平孔 口 然后称试样重 3 将蜡封试样置于水中称重 然后取出擦干表面水分 在空气中称重 如蜡封试 样浸水后的重量大于浸水前的重量 应重做试验 4 本试验所有称重均准确至 0 01g 6 成果整理和计算成果整理和计算 1 用量积法测定试样密度 按下式计算 HA md d 式中 岩石烘干密度 g cm3 d 试样烘干重量 g d m 3 18 平均面积 cm2 A 平均高度 cm H 2 用腊封法测定试样容重 按下式计算 n d d d mm mm m 1 21 式中 岩石烘干密度 g cm3 d 试样烘干重量 g d m 蜡封试样在空气中重量 g 1 m 蜡封试样在水中重量 g 2 m 石蜡密度 g cm3 石蜡容重可用水中称重法测定 参见 11 节 n 3 如需天然密度时 可按下式计算 01 0 1 do 式中 岩石天然密度 g cm3 o 岩石的天然含水量 4 根据实测岩石比重和容重 按下式计算总孔隙率 100 1 s d n 式中 岩石总孔隙率 n 5 计算值取小数点以后两位 4 18 表表 3 1 密度试验记录表 量积法 密度试验记录表 量积法 工程名称 试 样 尺 寸 cm 直 径 或 边 长高 度 岩石 名称 试 样 编 号 平均值平均值 试样 体积 cm3 烘干试 样重量 g 岩石 密度 g cm3 备 注 班 级 组 别 日 期 试验者 计算者 表表 3 2 密度试验记录表 腊封法 密度试验记录表 腊封法 工程名称 试样重量 g 封蜡试样重量 g 岩 石 名 称 试 样 编 号 天然含 水状态 烘干 状态 天然 含水量 空气中水中 蜡封试 样体积 cm3 蜡体 积 cm3 试 样 体 积 cm3 岩石 密度 g cm3 岩石天然 密度 g cm3 备注 班 级 组 别 日 期 试验者 计算者 5 18 岩石力学性岩石力学性质试验质试验 一 岩石单轴抗压强度试验一 岩石单轴抗压强度试验 1 概述概述 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 105 1100C 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 2 试样备制试样备制 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 8 5 2cm 高度为 10cm 允许变化范围为 9 5 10 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 1 2 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 3 试样描述试样描述 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 4 主要仪器设备主要仪器设备 4 1 试样加工设备试样加工设备 钻石机 锯石机 磨石机或其他制样设备 4 2 量测工具与有关检查仪器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 6 18 4 3 加载设备加载设备 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 5 试验程序试验程序 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 5 0 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 6 成果整理和计算成果整理和计算 按下式计算岩石单轴抗压强度 A P c 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 mm2 A 试验结果按表 7 1 记录 7 18 表表 7 1 岩石单轴抗压强度试验记录表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 8 18 二 岩石抗拉强度试验 劈裂法 二 岩石抗拉强度试验 劈裂法 1 概述概述 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 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 2 试样备制试样备制 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 采用方形试件试样 尺寸为 mm 255050 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 试样描述试样描述 略 4 主要仪器设备主要仪器设备 1 试样加工设备 量测工具与有关仪器详 略 2 加载设备 压力试验机应符合规定 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 5 试验程序试验程序 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 3 0 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 9 18 表表 9 1 岩石劈裂法试验记录表岩石劈裂法试验记录表 工程名称 试 样 尺 寸 岩石名称试样编号含水状态 长 mm 宽 mm 高 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 6 成果整理和计算成果整理和计算 1 按下式计算岩石的抗拉强度 a P t 6 0 式中 岩石的抗拉强度 MPa t 试样破坏时的最大载荷 N P a 试样边长 mm 计算值取至小数点以后一位 10 18 三 岩石抗剪强度试验三 岩石抗剪强度试验 变角剪切变角剪切 1 概述概述 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 2 试样备制试样备制 试样为 50 50 50mm 或 70 70 70mm 的立方体 误差小于 0 2 0 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 2 3 个 所以一组试验 的试样数目至少应有 6 9 个以上 3 试验设备 用具试验设备 用具 压力试验机 抗剪夹具 卡尺及其它辅助设备 4 试验程序试验程序 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 5 1 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 60 55 50 分别逐个进行试验 5 试验成果整理和计算试验成果整理和计算 1 根据下式计算试样所受的正应力和剪应力 sincos f A P cos sin f A P 式中 抗剪断面上平均正应力 Mpa 11 18 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 mm2 A f nd 1 式中 n 为滚轴数量 d 为滚轴的直径 mm 实验所用装置 n 为 12 个 d 为 12mm 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 即可得到如图所示的岩石抗剪 强度曲线 岩石抗剪强度部分曲线图岩石抗剪强度部分曲线图 岩石抗剪强度试验记录表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 12 18 试 样 描 述 班 级 组 别 日期 试验者 计算者 13 18 14 18 四 岩石力学伺服控制刚性试验四 岩石力学伺服控制刚性试验 1 概述概述 普通的力学试验机是由加载架 液压系统和测量系统组成 长期以来大多数岩块的变 形与强度性质的试验都靠普通试验机来完成 但在实践中发现 在进行岩石力学试验时 当达到岩石峰值强度的瞬间 往往会发生岩石试件 爆裂 现象 以至于很难测得接近或 达到峰值时的应力与应变关系 更无法获得峰值以后的信息 岩石试件发生 爆裂 现象主要是 1 试验机的刚度比岩石试件的刚度小 2 当岩 石发生破裂承载力下降时试验机不能主动 让压 目前岩石力学试验克服岩石试件发生 爆裂 的途径是 1 提高试验机的刚度 2 伺服控制试件的变形 2 伺服控制刚性试验伺服控制刚性试验 刚度是指材料抵抗外力变形的能力 L EA l P K 式中 材料刚度 MN mm K 外力 P 位移 mm l 材料弹性模量 MPa E 材料有效面积 mm2 A 材料有效长度 mm L 一般岩石的刚度都大于 0 5MN mm 而普通的试验机的刚度只有 0 15 0 2 MN mm 在加载过程中 试验机和试件都储存弹性势能 试验机的弹性势能 m mm K P PuE 2 2 1 2 1 岩石试件的弹性势能 r rr K P PuE 2 2 1 2 1 在普通试验机上进行岩石力学试验时可以看出 在岩石试件破裂的瞬间 岩 m E r E 石试件的承载能力降低 同时其弹性势能也伴随裂纹的扩张 声响 震动和热能而消耗掉 但试验机的弹性势能并没有消散 它会完全释放给岩石试件 那么使得岩石试件吸收比自 身的弹性势能大出很多倍的势能 使得岩石试件不能承受这么大的弹性势能 因此发生 爆裂 现象 15 18 如果提高试验机的刚度 即 那么试验机在加载的过程中自身储存的弹性势 m K 能就很小 即 在岩石试件破裂的瞬间 试验机不会释放弹性0 2 1 limlim 2 m K m K K P E mm 势能或释放很少的弹性势能给岩石试件 这时岩石试件就不会发生 爆裂 现象 图图 23 电液伺服控制系统示意图电液伺服控制系统示意图 电液伺服控制系统其控制方式如图 23 由自控系统发出的指令信号 在伺服控制器