岩石力学与工程实验指导书修订.docx

岩石力学与工程实验指导书修订.docx

《岩石力学与工程实验指导书修订.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石力学与工程实验指导书修订.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

岩石力学与工程实验指导书修订

岩石力学实验指导书

湖南科技大学

能源与安全工程学院

目录

岩石物理性质试验1

一、岩石密度试验6

岩石力学性质试验18

一、岩石单轴抗压强度试验18

二、岩石抗拉强度试验（劈裂法）24

三、岩石抗剪强度试验（变角剪切）27

四、岩石力学伺服控制试验43

岩石物理性质试验

一、岩石密度试验

1概述

岩石密度，即单位体积的岩石质量，是试样质量与试样体积之比。

根据试样的含水量情况，岩石密度可分为烘干密度、饱和密度和天然密度。

一般未说明含水情况时，即指烘干密度。

根据岩石类型和试样形态，分别采用下述方法测定其密度：

（1）凡能制备成规则试样的岩石，宜采用量积法。

（2）除遇水崩解、溶解和干缩湿胀性岩石外，可采用水中称重法。

（3）不能用量积法或水中称重法进行测定的岩石，可采用腊封法。

用水中称重法测定岩石密度时，一般用测定岩石吸水率和饱和吸水率的同一试样同时进行测定。

2试样制备

2.1量积法

（1）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。

（2）制备的试样，应具有一定的精度，其精度要求应满足其他试验项目的规定。

（3）每组试验须制备3个试样，它们须具有充分的代表性。

2.2腊封法

（1）试样取边长为4～6cm的近似立方体的岩块。

（2）如需测定天然密度时，拆除密封后立即称试样重。

（3）每组试验须制备3个试样，它们须具有充分的代表性。

3试样描述

（1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小、胶结物质等特征。

（2）节理裂隙的发育程度及其分布。

（3）试样形态及缺角，掉棱角等现象。

4主要仪器设备

4.1量积法

（1）钻石机、切石机、磨石机或其他制样设备。

（2）烘箱和干燥器。

（3）称量大于500g，感量为0.01g的天平。

（4）精度为0.01mm的测量平台或其他仪表。

4.2腊封法

（1）烘箱和干燥器。

（2）石蜡和熔蜡用具。

（3）称量大于500g，感量为0.01g的天平。

（4）水中称重装置。

5试验程序

5.1量积法

（1）试样两端和中间三个断面，测量其互相垂直的两个直径或边长，计算平均值。

（2）测量均匀分布于周边的四点和中间点的五个高度，计算平均值。

（3）将试样置于烘箱中，在105～110C的温度下烘24h，取出后，即放入干燥器内，冷却至室温后称重。

（4）本试验要求量测准确至0.01mm，称重准确至0.01g。

5.2腊封法

（1）将试样置于烘箱中，在105～110C的温度下烘24h，取出后，即放入干燥器内，冷却至室温后称重。

（2）用丝线缚住试样，置于温度60C左右的熔化石蜡中1～2s，使试样表面均匀涂上一层腊膜，其厚度约1mm左右。

蜡封好后，发现有气泡时，用热针刺穿并用腊涂平孔口，然后称试样重。

（3）将蜡封试样置于水中称重，然后取出擦干表面水分，在空气中称重。

如蜡封试样浸水后的重量大于浸水前的重量，应重做试验。

（4）本试验所有称重均准确至0.01g。

6成果整理和计算

（1）用量积法测定试样密度，按下式计算

式中：

——岩石烘干密度（g/cm3）；

——试样烘干重量（g）；

——平均面积（cm2）；

——平均高度（cm）。

（2）用腊封法测定试样容重，按下式计算：

式中：

——岩石烘干密度（g/cm3）；

——试样烘干重量（g）；

——蜡封试样在空气中重量（g）；

——蜡封试样在水中重量（g）；

——石蜡密度（g/cm3）（石蜡容重可用水中称重法测定，参见11节）。

（3）如需天然密度时，可按下式计算：

式中：

——岩石天然密度（g/cm3）

——岩石的天然含水量（）。

（4）根据实测岩石比重和容重，按下式计算总孔隙率：

式中：

——岩石总孔隙率（）；

（5）计算值取小数点以后两位。

表3-1密度试验记录表（量积法）

工程名称___________

岩石名称

试样

编号

试样尺寸（cm）

试样

体积

（cm3）

烘干试样重量

（g）

岩石密度

（g/cm3）

备注

直径或边长

高度

平均值

平均值

班级组别日期

试验者计算者

表3-2密度试验记录表（腊封法）

工程名称___________

岩

石

名

称

试

样

编

号

试样重量（g）

天然

含水量

（%）

封蜡试样重量（g）

蜡封试样体积

（cm3）

蜡体积

（cm3）

试样体积（cm3）

岩石

密度

（g/cm3）

岩石天然密度

（g/cm3）

备注

天然含水状态

烘干

状态

空气中

水中

班级组别日期

试验者计算者

岩石力学性质试验

一、岩石单轴抗压强度试验

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，单位面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105～1100C下烘24h。

