岩石力学性质试验

1、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，单位而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105110C下烘24h。（2）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样髙度的1/4,然后每隔2h分别 升髙水而至试样的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，煮沸箱内水而应经常保持高于试样而，煮沸时间不少于

2、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,允许变化范用为4. 85.2cm。髙度为10cm, 允许变化范帀为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，但髙径比必须保持二2:12. 5:lo（2）试样数呈:，视所要求的受力方向或含水状态而泄，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，宜径误差不得超过0.3mm。两端而的不平 行度最大不超过0.05mm。端而应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0. 25度。1. 3试样描述

3、试验前的描述，应包括如下内容：（1）岩石划称、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英分布，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量测工具与有关检査仪器游标卡尺、天平（称疑大于500g,感MO.Olg）,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）承压板而平整光滑且有足够的刚

4、度，其中之一须具有球形座。承压板宜径不小于 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龙。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I上，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P按下式汁算岩石单轴抗压强度式中：%岩石单轴抗压强度（MPR：P一一最大破坏载荷（N）；A

5、垂直于加载方向的试样横截而积（mm）。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 试验时间年丿J _日岩石名称试样编号受力方 向含水状 态试样尺寸垠大破坏载 荷玳轴抗 压强 度（MPa）备注宜径(mm)Iff 度(mm)横截面税（mm）试样描述O O OD D D班级 试验者组别计算者二、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左试样的纵向（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，规程规立用单轴抗压强度的50%作为应力和 该应力下的纵向应变值进行计算。根据需要也可以确左任何应力下的弹性模戢。泊

6、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泄需要的英他仪表。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

7、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，用丙酮或洒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

8、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：式中:某一应力下的体积应变值;5 某一应力下的纵向应变值;-某一应力下的横向应变值。（3）绘制应力应变曲线图，如图6所示。径向細变岫向黴色变图6岩石压缩应力应变关系曲线2. & 2计算弹性模量和泊松比（1）在纵向应变曲

9、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）。试验者计算者=fSh5Q式中：5o一一弹性模量（MPa）：r50一一相当于50%抗压强度的应力值（MPa：%5o一一应力为抗压强度50%时的纵向应变值。（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。式中：/泊松比：匂50一应力为抗压强度50$时的横向应变值:勺50一一应力为抗压强度50%时的纵向应变值。2. 6. 3计算岩石单轴抗压强度P式中：6岩石单轴抗压强度（MPa）：P一一最大破坏载荷（N）：A垂直于加载方向的试样横截而积（mm）。2. 6. 4计算值取值弹性模量取

10、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）岩石名称试样高度（mm）/ =试样編号试样面积mm：）CT（= （MPa）戦荷（N）应力（MPQ纵向应变横向应变体积应变备注三、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，不允许人为裂隙岀现。（2）采用圆柱体作为标准试样，直径为5cm,髙度为直径的0.51

11、.0倍。试样尺寸的 允许变化范围不宜超过5%o（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左，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. lmrn。端而应垂直于试样轴线，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、虽测工具与有关仪器详见74。（2）加载设备：压力试验机应符合7. 4的规泄，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

12、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H更纸板，其宽度与试样直径之比为0. 080.1：国际岩石力学学会建议釆用压模，压模圆弧直径为试样直径的15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。图7岩石抗拉强度测定示意图下加载鄂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

13、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岩石名称试样编号受力方 向含水状 态试样尺寸破坏最大载 荷 （N）岩石抗拉强 度（MPa）备注平均直径（mm）平均厚 度 （mm）劈裂面 积（mm2）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2Pb =ttDH式中：6岩石的抗拉强度（MPa）；P一一试样破坏时的最大载荷（N）；D试样直径（mm）：H试样厚度（mm） 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，剪切而受剪力作用而使试样

14、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,得岀试样沿剪断而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50 50 50mm或70 70 70mm的立方体，误差小于020. 3mm,试样各端而 严格平行，不平行度小于0. 07mm,四而凸起小于003mm。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岩石变角剪加裁示意图4. 3试验设备、用具压力试验机，抗剪夹具（20、30、40三个），卡尺及英它辅助设备。4. 4试验程序

15、（1）描述试样的颜色、颗粒、层理方向、加工精度等情况，在试样上划岀剪切线。（2）用游标卡尺量测试样的髙、宽、长的尺寸，精确到0.05mm,并计算剪切而的而积。（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0.5l.OMPa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 o（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。Pb = sin aApr = cosaA式中：a一一抗剪

16、断而上平均正应力（Mpa）；r一一抗剪断而上平均剪应力（MPa）；a抗剪夹具的角度（剪力与竖直方向）（度）：P一一试样破坏时的载荷（N）：A剪断面积（mm：）。（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立试样的一对剪应力、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岩石 名称试样 編号岩石 特征试样尺寸夹具角度破坏裁荷（N）剪应 力 （MPa）正应 力 （MPa）备 注长(mm)宽(mm)高(mm)面积(mtn2)试 样描述 表41岩石抗剪强度试验记录表班级 试验者组别计算者日期五

17、、岩石弱面剪切强度试验5.1概述岩石软弱结构而包括夹泥和不夹泥的层而，节理裂隙而和断层带等，岩石弱而剪切强度 试验的目的是确定这些不连续而的摩擦强度。5. 2试样备制（1）试样应尽量保持原状结构，防止结构而被扰动。（2）试样的断而尺寸采用15 1530 30cm,在室内小型剪力仪上做时一般采用岩芯级（7 71010cm）试样。（3）对天然含水量的试样，在试样备制时，应尽疑减少含水量的损失。（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髙岀35mm,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6l

18、Oinm,即注意不要把弱而浇注在水泥或石 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弱面试件水泥浇筑试件水泥浇筑试件5. 3试样描述重点描述结构而的充填物质，充填程度以及取样和制样过程的扰动情况：另要描述结构 而的起伏、粗糙度。5. 4主要仪器设备（1）制备试样设备：模具，灰铲，捣棒等。（2）岩石弱而直剪仪，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。力加乐干斤顶匕和石膏浇

19、注的试竹棋了剪切伦砂测si酸冒上st舅切倉勢切面剪切in依干斤顶下部剪切*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讣应力，对于 充填夹泥的结构而试验，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左 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左和稳立性。（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. 20. 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

20、常数值时（或剪力向总位移量超过1520mm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，取岀试样测量英摩擦而积，测立剪切而的起伏差。对于充 填夹泥的试样，要记述夹泥的性质、厚度、组织结构，并取样测左苴含水量、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il算各级法向载荷下的法向应力和剪应力AXA式中：P一一作用于剪切面上的总法向载荷（含施加的载荷，设备、试样重疑）（N）：o-一一作用于剪切面上的法向应

21、力（MPa）：A剪切面积r 一一作用于剪切而上的剪向应力（MPa）：Q 一一作用于剪切而上的剪切载荷（N ）0t (KPa)图13剪应力与剪位移（D）关系曲线图（2 ）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C。1 (KPa)Z/50100 XoO 2C0250300tOO 1o0500O (KPa)图14剪应力与法向应力（）关系曲线图（3）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；=i：反之，= +i式中：i一一岩石弱而起伏角；,修正后的弱而摩擦角（度）：修正前图解出的弱面摩擦角（度）。六、点载荷指数的测定6.1概述岩右的点载荷指数，可换算成抗拉或抗压强度。由于测点载荷指数的设备轻巧，便于现