岩石力学性质试验指导书

岩石力学性质实验指导书 实验一实验一 岩石单轴抗压强度试验岩石单轴抗压强度试验 1 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 1 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 1 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 1 4 主要仪器设备主要仪器设备 试样加工设备 钻石机 锯石机 磨石机或其他制样设备 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 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 岩石力学性质实验指导书 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 1 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 1 1 记录 表表 1 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 岩石力学性质实验指导书 实验二 岩石压缩变形试验实验二 岩石压缩变形试验 2 1 概述概述 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 试样备制方法和精度要求见 1 2 2 3 试样描述试样描述 试样描述见 1 3 2 4 主要仪器设备主要仪器设备 1 制样设备 检查仪器和压力机要求见 1 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 1 岩石试件贴电阻应变片示意图 图 2 试件连接静态应变仪示意图 2 5 试验程序试验程序 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 1 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 2 所示 接通电源 以每秒 0 5 0 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 岩石力学性质实验指导书 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 2 1 2 6 试验成果整理和计算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 dhv 2 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 3 所示 图 3 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 50 50 50 h E 式中 弹性模量 MPa 50 E 岩石力学性质实验指导书 相当于 50 抗压强度的应力值 MPa 50 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 50 50 h d 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 50h 2 6 3 计算岩石单轴抗压强度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 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 表表 2 1 岩石变形试验记录表岩石变形试验记录表 工程名称 试样直径 mm MPa 50 E 岩石名称 试样高度 mm 试样编号 试样面积 mm2 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 岩石力学性质实验指导书 实验三 岩石抗拉强度试验 巴西法 实验三 岩石抗拉强度试验 巴西法 3 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 如图 4 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 5 1 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 试样描述同 1 3 3 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见 1 4 2 加载设备 压力试验机应符合 1 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 08 0 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 4 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 图图 4 岩石抗拉强度测定示意图岩石抗拉强度测定示意图 3 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 半球座 上加载鄂 试件 下加载鄂 岩石力学性质实验指导书 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 表表 3 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 4 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 DH P t 2 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 岩石力学性质实验指导书 实验四 岩石抗剪强度试验实验四 岩石抗剪强度试验 变角剪切变角剪切 4 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 4 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 图图 5 岩石变角剪示意图岩石变角剪示意图 图图 6 岩石变角剪加载示意图岩石变角剪加载示意图 4 3 试验设备 用具试验设备 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 4 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 5 6 所示 根据下式计算试样所受的正应力和剪应力 sin A P cos A P 式中 抗剪断面上平均正应力 Mpa 抗剪断面上平均剪应力 MPa 岩石力学性质实验指导书 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 2 绘制岩石抗剪强度曲线图