（2）饱和状态的试样，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1/3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，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于6h。

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，允许变化范围为4.8～5.2cm。

高度为10cm，允许变化范围为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，但高径比必须保持=2:

1～2.5:

1。

（2）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，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，直径误差不得超过0.3mm。

两端面的不平行度最大不超过0.05mm。

端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。

3试样描述

试验前的描述，应包括如下内容：

（1）岩石名称、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其分布，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。

4主要仪器设备

4.1试样加工设备

钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。

4.2量测工具与有关检查仪器

游标卡尺、天平（称量大于500g，感量0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。

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）承压板面平整光滑且有足够的刚度，其中之一须具有球形座。

承压板直径不小于试样直径，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定。

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0.5～0.8MPa的加载速度对试样加荷，直到试样破坏为止，记录最大破坏载荷。

（4）描述试样破坏形态，并记下有关情况。

6成果整理和计算

按下式计算岩石单轴抗压强度

式中：

——岩石单轴抗压强度（MPa）；

——最大破坏载荷（N）；

——垂直于加载方向的试样横截面积（mm2）。

试验结果按表7-1记录。

表7-1岩石单轴抗压强度试验记录表

工程名称______________试验时间_____年___月___日

岩石名称

试样编号

受力方向

含水状态

试样尺寸

最大破坏载荷

（N）

单轴抗压强度（MPa）

备注

直径（mm）

高度（mm）

横截面积（mm2）

试样描述

班级组别

试验者计算者

二、岩石抗拉强度试验（劈裂法）

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。

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。

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，不允许人为裂隙出现。

（2）采用方形试件试样，尺寸为

mm。

（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定，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0.1mm。

端面应垂直于试样轴线，最大偏差不应超过0.25度。

3试样描述

（略）

4主要仪器设备

（1）试样加工设备、量测工具与有关仪器详（略）

（2）加载设备：

压力试验机应符合规定，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的吨位不宜过大。

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0.3～0.5MPa的加载速度加荷，直到试样破坏为止，并记录最大破坏载荷。

（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9-1岩石劈裂法试验记录表

工程名称________

岩石名称

试样编号

含水状态

试样尺寸

破坏最大

载荷

（N）

岩石抗拉强度（MPa）

备注

长（mm）

宽（

mm）

高

（mm）

劈裂面积

（mm2）

试样描述

班级组别日期

试验者计算者

6成果整理和计算

（1）按下式计算岩石的抗拉强度

式中：

——岩石的抗拉强度（MPa）；

——试样破坏时的最大载荷（N）；

a——试样边长（mm）；

计算值取至小数点以后一位。

三、岩石抗剪强度试验（变角剪切）

1概述

标准岩石试样在有正应力的条件下，剪切面受剪力作用而使试样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，得出试样沿剪断面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。

2试样备制

试样为505050mm或707070mm的立方体，误差小于0.2～0.3mm，试样各端面严格平行，不平行度小于0.07mm，四面凸起小于0.03mm。

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2～3个，所以一组试验的试样数目至少应有6～9个以上。

3试验设备、用具

压力试验机，抗剪夹具，卡尺及其它辅助设备。

4试验程序

（1）描述试样的颜色、颗粒、层理方向、加工精度等情况，在试样上划出剪切线。

（2）用游标卡尺量测试样的高、宽、长的尺寸，精确到0.05mm，并计算剪切面的面积。

（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0.5～1.0MPa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。

（5）按60、55、50，分别逐个进行试验。

5试验成果整理和计算

（1）根据下式计算试样所受的正应力和剪应力。

式中：

——抗剪断面上平均正应力（Mpa）；

——抗剪断面上平均剪应力（MPa）；

——抗剪夹具的角度（剪力与竖直方向）（度）；

——试样破坏时的载荷（N）；

——剪断面积（mm2）。

式中n为滚轴数量，d为滚轴的直径（mm），实验所用装置n为12个，d为12mm。

（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定试样的一对剪应力、正应力值，把这些值标在～坐标图中，连接求得的各点，即可得到如图所示的岩石抗剪强度曲线。

