岩石力学与工程实验指导书(修订)

1、PAGE PAGE 2岩石力学实实验指导导书湖南科技大大学能源与安全全工程学学院目 录录TOC o 1-1 h z u HYPERLINK l _Toc192862393 岩石物理性性质试验验 PAGEREF _Toc192862393 h 1 HYPERLINK l _Toc192862394 一、 HYPERLINK l _Toc192862396 岩石密密度试验验 PAGEREF _Toc192862396 h 6 HYPERLINK l _Toc192862400 岩石力学性性质试验验 PAGEREF _Toc192862400 h 18 HYPERLINK l _Toc1928624

2、01 一、岩石单单轴抗压压强度试试验 PAGEREF _Toc192862401 h 18 HYPERLINK l _Toc192862403 二、岩石抗抗拉强度度试验（劈裂法） PAGEREF _Toc192862403 h 24 HYPERLINK l _Toc192862404 三、岩石抗抗剪强度度试验(变角剪剪切) PAGEREF _Toc192862404 h 27四、 HYPERLINK l _Toc192862409 岩石力力学伺服服控制试试验 PAGEREF _Toc192862409 h 43岩 石 力 学 试 验 指 导 书PAGE 26岩石物理性性质试验验一、岩石密密度试

3、验验1概述岩石密度，即即单位体体积的岩岩石质量，是是试样质质量与试试样体积积之比。根据试样的的含水量量情况，岩岩石密度度可分为为烘干密密度、饱饱和密度度和天然然密度。一一般未说说明含水水情况时时，即指指烘干密密度。根据岩石类类型和试试样形态态，分别别采用下下述方法法测定其其密度：（1）凡能能制备成成规则试试样的岩岩石，宜宜采用量量积法。（2）除遇遇水崩解解、溶解解和干缩缩湿胀性性岩石外外，可采采用水中中称重法法。（3）不能能用量积积法或水水中称重重法进行行测定的的岩石，可可采用腊腊封法。用水中称重重法测定定岩石密密度时，一一般用测测定岩石石吸水率率和饱和和吸水率率的同一一试样同同时进行行测定。

4、2试样制备备2.1量积积法（1）试样样的形态态，可以以用圆柱柱体、立立方体或或方柱体体，根据据密度试试验后的的其他实实验要求求选择。（2）制备备的试样样，应具具有一定定的精度度，其精精度要求求应满足足其他试试验项目目的规定定。（3）每组组试验须须制备33个试样样，它们们须具有有充分的的代表性性。2.2腊封封法（1）试样样取边长长为46cm的近近似立方方体的岩岩块。（2）如需需测定天天然密度度时，拆拆除密封封后立即即称试样样重。（3）每组组试验须须制备33个试样样，它们们须具有有充分的的代表性性。3试样描述述（1）岩石石名称、颜颜色、结结构、矿矿物成分分、颗粒粒大小、胶胶结物质质等特征征。（2）

5、节理理裂隙的的发育程程度及其其分布。（3）试样样形态及及缺角，掉掉棱角等现象象。4主要仪器器设备4.1量积积法（1）钻石石机、切切石机、磨磨石机或或其他制制样设备备。（2）烘箱箱和干燥燥器。（3）称量量大于5500gg，感量量为0.01gg的天平平。（4）精度度为0.01mmm的测测量平台台或其他他仪表。4.2腊封封法（1）烘箱箱和干燥燥器。（2）石蜡蜡和熔蜡蜡用具。（3）称量量大于5500gg，感量量为0.01gg的天平平。（4）水中中称重装装置。5试验程序序5.1量积积法（1）试样样两端和和中间三三个断面面，测量量其互相相垂直的的两个直直径或边边长，计计算平均均值。（2）测量量均匀分分布于

