岩石强度实验要点

2.2 实验测定内容实验测定内容包括：（1）单向抗压强度；（2）单向抗拉强度；（3）弹性模量； （4）泊松比；（5）内聚力； （6）内摩擦角。2.3 实验设备（1）抗剪实验采用的仪器设备为：WE-60型万能材料试验机，见图2.1。（2）抗压和变形实验采用的仪器设备为： WE-30型万能材料试验机，见图2.2； 静态电阻应变仪（型号YJ-31）； 电阻应变计（型号：BF12010AA；电阻值：120.20.1欧姆；灵敏系数：2.141%；级别：A），见图2.3。（a）WE-60型万能材料试验机 （b）抗剪夹具（变角剪）图2.1 WE-60型万能材料试验机与抗剪夹具图2.2 WE-30型万能材料试验机 （a）静态电阻应变仪 （b）电阻应变计图2.3 静态电阻应变仪与电阻应变计（3）抗拉实验采用的实验设备为：WE-10型万能材料试验机（图2.4）。 （a）WE-10型万能材料试验机 （b）抗拉夹具图2.4 WE-10型万能材料试验机与抗拉夹具2.4 测量工器具（1）游标卡尺，精度为0.02mm；（2）天平（最大量程1000g，精确值1g）；（3）水平检测台。2.5 实验采用标准实验按照中华人民共和国煤炭工业部标准（1987-11-18 发布，1987-12-10实施）规定的“煤和岩石物理力学性质测定方法”进行实验测定，包括：MT-38-87 煤和岩石物理力学性质测定的采样一般规定；MT-44-87 煤和岩石单向抗压强度及软化系数测定方法；MT-45-87 煤和岩石变形参数测定方法；MT-46-87 煤和岩石抗拉强度测定方法；MT-47-87 煤和岩石抗剪实验方法。各项实验所需标准试样尺寸与最低数量见表2.1。表2.1 各项实验所需标准式样尺寸与数量表测定项目标准式样尺寸（cm）标准式样最低数量单向抗压强度直径5，高103个变形参数直径5，高103个单向抗拉强度直径5，高2.53个抗剪强度直径5，高105个2.6 岩样加工为测定岩样的物理力学性质，首先要对原始岩样进行加工，使其符合测量标准，方可进行测定。首山一矿邮寄岩样共5块，其中煤样2块，分别为己15煤和己16、17煤，己15煤直接顶、底板和基本顶岩样各1块，图2.5为邮寄来的部分岩样。 （a）下位直接顶岩样 （b）煤样图2.5 首山一矿邮寄来的部分岩样对岩样进行标准规格加工。岩样的钻取采用CS200型自动取芯机，加工后的岩样的直径约为50mm，运用岩石切割机对取芯后的岩样进行切割，用磨石机进行端面磨平，加工后岩样长度为100mm。岩样加工机械为，岩石自动取芯机、岩石切割机、磨石机或磨床，见图2.6。 （a）岩石自动取芯机 （b）岩石切割机 （c）侧面双端面磨石机 （d）正面双端面磨石机图2.6 岩石自动取芯机、切割机与磨石机提取到的岩芯如图2.7所示。 （a）岩石试样 （b）己15煤岩芯图2.7 提取到的部分岩芯切割后岩样见图2.8。通过加工最后成形岩样为实验规程所要求的圆柱体，岩样各边长误差不超过-0.1+0.3mm，两端不平行度不大于0.1mm。将岩样放在水平检测台上，用直角尺紧贴岩样垂直测边，要求两者之间无明显缝隙，所加工岩样表面光滑，没有明显缺陷（极个别数量不足岩样除外）。 （a）岩石试件 （b）己15煤样试件图2.8 加工后的部分岩样2.7 岩样试验2.7.1 岩样抗剪试验对加工后岩样进行抗剪强度测定。图2.9为用于做抗剪试验的岩样。在测定前，首先对岩样进行直径和长度的测量。测量直径与长度的工具为游标卡尺，其测量量程为300 mm，精确度为0.02 mm。 （a）岩样试件 （b）煤样试件图2.9 做抗剪试验的部分岩样对于抗剪强度的测定，岩石会表现出剪切破坏的性质。一般较坚硬的脆性岩石都能表现出拉伸破坏的性质。（1）实验步骤 核对岩样名称和岩样编号，对岩样颜色、颗粒、层理、节理、裂隙、风化度以及加工过程中出现的问题进行分析，从中选15个成型较好的进行编号，上位砂泥岩试件标号1-11-3，下位泥岩试件标号2-12-3，己15煤试件标号3-13-3，下位己16、17煤试件标号4-14-3，上位细砂岩试件标号5-15-3； 在4060范围内选择3个或5个以上的剪切角度。