岩石力学实验指导书

1 / 22岩石力学实验指导书岩石力学实验指导书王宝学修订版杨 同 张 磊 北京科技大学 土木与环境工程学院 XX 年 3 月 编前 言试验是岩石力学课程教学的重要环节，目的在于辅助课堂教学，直观培养学生的知识结构和动手能力。本指导书是根据我校“XX 年教学大纲” ，并结合我校的实验条件而编写，主要内容有：1、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验；2、岩石比重试验；3、岩石密度试验；4、岩石耐崩解试验 5、岩石膨胀试验；6、岩石冻融试验；7、岩石单轴抗压强度试验，8 、岩石压缩变形试验，9、岩石抗拉强度试验，10、岩石抗剪强度试验，11 、岩石三轴压缩及变形试验，12、岩石弱面抗剪强度试验，13 、岩石点载荷指数测定试验，14、岩石纵波速度测定试验，15 、岩石力学伺服控制刚性试验；16、岩石声发射试验。本指导书的内容主要参照水利水电工程岩石试验规程 ；水利电力工程岩石试验规程DLJ204-81，SLJ2-81；同时参考了国际岩石力学会 岩石力学试验建议方法 ，中华人民共和国国家标准岩石试验方法标准2 / 22以及露天采矿手册等，由于我们水平有限，文中如有不当之处，欢迎读者批评指正。编者：王宝学、杨同、张磊XX 年 12 月目录岩石物理性质试验 . 1一、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验 . 1二、岩石比重试验 . 3三、岩石密度试验 . 6四、岩石耐崩解试验 . 10五、岩石膨胀试验 . 12六、岩石冻融试验 . 15岩石力学性质试验 . 183 / 22七、岩石单轴抗压强度试验 . 18八、岩石压缩变形试验 . 20九、岩石抗拉强度试验 . 24十、岩石抗剪强度试验 . 27十一、岩石三轴压缩及变形试验 . 29十二、岩石弱面剪切强度试验 . 37十三、点载荷指数的测定 . 40十四、岩石纵波速度测定 . 42十五、岩石力学伺服控制刚性试验 . 43十六、岩石声发射试验 . 46岩石物理性质试验一、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验4 / 22概述岩石的天然含水率是指试样在大气压力和室温条件下，天然条件下岩石自身所含有的水的质量与试样固体质量比的百分率。岩石吸水率是试样在大气压力和室温条件下，岩石吸入水的质量与试样固体质量比的百分率。本规程采用自由浸水方式求岩石吸水率。岩石饱和吸水率，是试样在强制状态下，岩石的最大吸水质量与试样固体质量比的百分率。本规程采用煮沸法或真空抽气法求岩石饱和吸水率。试样制备规则试样的形态，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。不规则试样采用边长 46cm 近似立方体的块体，凸出的边棱部分必须进行处理；试样数量，每组取 3 个。试样描述岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小、胶结物质等特征。节理裂隙的发育程度及其分布。试样形态及缺角，掉棱角等现象。主要仪器设备钻石机、切石机、磨石机或其他制样设备。5 / 22烘箱和干燥器。称量大于 500g，感量为的天平。真空抽气机和煮沸设备。试验程序岩石天然含水率试验在天然状态下制备试件，清除试样上的尘土和松动颗粒，称其质量。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。岩石的吸水率及饱和吸水率清除试样上的尘土和松动颗粒。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。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 1/2 和 3/4 处，6h 后全部浸没试样。试样在水下自由吸水 48h，取出后擦去表面水分，称重。用煮沸法或真空抽气法对试样进行强制饱和。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，煮沸时间不应少于 6h。采用真空抽气法饱和试样时，抽气的真空度须达到6 / 22740mm 以上的水银柱负压力，抽气时间不得少于 4h，或者抽至不再发生气泡为止。