6、周周边的四四点和中中间点的的五个高高度，计计算平均均值。（3）将试试样置于于烘箱中中，在11051100C的温温度下烘烘24hh，取出出后，即即放入干干燥器内内，冷却却至室温温后称重重。（4）本试试验要求求量测准准确至00.011mm，称称重准确确至0.01gg。5.2腊封封法（1）将试试样置于于烘箱中中，在11051100C的温温度下烘烘24hh，取出出后，即即放入干干燥器内内，冷却却至室温温后称重重。（2）用丝丝线缚住住试样，置置于温度度60C左右的的熔化石石蜡中112s，使使试样表表面均匀匀涂上一一层腊膜膜，其厚厚度约11mm左左右。蜡蜡封好后后，发现现有气泡泡时，用用热针刺刺穿并用用腊

7、涂平平孔口，然然后称试试样重。（3）将蜡蜡封试样样置于水水中称重重，然后后取出擦擦干表面面水分，在在空气中中称重。如如蜡封试试样浸水水后的重重量大于于浸水前前的重量量，应重重做试验验。（4）本试试验所有有称重均均准确至至0.001g。6成果整理理和计算算（1）用量量积法测测定试样样密度，按按下式计计算式中：岩石烘烘干密度度（g/cmm3）；试样烘烘干重量量（g）；平均面面积（ccm2）；平均高高度（ccm）。（2）用腊腊封法测测定试样样容重，按按下式计计算：式中：岩石烘烘干密度度（g/cm33）；试样烘烘干重量量（g）；蜡封试试样在空空气中重重量（gg）；蜡封试试样在水水中重量量（g）；石蜡密

8、密度（gg/cmm3）（石石蜡容重重可用水水中称重重法测定定，参见见11节节）。（3）如需需天然密密度时，可可按下式式计算：式中：岩石天天然密度度（g/cm33）岩石的的天然含含水量（）。（4）根据据实测岩岩石比重重和容重重，按下下式计算算总孔隙率：式中：岩石总总孔隙率率（）；（5）计算算值取小小数点以以后两位位。表3-1 密度试验验记录表表（量积积法） 工工程名称称_岩石名称试 样编 号试 样 尺 寸 （ccm）试样体积(cmm3)烘干试 样重量量（g）岩石 密度 (g/cm3)备 注直 径 或或 边 长高 度度平均值平均值班 级 组 别 日 期期试验者 计算者者 表3-2 密度试验验记录表

9、表（腊封封法） 工工程名称称_岩石名称试样编号试样重量（g）天然含水量(%)封蜡试样重重量（gg）蜡封试 样样体积(cm3)蜡体积(ccm3)试 样体 积(cmm3)岩石 密度(g/cmm3)岩石天然密密度(g/cmm3)备注天然含水状状态烘干状态空气中水中班 级 组 别 日 期期 试试验者 计算算者 岩石力学性性质试验验一、岩石单单轴抗压压强度试试验1概述当无侧限岩岩石试样样在纵向向压力作作用下出出现压缩缩破坏时时，单位位面积上上所承受受的载荷荷称为岩岩石的单单轴抗压压强度，即即试样破破坏时的的最大载载荷与垂垂直于加加载方向向的截面面积之比比。在测定单轴轴抗压强强度的同同时，也也可同时时进行

10、变变形试验验。不同含水状状态的试试样均可可按本规规定进行行测定，试试样的含含水状态态用以下下方法处处理：（1）烘干干状态的的试样，在在105511000C下烘烘24hh。（2）饱和和状态的的试样，使使试样逐逐步浸水水，首先先淹没试试样高度度的1/4，然然后每隔隔2h分分别升高高水面至至试样的的1/33和1/22处，66h后全全部浸没没试样，试试样在水水下自由由吸水448h；采用煮煮沸法饱饱和试样样时，煮煮沸箱内内水面应应经常保保持高于于试样面面，煮沸沸时间不不少于66h。2试样备制制（1）试样样可用钻钻孔岩芯芯或坑、槽槽探中采采取的岩岩块，试试件备制制中不允允许有人人为裂隙隙出现。按按规程要要

