室内岩石试验(单轴)1

1、岩石力学性质试验主讲：付 小 敏成都理工大学环境与土木工程学院 一、引言一、引言 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 提提 纲纲一、引一、引 言言岩石的力学性质岩块在力的作用下所表现的性质。 岩石同其它固体材料一样，在不大的力的作用下，首先发生变形；增大作用力，变形量随之增加；当力和变形量超过一定的限度以后，即发生破坏。 岩石的力学性质承受力的作用而发生变形的性能（变形性）抵抗力的作用而保持其自身完整的抗破坏性能（抗破坏性） 在作用力不断增大的过程中，岩石的变形和破坏是一个统一的连续过程，破坏的累进性的。 一、引言一、引言 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验

2、 提提 纲纲 试件在轴向压力下产生轴向压缩、横向膨胀，最后导致破坏单轴压缩试验。可测定试件的抗压强度和弹性常数一）基本原理二）仪器设备三）试验方法四）成果整理二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 一）基本原理 1、岩石抗压强度试验 岩石的抗压强度岩石抵抗单轴压力破坏的最大能力。即标准岩石试样在压力作用下破坏时的最大荷载与垂直于加荷方向的截面积之比。 岩样饱水后，其强度降低，这种现象称为软化，用软化系数表示。 软化系数饱水试样的抗压强度与干燥试样的抗压强度之比。 一般情况要求测定岩样的干抗压强度和饱水抗压强度并计算岩样的软化系数。 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形

3、试验 2、岩石变形试验 岩石在弹性极限以内的单轴压力作用下，其应力和应变之比近于常数，此比值称为弹性模量。横向应变与纵向应变之比称为泊松比。 在纵向压力作用下测定试样的纵向变形和横向变形，并据以计算岩石的弹性模量和泊松比。通常用抗压强度的50的应力和相应的纵向应变值计算弹性模量，用该应力下的横向应变值和纵向应变值计算泊松比。也可根据需要计算任何应力下的弹性模量和泊松比。 根据要求，可对不同含水状态的岩样进行试验。二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验二）仪器设备二）仪器设备 硬件硬件1 1、伺服控制刚性试验机、伺服控制刚性试验机 a、用岩石试件的变形（纵向、横向变形）控制加载速度

4、； b、刚度大。（5MN/mm)二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备 当岩石因破裂扩展发生大应变时，通过传感器把这一信号输入伺服控制器中，伺服控制器给伺服阀信号，使伺服阀打开，压力降低，使试件保持恒定的变形速率，从而控制了岩石的破坏，并得到峰值后的变形曲线。控 制 子 系 统液 压 源 子 系统主 机 子 系 统伺 服 阀电 源电 源图 2-1 MTS单 轴 试 验 系 统 结 构 简 图二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备传感器信号伺服循环伺服控制控制通道

5、输出通道输出通道误差对比程序命令反馈信号激励定位控制函数发生器 或伺服控制刚性试验机原理图伺服控制刚性试验机原理图 2 2、 TeststarTeststar 控制柜控制柜 显 示 器计 算 机 主 机TESTSTAR 控 制 器键 盘 和 鼠 标 输 入 设 置 参 数MTS伺 服 阀MTS液压 源MTS主 机 MTS手控 面 板二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备3 3、纵向（、纵向（Strain Strain 应变）应变） 环向引伸仪（环向引伸仪（CIRC CIRC 位移）位移）测量范围：Strain0.1、0.02 mm/mm（纵向应变）CIRC8、4

6、、1.6、0.8mm测量试件的环向位移。 岩样轴向引伸仪环向引伸仪二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备 软件软件1 1、系统程序、系统程序 a、定义（Edit） 输入信号（Input Signals)；控制通道（Control Channals)；手动模板显示（LUCP Display) ；计数器（Meters）；示波器。 b、调节（Adjust ) Input Signals: Force3000、1200、450KN LVDT50、5mm Strain0.1、0.02 mm/mm CIRC8、4、1.6、0.8mm 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强