经过煮沸法或真空抽气的试样，应放置在原容器中冷却至室温或在正常压力下静置 4h，然后擦去表面水分，称重。成果整理和计算按以下诸式计算岩石天然含水率、吸水率、饱和吸水率和开型空隙率?o?a?mo?md?100 mdma?md?100 mdms?md?100 md?s?式中：；、 、 ?o、?a 、?s 岩石天然含水率、吸水率、饱和吸水率，mo、md、ma、ms 岩石天然质量、烘干质量、浸水 48h 质量和强制饱和质量， ；计算值取小数点以后两位。岩石力学实验指导书修订版前 言试验是岩石力学课程教学的重要环节，目的在于辅助课堂教学，直观培养学生的知识结构和动手能力。本指7 / 22导书是根据我校“XX 年教学大纲” ，并结合我校的实验条件而编写，主要内容有：1、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验；2、岩石比重试验；3、岩石密度试验；4、岩石耐崩解试验 5、岩石膨胀试验；6、岩石冻融试验；7、岩石单轴抗压强度试验，8 、岩石压缩变形试验，9、岩石抗拉强度试验，10、岩石抗剪强度试验，11 、岩石三轴压缩及变形试验，12、岩石弱面抗剪强度试验，13 、岩石点载荷指数测定试验，14、岩石纵波速度测定试验，15 、岩石力学伺服控制刚性试验；16、岩石声发射试验。本指导书的内容主要参照水利水电工程岩石试验规程 ；水利电力工程岩石试验规程DLJ204-81，SLJ2-81；同时参考了国际岩石力学会 岩石力学试验建议方法 ，中华人民共和国国家标准岩石试验方法标准以及露天采矿手册等，由于我们水平有限，文中如有不当之处，欢迎读者批评指正。编者：王宝学、杨同、张磊XX 年 12 月目录岩石物理性质试验 . 1一、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验 . 18 / 22二、岩石比重试验 . 3三、岩石密度试验 . 6四、岩石耐崩解试验 . 10五、岩石膨胀试验 . 12六、岩石冻融试验 . 15岩石力学性质试验 . 18七、岩石单轴抗压强度试验 . 18八、岩石压缩变形试验 . 20九、岩石抗拉强度试验 . 24十、岩石抗剪强度试验 . 27十一、岩石三轴压缩及变形试验 . 299 / 22十二、岩石弱面剪切强度试验 . 37十三、点载荷指数的测定 . 40十四、岩石纵波速度测定 . 42十五、岩石力学伺服控制刚性试验 . 43十六、岩石声发射试验 . 46岩石物理性质试验一、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验概述岩石的天然含水率是指试样在大气压力和室温条件下，天然条件下岩石自身所含有的水的质量与试样固体质量比的百分率。岩石吸水率是试样在大气压力和室温条件下，岩石吸入水的质量与试样固体质量比的百分率。本规程采用自由浸水方式求岩石吸水率。岩石饱和吸水率，是试样在强制状态下，岩石的最大吸水质量与试样固体质量比的百分率。本规程采用煮沸法或真空抽气法求岩石饱和吸水率。10 / 22试样制备规则试样的形态，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。不规则试样采用边长 46cm 近似立方体的块体，凸出的边棱部分必须进行处理；试样数量，每组取 3 个。试样描述岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小、胶结物质等特征。节理裂隙的发育程度及其分布。试样形态及缺角，掉棱角等现象。主要仪器设备钻石机、切石机、磨石机或其他制样设备。烘箱和干燥器。称量大于 500g，感量为的天平。真空抽气机和煮沸设备。试验程序岩石天然含水率试验在天然状态下制备试件，清除试样上的尘土和松动颗粒，称其质量。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。岩石的吸水率及饱和吸水率11 / 22清除试样上的尘土和松动颗粒。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。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 1/2 和 3/4 处，6h 后全部浸没试样。