11、求标准准试件为为圆柱体体，直径径为5ccm，允允许变化化范围为为4.85.2ccm。高高度为110cmm，允许许变化范范围为99.510.55cm。对对于非均均质的粗粗粒结构构岩石，或或取样尺尺寸小于于标准尺尺寸者，允允许采用用非标准准试样，但但高径比比必须保保持=22:12.55:1。（2）试样样数量，视视所要求求的受力力方向或或含水状状态而定定，一般般情况下下必须制制备3个个。（3）试样样制备的的精度，在在试样整整个高度度上，直直径误差差不得超超过0.3mmm。两端端面的不不平行度度最大不不超过00.055mm。端端面应垂垂直于试试样轴线线，最大大偏差不不超过00.255度。3试样描述述试

12、验前的描描述，应应包括如如下内容容：（1）岩石石名称、颜颜色、结结构、矿矿物成分分、颗粒粒大小，胶胶结物性性质等特特征。（2）节理理裂隙的的发育程程度及其其分布，并并记录受受载方向向与层理理、片理理及节理理裂隙之之间的关关系。（3）测量量试样尺尺寸，并并记录试试样加工工过程中中的缺陷陷。4主要仪器器设备4.1试样样加工设设备钻石机、锯锯石机、磨磨石机或或其他制制样设备备。4.2量测测工具与与有关检检查仪器器游标卡尺、天天平（称称量大于于5000g，感量量0.001g），烘烘箱和干干燥箱，水水槽、煮煮沸设备备。4.3加载载设备压力试验机机。压力力机应满满足下列列要求：（1）有足足够的吨吨位，即即

13、能在总总吨位的的10%90%之间进进行试验验，并能能连续加加载且无无冲击。（2）承压压板面平平整光滑滑且有足足够的刚刚度，其其中之一一须具有有球形座座。承压压板直径径不小于于试样直直径，且且也不宜宜大于试试样直径径的两倍倍。如大大于两倍倍以上时时需在试试样上下下端加辅辅助承压压板，辅辅助承压压板的刚刚度和平平整光滑滑度应满满足压力力机承压压板的要要求。（3）压力力机的校校正与检检验应符符合国家家计量标标准的规规定。5试验程序序（1）根据据所要求求的试样样状态准准备试样样。（2）将试试样置于于压力机机承压板板中心，调调整有球球形座的的承压板板，使试试样均匀匀受力。（3）依每每秒0.50.88MP

14、a的加加载速度度对试样样加荷，直直到试样样破坏为为止，记记录最大大破坏载载荷。（4）描述述试样破破坏形态态，并记记下有关关情况。6成果整理理和计算算按下式计算算岩石单单轴抗压压强度式中：岩石单单轴抗压压强度（MMPa）；最大破破坏载荷荷（N）；垂直于于加载方方向的试试样横截截面积（mm2）。试验结果按按表7-1记录录。表7-1 岩石石单轴抗抗压强度度试验记记录表 工程名名称_ 试验验时间_年_月月_日岩石名称试样编号受力方向含水状态试 样 尺 寸最大破坏载载 荷(N)单轴抗压强强 度(MPa)备 注注直 径 (mmm)高 度度 (mmm)横截面积(mm22)试 样样 描 述 班班 级级 组 别

15、 试试验者 计算者者 二、岩石抗抗拉强度度试验（劈裂法）1概述巴西法（劈劈裂法）是是在圆柱柱体试样样的直径径方向上上，施加加相对的的线性载载荷，使使之沿试试样直径径方向破破坏的试试验。本方法可用用于测烘烘干、自自然干燥燥、饱和和的试样样。本方方法不适适用于软软弱岩石石。2试样备制制（1）试样样可用钻钻孔岩芯芯或岩块块，在取取样和试试样制备备过程中中，不允允许人为为裂隙出出现。（2）采用用方形试试件试样样，尺寸为 mm。（3）对于于非均质质的粗粒粒结构岩岩石，或或取样尺尺寸小于于标准尺尺寸者，允允许使用用非标准准试样，但但高径比比必需满满足标准准试样的的要求。（4）试样样个数视视所要求求的受力力