7、度和变形试验 仪器设备仪器设备 2 2、试验程序、试验程序 a、控制方式 位移：LVDT、Strain、CIRC。 荷载：Force。 几种方式可任意互换。 b、加载方式 加载、卸载、保持、振动；可任意互换。 c、数据采集 主控信号： LVDT、Strain、CIRC、 Force、Time。 采集方式：连续、间隔。二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备 三）试验方法三）试验方法（一）试件制备（一）试件制备 1、试件可用岩芯或岩块加工制成。试件在采取、运输和制备过程中，应避免产生裂缝。 2、试件尺寸、大小和高径比对测试结果影响很大，采取标准试样。 标准试件的选择

8、原则： a、圆形试样具有轴对的特点，应力分布较均匀，优先选用； b、试样尺寸大于矿物颗粒10倍，考虑充分利用钻孔岩芯； c、试样高径比要考虑减少端部效应，在受力时不发生弯曲。 国家标准圆柱体：=4854mm高径比：2.02.5试件直径大于岩石最大颗粒尺寸的10倍 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法3、水利水电工程岩石试验规程： 2872/PRRReAD HRMPaeRMPaPNAmmDmmHmm标准抗压强度（）任意高径比的抗压强度 （）；破坏荷载 （ ） ；试件截面面积（）；试件直径（）；试件高（）。二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 试验

9、方法试验方法4、精度要求： a、试件两端面不平整度误差不得大于0.05mm； b、沿试件高度，直径的误差不得大于0.3mm； c、端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.250。 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 5、试件含水状态： 天然含水状态、烘干状态、饱和状态。 1） 烘干状态 将试件置于烘箱内，在1051100C温度下烘24h，取出放入干燥器内冷却至室温后称重。 2）饱水状态 a、自由水法饱和试件 将试件放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6h后全部淹没试件 。试件在水中自由吸水48h后，取出试

10、件并沾去表面水分称重。 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法b、真空抽气法饱和试件 饱和器内的水面高于试件； 真空压力100kPa； 总抽气时间4h； 在大气压力下静置4h，取出并沾去表面水分称重。 称量精确至0.01g。二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 （二）试验过程二）试验过程 1、安装传感器 利用橡皮筋把两个纵向引伸仪固定在沿试件轴向的两侧； 用链条环绕试件中部四周，将环向引伸仪的两支点插入链条端口。 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法2、设计试验控制程序 1）按照试验规程：加载速

11、率为0.51.0MPa/s， 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 2）国际岩石力学协会推荐加载速度 软岩（页岩、砂岩、泥岩等） LVDT控制：0.1mm/min 0.001mm/min 0.1mm/min； 硬岩（花岗岩、闪长岩、灰岩等） 0.1mm/min （ LVDT控制）0.001mm/min（ CIRC控制） 0.1mm/min （ LVDT控制） 。 破坏强度的7080%峰值后3、设计数据采集程序 a、以Force （轴向荷载）作为主控通道，每间隔一定值连续采集一组数据，包括： LVDT（轴向位移） 、Strain（轴向应变）、CIRC（环向位移）

12、。 b、以LVDT（轴向位移） 作为主控通道，每间隔一定值连续采集一组数据，包括： Force （轴向荷载）、Strain（轴向应变）、CIRC（环向位移）。 c、以Force （轴向荷载）作为主控通道，灵敏系数为 某一值（大于破坏值），采集破坏时的峰值荷载。 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 三）、成果整理三）、成果整理 FORCELVDTSTRAINCIRCkNmmmm/mmmm3.019198 0.008415 4.24E-06 1.3651836.027303 0.029088 2.22E-05 1.3646319.004396 0.044766