试样在水下自由吸水 48h，取出后擦去表面水分，称重。用煮沸法或真空抽气法对试样进行强制饱和。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，煮沸时间不应少于 6h。采用真空抽气法饱和试样时，抽气的真空度须达到740mm 以上的水银柱负压力，抽气时间不得少于 4h，或者抽至不再发生气泡为止。经过煮沸法或真空抽气的试样，应放置在原容器中冷却至室温或在正常压力下静置 4h，然后擦去表面水分，称重。成果整理和计算按以下诸式计算岩石天然含水率、吸水率、饱和吸水率和开型空隙率?o?a?mo?md?100 mdma?md?100 md12 / 22ms?md?100 md?s?式中：；、 、 ?o、?a 、?s 岩石天然含水率、吸水率、饱和吸水率，mo、md、ma、ms 岩石天然质量、烘干质量、浸水 48h 质量和强制饱和质量， ；计算值取小数点以后两位。岩体力学实验指导书前 言本书是作为水文地质及工程地质专业岩体力学教材的组成部分，共编入岩石物理力学性质实验 12 个，岩石力学实验教学是岩体力学教学的重要环节，通过实验教学使学生在学习岩体力学基本理论的同时，能理论联系实践，培养实际工作能力及严谨的科学态度，进一步巩因课堂教学内容，为此要求学生掌握实验的基本原理与方法，其中包括仪器的装置以及工作原理，为了使学生理解，在本书编写过程中，力求从教学出发，联系生产实际，配合理论课，阐明实验基本原理与实验步骤，并辅以思考题。本书是在我校岩体力学实验讲义油印教材基础上，并参阅了长春地院、水电部 及地矿部出版的有关岩石力学实验指导及及规程编写而成的。13 / 22根据教育部关于教材采用国际单位制的通知)，书中一律采用国际单位制单位。 但目前实验仪器尚未改进，为弥补这一缺陷，除书后编入国际单位制及与工程实用制 单位的换算关系) ，以备读者查阅外，教师在课堂上应予适当提醒。限于编者水平，书中难免存在缺点和不当之处，敬请读者指正。实验 1 测定岩石的颗粒密度一、基本原理岩石的颗粒密度是指岩石固体矿物颗粒部分的单位体积内的质量：?msVs岩石的固体部分的质量，采用烘干岩石的粉碎试样，用精密天平测得，相应的固体体积，一般采用排开与试样同体积之液体的方法测得，通常用比重瓶法测得岩石固体颗料的体积。在用比重瓶测定岩石固体颗料体积时，必须注意所排开的液体体积确能代表固体颗料的真实体积，试样中含有的气体，实验中必须把它排尽，否则影响测试精度，所用的液体一般为蒸馏水，并用煮沸法或抽气法排除岩石试14 / 22样中的气体，若岩石中含有大量可溶盐类、有机质、粘粒时，则须用中性液体如煤油、汽油、酒精、甲苯和二甲苯等，此时必须用抽气法排除试样中的气体。 二、仪器设备1、 岩石粉碎设备： 粉碎机、瓷钵、玛瑙研钵和孔径为的筛； 2、 比重瓶：容积为 100ml 或 50ml； 3、 分析天平：称量 200 克，感量克； 4、普通天平：称量500 克，感量克； 5、真空抽气设备和煮沸设备； 6、 恒温水槽；7、 温度计，量程 050 ，精确至；8、 其它：烘箱、蒸馏水或中性液体、小漏斗、洗耳球等。 三、操作步骤1、试样制备取代表性岩样约 100g，粉碎成岩粉并全部通过筛孔。粉碎时，若岩石不含有磁性矿物，采用高强度耐磨粉碎机，并用磁铁吸去铁屑；若含有磁性矿物，根据岩石的坚硬程度分别采用磁研钵或玛瑙研钵粉碎岩样。2、烘干试样将制备好的试样与洗净的比重瓶一起置于烘箱中，使之在 100110温度下烘至恒重，取出后放于干燥器内冷却至室温备用。4、称干试样质量用四分法取两份岩粉，每份岩粉质量约 15g，将试15 / 22样通过漏斗倾入已知质量的烘干的比重瓶内，然后在分析天平上称取比重瓶加试样的质量，减去比重瓶质量即得干试样的质量。4、注水排气向装有试样的比重瓶内注入蒸馏水，然后用煮沸法或真空抽气法排除气体。煮沸法 此法适于用蒸馏水做实验，注蒸馏水入比重至半满 将比重瓶置于砂浴上煮沸，煮沸时间在加热沸腾后不应小于 1h，以完全排除气体。抽气排气法 将盛有岩样试样及半满液体的比重瓶放置在真空抽气缸内,接上真空泵，抽气时真空度应不少于740 毫米水银柱负压力，并经常摇动比重瓶，直至无气泡为止，抽气时间一般为 12 小时。