按照不同的剪切角度将岩样分组编号，并在岩样上画出剪切线； 检查岩样加工精度，测量岩样尺寸，按剪切方向，高和直径各测量两次，取其算术平均值； 选择压力机刻度盘时，一般应满足下式： （2-1）式中：为预计最大破坏载荷，kN；为材料试验机度盘最大值，kN。 调整材料试验机刻度盘指针为零，使材料试验机处于工作状态。将已调好的变角剪切夹具下座放在材料试验机上，使其中心线与承压板中心线重合，装上岩样并安好夹具上座，调整承压板球形座，使变角剪切夹具受力均匀； 夹具与岩样调整好后，以0.51.0MPa/s的速度加载直至破坏。加载时，人员要离开工作台，保持一定距离并采取适当的保护措施。图2.10为上位直接顶岩层的加载及破坏后岩样。 （a）加载（1-1） （b）破坏后试件（1-1）图2.10 加载及破坏后的上位直接顶试件（2）实验数据通过对15个岩样试件的实验室抗剪强度测定，得到数据见表2.2。表2.2岩样抗剪实验破坏载荷（kN）数据表抗剪标号角度高度载荷正应力剪应力上位砂泥岩1-1455.0417372.250.51-2504.9810437.537.51-3555.164212.317.5下位泥岩2-1455.1022694.466.02-2505.0317362.462.32-3554.979427.539.2己15煤3-1455.204719.613.73-2505.206122.022.03-3555.00205.88.3己16、17煤4-1455.105121.715.14-2505.155818.618.54-3554.79248.111.4上位细砂岩5-1454.9825579.255.05-2505.1218762.562.55-3555.2311339.255.6（3）岩样的抗剪实验计算及相关参数分析岩样的抗剪实验如图2.11所示。岩石的抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的极限强度即剪切面上的切向应力。它是岩石力学性质中最重要的指标之一。剪切破坏面AB上正应力和剪应力的计算。1-钢垫板；2-变角剪切夹具上座；3-规则岩样；4-变角剪切夹具下座；5-滚柱图2.11 变角剪切夹具各测定角度下的平均正应力值和平均剪应力值直角坐标系中，不同角度下的平均测值的的连线为曲线，如图2.12所示。为了便于工程上的应用，可将岩石“正应力-剪应力”强度曲线简化为直线，简化后可用下列方程表示： （2-2）式中：为岩石强度曲线在轴上的截距，即岩石的内聚力；为岩石强度曲线的倾角，即岩石的内摩擦角。= f（） 图2.12 岩石剪切强度曲线粘结力（内聚力）和内摩擦角的值是表达岩石剪断条件的基本参数，岩石力学实验规范所规定的抗剪强度实验就是测定粘结力（内聚力）和内摩擦角这两项指标。而抗剪强度和这两个参数之间有着密切的关系。和值的计算：在简化后的直线上任意取点1点和2点，求出剪应力和，正应力和，代入下面的公式，即可求出和的值。 =- （2-3） （2-4）2.7.2 岩样抗拉试验做抗拉试验的岩样如图2.13所示，测定前，首先对岩样进行了直径和长度的测量。测量直径与长度的工具为游标卡尺，其测量量程为300 mm，精确度为0.02 mm。实验步骤 测定前核对岩样名称和岩样编号，对岩样颜色、颗粒、层理、节理、裂隙、风化程度以及加工过程中出现的问题进行统计，上位砂泥岩试件标号1-41-6，下位泥岩试件标号2-42-6，己15煤试件标号3-43-6，上位细砂岩试件标号4-44-6，己16、17煤试件标号5-45-6； 检查岩样加工精度，测量岩样尺寸； 选择材料试验机度盘时，一般应满足下式 （2-5）式中：为预计最大破坏载荷，kN；为材料试验机度盘最大值，kN。 （a）上位直接顶试件 （b）己15煤样试件图2.13 做抗拉试验的部分试件 通过岩样直径的两端，沿轴线方向画两条互相平行的线作为加载地基线，把岩样放入夹具内，夹具上下刀刃对准加载基线，用两侧夹持螺钉固定好岩样，见图2.14；1-尖端为R1刀刃；2-夹具座；3-刀承；4-岩样；5-夹持螺钉图2.14 劈裂法抗拉夹具示意图 把夹好岩样的夹具放入材料试验机上、下承压板之间，使岩样的中心线和材料试验机的中心线在一条直线上，见图2.15；1-承压板；2-岩样；3-钢丝图2.15载荷位置示意图 开动材料试验机，施加几百牛顿载荷后，松开夹具两侧夹持螺钉，然后以0.030.05Mpa/s速度加载，直到破坏。 