16、方向或或含水状状态而定定，一般般情况下下至少制制备3个个。（5）试样样制备精精度。整整个厚度度上，直直径最大大误差不不应超过过0.11mm。两两端不平平行度不不宜超过过0.11mm。端端面应垂垂直于试试样轴线线，最大大偏差不不应超过过0.255度。3试样描述述（略）4主要仪器器设备（1）试样样加工设设备、量量测工具具与有关关仪器详详（略）（2）加载载设备：压力试试验机应应符合规规定，因因岩石的的抗拉强强度远低低于抗压压强度，为为了提高高试验精精度，所所以选择择压力试试验机的的吨位不不宜过大大。5试验程序序（1）根据据所要求求的试样样状态准准备试样样。（2）将试试样平置置于压力力机承压压板中心心

17、，调整整有球形形座的承承压板使使试样均均匀受载载。（3）以每每秒0.30.55MPaa的加载载速度加加荷，直直到试样样破坏为为止，并并记录最最大破坏坏载荷。（4）观察察试样在在受载过过程中的的破坏发发展过程程，并记记录试样样的破坏坏形态。表9-1 岩岩石劈裂裂法试验验记录表表 工工程名称称_岩石名称试样编号含水状态试 样 尺 寸破坏最大载荷 (N)岩石抗拉强强 度(MPPa)备 注长（mm）宽(mm)高(mm)劈裂面积（mm2）试 样 描描 述班 级 组 别 日日期 试验者 计计算者 6成果整理理和计算算（1）按下下式计算算岩石的的抗拉强强度式中：岩石的的抗拉强强度（MMPa）；试样破破坏时的

18、的最大载载荷（NN）；a试样样边长(mmm)；计算值取至至小数点点以后一一位。三、岩石抗抗剪强度度试验(变角剪剪切)1概述标准岩石试试样在有有正应力力的条件件下，剪剪切面受受剪力作作用而使使试样剪剪断破坏坏时的剪剪力与剪剪断面积积之比，称称为岩石石试样的的抗剪强强度。利用几个不不同角度度的抗剪剪夹具做做试验，得得出试样样沿剪断断面破坏坏的正应应力和剪剪应力之之间的关关系，以以确定岩岩石抗剪剪强度曲曲线的一一部分。2试样备制制试样为50050500mm或77070070mmm的立方方体，误误差小于于0.220.3mmm，试试样各端端面严格格平行，不不平行度度小于00.077mm，四四面凸起起小于

19、00.033mm。每组试验至至少3个个角度，每每个剪切切角度的的试样数数目应不不少于223个个，所以以一组试试验的试试样数目目至少应应有69个以以上。 3试验设备备、用具具压力试验机机，抗剪剪夹具，卡卡尺及其其它辅助助设备。4试验程序序（1）描述述试样的的颜色、颗颗粒、层层理方向向、加工工精度等等情况，在在试样上上划出剪剪切线。（2）用游游标卡尺尺量测试试样的高高、宽、长长的尺寸寸，精确确到0.05mm，并并计算剪剪切面的的面积。（3）把试试样和抗抗剪夹具具一起放放在压力力试验机机的承压压板上，夹夹具与垫垫板之间间放滚轴轴以消除除摩擦力力，试样样和抗剪剪夹具周周围放防防护罩。（4）以每每秒0.