5、称取瓶加试液及岩样的质量若用煮沸法排气时，煮沸完毕后，取出比重瓶冷却至室温，注蒸馏水入比重瓶中至近满并加盖，然后将比重瓶置于恒温水槽内待温度稳定，取出比重瓶后将瓶外水份擦干并称重，得瓶，水加岩样质量，称完后立即测定瓶内悬液温度。若用抽气排气法时，抽气完毕后，取出比重瓶，按上述方法称取瓶加水及岩样质量。6、称取瓶、试液的质量16 / 22倒掉瓶中悬液，洗静比重瓶，注入试液至满后，恒温约 15min，使瓶内试液与悬液温度相同。检查瓶内有无气泡，若有需排除，塞好瓶塞，擦干瓶外水分，称瓶加试液的质量。本试验称重应精确至。 8、按下式计算岩石的颗粒密度?ms?wfm3?ms?m2式中： 岩石的颗粒密度；ms干岩粉的质量；m3瓶、试液总质量； m2瓶、试液和岩粉的总质量； 0t时液体的密度。不同温度下蒸馏水的密度可根据试验时的温度 t，查下表求得。水的密度 0t 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140 t 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250 17 / 22t 26 27 28 29 30 31 32 33 34 350 注：一般试验计算时采用小数点以后三位数，第四位四舍五入。若用中性液体进行试验时，应用比重瓶来测定其不同温度下的密度，方法如下： 将已知质量的比重瓶装满经真空抽气的中性液体，按本试验中的第 7 步称瓶、中性液体总质量。用同一比重瓶装满蒸馏水，再按本试验步骤 7 称瓶、水总质量。 按下式计算中性液体密度/?w?m4?m0?wtm5?m0式中：w 中性液体密度；M4瓶、中性液体总质量； M5瓶、水总质量；m0瓶的质量； 3，查上表求得。 wtt时的蒸馏水密度18 / 228、本试验进行两次平行测定，取其平均值，两次测定的差值不得大于/cm3 ，计算结果精确至。四、试验报告内容1、整理记录表，格式见下表。颗粒密度试验记录表试验： 计算： 校核： 年 月 日2、思考题岩石的颗粒密度值取决于哪些因素，它与空隙度的关系如何？岩石若为可溶盐岩类，用蒸馏水测定岩石的颗粒密度时，其结果是偏大还是偏小？为什么？ 五、注意事项1、煮沸排气时，必须防止悬液溅出瓶外，火力要小，防止煮干，还必须将试样中气体排尽，否则影响试验结果。2、必须使瓶中悬液的温度与试液温度相一致。3、称重必须准确，测定 m1 与 m2 时，必须将比重瓶外壁擦干。岩石力学实验指导书岩石力学课程组 编写长江大学城市建设学院 二七年九月目 录19 / 22学生试验守则室内岩石试验的任务和工作基本要求 试验一 岩石单轴抗压试验 试验二 岩石抗拉强度试验 试验三 岩石快速直剪试验 说明：本试验指导书主要依据为：中华人民共和国国家标准：工程岩体试验方法标准GB/T50226-1999学生试验守则一、每次试验前必须做好复习和预习。复习的内容为教科书上有关本次试验的教学内容；预习内容包括仔细阅读试验指导书和去实验室熟悉有关仪器设备。 二、经过预习应掌握该项试验的意义、目的、操作步骤。对辅导教师提出的检查性问题，应能回答，否则不得进行试验。三、试验时态度应严肃认真，严格按辅导教师及试验指导书上所讲的操做步骤进行试验，每台设备的操做应按各设备的操做准则进行，以免损坏设备或造成事故。非本次试验使用的仪器设备不得乱动。四、每次试验前由小组长填写仪器设备领用单。试验完毕后，应将所用仪器设备擦洗干净，放回原处，经小组长检查，辅导教师验收无误后方可离室。如有损坏，应填写仪器设备损坏报告单，待后处理。五、试验结束后，应在规定时间内提交试验报告。试验报告必须独立完成。书写、计算、制图要求公式、计20 / 22算过程、单位齐全、清晰整齐。试验成绩是期终考核成绩的一部分。六、如试验结果未能达到要求或因故未做试验者，应申请补做试验，实验室同意后，在指定日期内进行补做。以上守则请同学们自觉遵守。室内岩石试验的任务和工作基本要求一、室内岩石试验的任务：是了解岩块的基本物理力学性质及其破坏机制；研究在工程建筑物荷载作用下基岩或围岩的工程性状，为工程地质评价和工程建筑物设计提供资料。 二、室内岩石试验工作基本要求：1、为使试验工作符合实际情况，保证成果质量，各工程勘测设计阶段的岩石试验工作，应在详细了解工程地质条件、设计意图、建筑物特点和可能采用的施工方法基础上进行。2、试验工作的安排和布置，应和