岩石力学与工程实验指导书修订.doc

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1、目录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27四、岩石力学伺服控制试验 43岩石物理性质试验岩石物理性质试验一、岩石密度试验1 1 概述概述岩石密度,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,

2、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 2 试样制备试样制备2.12.1 量积法量积法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。2.22.2 腊封法腊封法1试样取边长为 46cm 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 3 试样描述试样描述1岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小、胶结物质等特

3、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 4 主要仪器设备主要仪器设备4.14.1 量积法量积法11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。4.24.2 腊封法腊封法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 5 试验程序试验程序5.15.1 量积法量积法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

4、,在 105110C 的温度下烘 24h,取出后,即放入干燥器,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。5.25.2 腊封法腊封法1将试样置于烘箱中,在 105110C 的温度下烘 24h,取出后,即放入干燥器,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 12s,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。

5、6 6 成果整理和计算成果整理和计算1用量积法测定试样密度,按下式计算HAmdd式中：岩石烘干密度g/cm3 ；d试样烘干重量g ；dm平均面积cm2 ；A平均高度cm 。H2用腊封法测定试样容重,按下式计算：ndddmmmmm)()(121式中：岩石烘干密度g/cm3 ；d试样烘干重量g ；dm蜡封试样在空气中重量g ；1m蜡封试样在水中重量g ；2m石蜡密度g/cm3 石蜡容重可用水中称重法测定,参见 11 节 。n3如需天然密度时,可按下式计算：)01. 01 (do式中：岩石天然密度g/cm3o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：100)1 (sdn式中：

6、岩石总孔隙率 ；n5计算值取小数点以后两位。表表 3-13-1 密度试验记录表密度试验记录表量积法量积法工程名称_试 样 尺 寸 cm直 径 或 边 长高 度岩石名称试样编号平均值平均值试样体积烘干试样重量g岩石密度备 注班 级 组 别 日 期试验者 计算者 表表 3-23-2 密度试验记录表密度试验记录表腊封法腊封法工程名称_试样重量g封蜡试样重量g岩石名称试样编号天然含水状态烘干状态天然含水量空气中水中蜡封试 样体积蜡体积试样体积岩石 密度岩石天然密度备注班 级 组 别 日 期试验者 计算者 岩石力学性质试验岩石力学性质试验一、岩石单轴抗压强度试验一、岩石单轴抗压强度试验1 1 概述概述当

7、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 1051100C 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,煮沸箱水面应经常保持高于试样面,煮沸时间不少于 6h。2 2 试样备制试样备制1试样可用

8、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,允许变化围为 4.85.2cm。高度为 10cm,允许变化围为 9.510.5cm。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=2:12.5:1。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 3 试样描述试样描述试验前的描述,应包括如下容：1岩石名称、颜

9、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 4 主要仪器设备主要仪器设备4.14.1 试样加工设备试样加工设备钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。4.24.2 量测工具与有关检查仪器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。4.34.3 加载设备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

10、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 5 试验程序试验程序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 6 成果整理和计算成果整理和计算按下式计算岩石单轴抗压强度APc式中：岩石单轴抗压强度MPa ；c最大破坏载荷N ；P垂直于加载方向

11、的试样横截面积mm2 。A试验结果按表 7-1 记录。表表 7-17-1 岩石单轴抗压强度试验记录表岩石单轴抗压强度试验记录表 工程名称_试验时间_年_月_日试样尺寸岩石名称试样编号受力方向含水状态直径 高度 横截面积最大破坏载荷单轴抗压强度备 注试 样 描 述 班 级 组 别 试验者 计算者 二、岩石抗拉强度试验二、岩石抗拉强度试验劈裂法劈裂法1 1 概述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 2 试样备制试样备制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

12、人为裂隙出现。2采用方形试件试样,尺寸为mm。2550503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 3 试样描述试样描述略4 4 主要仪器设备主要仪器设备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。

13、5 5 试验程序试验程序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。表表 9-19-1 岩石劈裂法试验记录表岩石劈裂法试验记录表 工程名称_试 样 尺 寸岩石名称试样编号含水状态长mm宽高劈裂面积mm2破坏最大载荷 岩石抗拉强度备 注试 样 描 述班 级 组 别 日期 试验者 计算者 6 6 成果整理和计算成果整理和计算1按下式计算岩石的抗拉强度aPt6.0式中：岩石的抗拉强度MPa ；t试样破坏

14、时的最大载荷N ；Pa试样边长；计算值取至小数点以后一位。三、岩石抗剪强度试验三、岩石抗剪强度试验 1 1 概述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 2 试样备制试样备制试样为 505050mm 或 707070mm 的立方体,误差小于 0.20.3mm,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 23 个,所以

15、一组试验的试样数目至少应有 69 个以上。3 3 试验设备、用具试验设备、用具压力试验机,抗剪夹具,卡尺及其它辅助设备。4 4 试验程序试验程序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 0.51.0MPa 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 5 试验成果整理和计算试验成果整理和计算1根据下

16、式计算试样所受的正应力和剪应力。)sincosfAP （)cos(sinfAP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 ；P剪断面积mm2 。Afnd1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部分曲线图岩石抗剪强度试验记录表岩石抗剪强度试验记录表试 样

17、 尺 寸岩 石名 称试 样编 号岩 石特 征长 宽 高 面积夹具 角度破坏载荷 N剪应力正应力备 注试 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四、岩石力学伺服控制刚性试验1 1 概述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

18、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 2 伺服控制刚性试验伺服控制刚性试验刚度是指材料抵抗外力变形的能力：LEAlPK式中：材料刚度；MN/mmK外力, ；P位移,mm ；l材料弹性模量,MPa ；E材料有效面积,mm2 ；A材料有效长度,mm 。L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 0.150.2MN/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：mmmKPPuE22121岩石试件的弹性势能：rrrKPPuE22121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

19、瞬间,岩石mErE试件的承载能力降低,同时其弹性势能也伴随裂纹的扩、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mK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021limlim2mKmKKPEmm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。图图 2323 电液伺服控制系统示意图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

20、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Closed loop 。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围。当岩石试件发生破裂的瞬间,其承载能力

21、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。