13、4.56E-05 1.36545812.0125 0.061649 7.04E-05 1.36545815.05162 0.077154 9.18E-051.3660118.02871 0.091625 0.000118 1.36628521.021310.10334 0.000138 1.36711224.01391 0.115916 0.000166 1.36766327.02202 0.127286 0.000191 1.36904230.06113 0.137623 0.000216 1.36959333.007210.14796 0.0002441.3704236.01532 0.1

14、58296 0.000263 1.37179839.03893 0.167255 0.000292 1.37290142.00052 0.175869 0.000315 1.374003LVDTFORCESTRAINCIRCmmNmm/mmmm0.050106 9547.096 4.70E-05 1.3651830.100411 19641.31 0.000139 1.3671120.150027 32914.18 0.000244 1.3706950.20016 50203.03 0.000386 1.3773110.25012 70050.31 0.0005511.385580.30008

15、1 89416.93 0.000732 1.3963290.350041 107651.6 0.000925 1.4114890.4000021236690.00114 1.4371230.450135 135623.90.00142 1.5013460.500095 116986.1 0.001662 1.9068020.55005640310.4 0.000806 2.9258180.600016 37550.38 0.000848 3.1204150.650149 28479.550.000843.344230.700109 24417.06 0.000984 3.5151220.750

16、07 22199.74 0.001173 3.6639640.80003 19486.25 0.001223 3.8128060.850163 17889.16 0.001192 3.9418030.900124 16927.81 0.0011824.062530.950084 16462.64 0.001193 4.1758151.000045 15175.66 0.001172 4.3133561.050005 14586.45 0.001199 4.4459361.100138 14214.310.00123 4.5832011.150098 14043.750.00125 4.7334

17、211.200231 13873.19 0.001243 4.899628FORCELVDTSTRAINCIRCkNmmmm/mmmm138.8956 0.468913 0.001553 1.551511二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 （一）计算各级应力及单轴抗压强度（一）计算各级应力及单轴抗压强度 1、各级应力 = P/A式中: 各级应力(MPa)； P与所测各组应变值相应的荷载(N)； A试件的截面积(mm2)。 2、岩石单轴抗压强度 R=Pf/A式中: R 岩石单轴抗压强度(MPa)； Pf试样破坏荷载(N)； A试件的截面积(mm2) 。二、单轴

18、压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理（二）绘制应力与纵向应变及横向应变关系曲线（二）绘制应力与纵向应变及横向应变关系曲线 二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理()分析纵向应变与轴向应力关系曲线分析纵向应变与轴向应力关系曲线 ()二、单轴压缩强度和变形试验二、单轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 oa阶段：压密阶段，曲线呈上凹阶段：压密阶段，曲线呈上凹型，岩石内微裂隙在外力作用下发型，岩石内微裂隙在外力作用下发生闭合；生闭合； ab阶段：弹性阶段，曲线呈近直阶段：弹性阶段，曲线呈近直线（近似弹性介质），线（近似弹性介质），b点为屈服

19、点。点为屈服点。用用E和和描述其变形特性。描述其变形特性。 bc阶段：塑性阶段，曲线呈下凹阶段：塑性阶段，曲线呈下凹型，岩石产生不可逆的塑性变形。型，岩石产生不可逆的塑性变形。c为岩石破坏点。为岩石破坏点。 cd阶段：应变软化阶段，峰值应阶段：应变软化阶段，峰值应力后，岩石仍有一定的承载能力，力后，岩石仍有一定的承载能力，并随着应变增大而减小。并随着应变增大而减小。 d点以后为摩擦阶段，岩石产生点以后为摩擦阶段，岩石产生宏观断裂面后，其摩擦具有宏观断裂面后，其摩擦具有 抵抗外抵抗外力的能力。力的能力。 （三）计算岩石平均弹性模量和岩石平均泊松比（三）计算岩石平均弹性模量和岩石平均泊松比 ()badbdaavavlblalblaavavablaalbbdaadbbEEMPa式中：岩石平均弹