20、51.00MPa 的速度度加载，直直到试样样剪断为为止，记记录下破破坏时的的载荷，格格式见表表10-11。（5）按660、55、50 ，分别别逐个进进行试验验。5试验成果果整理和和计算（1）根据据下式计计算试样样所受的的正应力力和剪应应力。式中：抗剪断断面上平平均正应应力（MMpa）；抗剪断断面上平平均剪应应力（MMPa）；抗剪夹夹具的角角度（剪剪力与竖竖直方向向）（度度）；试样破破坏时的的载荷（NN）；剪断面面积（mmm2）。式中n为滚滚轴数量量，d为为滚轴的的直径（mmm），实实验所用用装置nn为122个，dd为122mm。（2）绘制制岩石抗抗剪强度度曲线图图。通过改变夹夹具的剪剪切角剪剪

21、切试样样，对于于每一个个角度可可以确定定试样的的一对剪剪应力、正应力力值，把把这些值值标在坐标图中中，连接接求得的的各点，即即可得到到如图所示的的岩石抗抗剪强度度曲线。岩石抗剪强强度部分分曲线图图岩石抗剪强强度试验验记录表表岩 石名 称试 样编 号岩 石特 征试 样 尺 寸夹具 角度度破坏载荷 （NN）剪应力(MMPa)正应力(MMPa)备 注长 (mmm)宽 (mmm)高 (mmm)面积(mmm2)试 样 描描 述班 级 组 别 日日期 试验者 计计算者 四、岩石力力学伺服服控制刚刚性试验验1概述普通的力学学试验机机是由加加载架、液液压系统统和测量量系统组组成，长长期以来来大多数数岩块的的变

22、形与与强度性性质的试试验都靠靠普通试试验机来来完成。但但在实践践中发现现，在进进行岩石石力学试试验时，当当达到岩岩石峰值值强度的的瞬间，往往往会发发生岩石石试件“爆裂”现象，以以至于很很难测得得接近或或达到峰峰值时的的应力与与应变关关系，更更无法获获得峰值值以后的的信息。岩石试件发发生“爆裂”现象主主要是：1）试试验机的的刚度比比岩石试试件的刚刚度小；2）当当岩石发发生破裂裂承载力力下降时时试验机机不能主主动“让压”。目前岩石力力学试验验克服岩岩石试件件发生“爆裂”的途径径是：11）提高高试验机机的刚度度；2）伺伺服控制制试件的的变形。2伺服控制制刚性试试验刚度是指材材料抵抗抗外力变变形的能能

23、力：式中：材料刚刚度；（MMN/mmm）外力，（）；位移，（mmm）；材料弹弹性模量量，（MMPa）；材料有有效面积积，（mmm2）；材料有有效长度度，（mmm）。一般岩石的的刚度都都大于00.5MMN/mmm，而而普通的的试验机机的刚度度只有00.1550.2 MN/mm，在在加载过过程中，试试验机和和试件都都储存弹弹性势能能：试验机的弹弹性势能能：岩石试件的的弹性势势能：在普通试验验机上进进行岩石石力学试试验时可可以看出出，在岩岩石试件件破裂的的瞬间，岩岩石试件件的承载载能力降降低，同同时其弹弹性势能能也伴随随裂纹的的扩张、声声响、震震动和热热能而消消耗掉；但试验验机的弹弹性势能能并没有有

24、消散，它它会完全全释放给给岩石试试件，那那么使得得岩石试试件吸收收比自身身的弹性性势能大大出很多多倍的势势能，使使得岩石石试件不不能承受受这么大大的弹性性势能，因因此发生生“爆裂”现象。如果提高试试验机的的刚度，即即，那么么试验机机在加载载的过程程中自身身储存的的弹性势势能就很很小，即即，在岩岩石试件件破裂的的瞬间，试试验机不不会释放放弹性势势能或释释放很少少的弹性性势能给给岩石试试件，这这时岩石石试件就就不会发发生“爆裂”现象。图23 电液液伺服控控制系统统示意图图电液伺服控控制系统统其控制制方式如如图233：由自自控系统统发出的的指令信信号，在在伺服控控制器中中与油缸缸的实际际位置信信号相比比较，成成为误差差的信号号放大后后，送入入电液伺伺服阀。伺伺服阀按按一定的的比例将将电流信信号转变变成液压