岩石抗剪强度部分曲线图

岩石抗剪强度试验记录表

岩石名称

试样编号

岩石特征

试样尺寸

夹具角度

破坏

载荷（N）

剪应力（MPa）

正应力（MPa）

备注

长（mm）

宽（mm）

高（mm）

面积（mm2）

试样描述

班级组别日期

试验者计算者

四、岩石力学伺服控制刚性试验

1概述

普通的力学试验机是由加载架、液压系统和测量系统组成，长期以来大多数岩块的变形与强度性质的试验都靠普通试验机来完成。

但在实践中发现，在进行岩石力学试验时，当达到岩石峰值强度的瞬间，往往会发生岩石试件“爆裂”现象，以至于很难测得接近或达到峰值时的应力与应变关系，更无法获得峰值以后的信息。

岩石试件发生“爆裂”现象主要是：

1）试验机的刚度比岩石试件的刚度小；2）当岩石发生破裂承载力下降时试验机不能主动“让压”。

目前岩石力学试验克服岩石试件发生“爆裂”的途径是：

1）提高试验机的刚度；2）伺服控制试件的变形。

2伺服控制刚性试验

刚度是指材料抵抗外力变形的能力：

式中：

——材料刚度；（MN/mm）

——外力，（Ｎ）；

——位移，（mm）；

——材料弹性模量，（MPa）；

——材料有效面积，（mm2）；

——材料有效长度，（mm）。

一般岩石的刚度都大于0.5MN/mm，而普通的试验机的刚度只有0.15－0.2MN/mm，在加载过程中，试验机和试件都储存弹性势能：

试验机的弹性势能：

岩石试件的弹性势能：

在普通试验机上进行岩石力学试验时可以看出

＞

，在岩石试件破裂的瞬间，岩石试件的承载能力降低，同时其弹性势能也伴随裂纹的扩张、声响、震动和热能而消耗掉；但试验机的弹性势能并没有消散，它会完全释放给岩石试件，那么使得岩石试件吸收比自身的弹性势能大出很多倍的势能，使得岩石试件不能承受这么大的弹性势能，因此发生“爆裂”现象。

如果提高试验机的刚度，即

，那么试验机在加载的过程中自身储存的弹性势能就很小，即

，在岩石试件破裂的瞬间，试验机不会释放弹性势能或释放很少的弹性势能给岩石试件，这时岩石试件就不会发生“爆裂”现象。

图23电液伺服控制系统示意图

电液伺服控制系统其控制方式如图23：

由自控系统发出的指令信号，在伺服控制器中与油缸的实际位置信号相比较，成为误差的信号放大后，送入电液伺服阀。

伺服阀按一定的比例将电流信号转变成液压油量推动油缸运动。

位置传感器监测活塞所在位置是否符合指令信号，同时发出的反馈信号到伺服控制器，直至于指令信号相等时，油缸停止运动。

油缸停在指定的位置上，使伺服阀稳定在一定的开度上，这种控制方式称为闭环控制方式（Closedloop）。

在岩石力学试验过程中，当岩石试件反馈的变形速率信号与预定的的信号不一致的时候，伺服控制器会产生相应的比较信号，推动伺服阀动作，加大或是减小加载装置的油源供给量，使岩石试件的变形速率始终控制在适当的范围内。

当岩石试件发生破裂的瞬间，其承载能力减低，变形速率加大，这时伺服控制器会主动闭合伺服阀门，减少油源的供给量，起到主动“让压”的作用，使得岩石试件克服“爆裂”现象，因此能够得出岩石试件峰值以及峰值以后的变形信息（见图24）。

图中阶段A为微裂隙与孔隙闭合，非线性变形；阶段B为可恢复弹性变形；阶段C是微裂隙处于单个稳定传播阶段，在该阶段，岩石从弹性变为塑性的转折点称为屈服点，岩石体积不变的点所对应的强度称为长期强度，其值大约为峰值强度的80％左右，从图中可以看出在该点曲线的切线斜率发生了改变；阶段D是破裂事件加速增加，体积变化也加速增加，开始发生扩容，形成拉伸或剪切破坏面的阶段。

从图中可以得出，B、C阶段应力应变曲线近似直线，当岩石试件的强度达到长期强度时，岩石开始发生扩容，从曲线上可以看出其切线（割线）模量发生了变化，随着时间增加其切线模量逐渐变小，当达到峰值强度时，其切线模量为零。