记录破坏载荷，对破坏后的岩样进行拍照，见图2.16。 （a）上位直接顶试件（2-4） （b）上位直接顶破坏试件（2-4） （c）己15煤试件（3-4） （d）己15煤破坏试件（3-4）图2.16部分岩样的抗拉试验（2）实验数据通过对15个岩样的实验室抗拉强度的测定，得到数据，见表2.3。表2.3 岩样抗拉实验数据表岩样编号直径（cm）高度(cm)破坏载荷(kN)抗拉强度（Mpa）均值1-44.942.933.591.581.221-54.942.82.421.121-64.942.92.180.972-45.02.94.171.821.372-55.02.72.661.262-65.02.582.101.043-44.973.21.210.480.473.400.653-54.973.271.100.433-64-44-54-65-45-45-64.974.994.994.995.015.015.013.43.123.23.102.92.963.031.338.517.509.021.971.481.090.503.482.993.710.860.640.46（3）岩样的抗拉强度的计算岩样单向抗拉强度的计算公式: （2-6）式中：为岩样的抗拉强度，Mpa；为岩样的破坏载荷，kN；为岩样的直径，cm；为岩样的厚度，cm。2.7.3 岩样抗压及变形实验在测定前，首先对岩样进行了直径和长度的测量。实验步骤 测定前核对岩样名称和岩样编号，对岩样颜色、颗粒、层理、节理、裂隙、风化度以及加工过程中出现的问题进行描述，上位砂泥岩试件标号1-71-9，下位泥岩试件标号2-72-9，己15煤试件标号3-73-9，己16、17煤试件标号4-74-9，上位细砂岩试件标号5-75-9。 检查岩样的加工精度，测量岩样的尺寸（应在岩样高度中部两个互相垂直的方向测量其直径，取算术平均值）填入记录表内。 选择压力机度刻盘时，一般应满足下式： （2-7）式中：为预计最大破坏载荷，kN；为材料试验机度盘最大值，kN。 启动材料试验机，使材料试验机处于工作状态。将岩样置于材料试验机承压板中心，调整球形座，使岩样上下在受力均匀，岩样为脆性岩石时，应加设保护外罩。 以0.51.0Mpa/s的速度加载直至破坏。 记录破坏载荷以及加压过程中出现的现象，并对破坏后的岩样进行描述和拍照，如图2.17。 （a）上位直接顶试件（2-7） （b）上位直接顶破坏试件（2-7） （c）己15煤试件（3-7） （d）己15煤破坏试件（3-7）图2.17 部分岩样的抗压试验（2）实验数据通过对15个试件的实验室抗压强度测定，得到数据见表2.4。（3）相关参数分析岩石的变形实验过程与抗压实验相同，岩石的单轴抗压强度和弹性模量、泊松比等力学参数取决于岩石的组成结构、矿物颗粒性质以及微观裂隙等，对这些参数的测定十分重要。表2.4 岩样抗压实验数据表抗压编号载荷极限（KN）抗压强度（MPa）平均上位砂泥岩1-72.0310.81-81.819.69.41-91.487.9下位泥岩2-75.0226.62-84.6724.825.72-94.8625.815煤下位16煤上位细砂岩3-70.824.43-80.924.94.23-94-74-84-95-75-85-90.640.940.820.91.531.331.243.45.04.44.88.17.16.54.77.2 岩样单轴抗压强度的计算 （2-8）式中：为岩样单向抗压强度，Mpa；为岩样的破坏载荷，kN；为岩样的初始载面积，cm2。 应力的计算 （2-9）式中：为应力，Mpa；为与应变相对应的载荷，Mpa；为岩样的初始载面积，cm2。 弹性模量的计算弹性模量可按下式计算。 （2-10）式中：为切线（弹性）模量；为应力应变曲线中直线段始点的应力，Mpa；为应力应变曲线中直线段终点的应力，Mpa；为应力应变曲线中直线段始点的应变值；为应力应变曲线中直线段终点的应变值。 泊松比的计算根据应力纵向应变和应力横向应变两曲线上的对应直线段部分纵向应变和横向应变的平均值计算泊松比 （2-11）式中：为应力横向应变