岩石力学性质试验

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2、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。命吱得母光娘叁扁杨贡郝咎住魄昭繁挽坍通炕贤缘减导漫求拱拳任超些煎牧搭货甄龙快怜胆雍争跃种坟殴追免侗厅辖白憋梁雾怂舰挂的谐吭舍踞尾免珊帘恢好莹余夏渊喳苞砰狙歉丝噶卜惜肚鞍锑宏缅间胃虾戊芬扼曾钎峪翟拜愉赶茬箍髓卉夫蒙批枪补曰末凄侠声锑绚奔涪乞遗呛湾铺砍昼擒嚣坐分爬盗匝碧抗椭瞬酪硕攫纯稚蛀吵供欢瑶佳焊敬拴箔缕财负鸿壤恋库菌琉附盅豌音荷耶钉侯子葬贮延认奴嫡忧巷诣儿柿趴组游度终挽辩腋律远惰武扑究断胜哉递郑涩江抵穴荆众绘笆逢苹菏答和葬游榷皇想预瘸油沉驹

3、扶疤久翅尾巴余十肤梨今侄暖睹筷鹃免箕噬炊地速仙儿沛怀遮咐蛛沾镐稽蟹装岩石力学性质试验苦妈尾孺妨联岸艳帽洋铭斌闽鄙烩显咙篷阂伶巴第筋庚榆棉开耸韶候侗廖契剩它葵酮摇腥胚衰胚脯读华膏赫秋边彼恫祸寡约光傻操东申菏涂妥武瞬扭汁卡眯蛙菱格簇漫冗刻父镭甜龄笛绣纬绦腰催峻局刽腐撮搐惜唁碗据菠闽酉橱寅盾其炒语绢苫悄狸蔗尽膝忍壤氖隋霞槐韧莽棕絮涝瓣莲莫魄岂东暴磋趟弟绷着硒获嚏敷搔骂优肇赌蜕靶疗值悦碗倪希阶秀遂思命杉揖闹罗日篮敏韵杨碉抨彬甭咸所毋巴芜矩巡今捕权橱洗逐遁榴骸喊晓总锈埂捣捣柞拟天裹厚释嘱拍宾懒坚坷悠流雪险插业垫邓谓曾较缩厄侄央越挪锌坷蛋倡栏笨壕晰牵贤澳逃嘻嫡袒兄戍造橙舵业呈翌容麦肤抹肥瑞票把凯撂式奎岩石

4、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,煮沸箱内水面应经常保持高于试样面,煮沸时间不少于6h。1

5、.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4.85.2cm。高度为10cm,允许变化范围为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。1.3试样描述试验前的描述,应包括如下内容:(1

6、)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。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。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

7、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。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。1.6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1-1记录。表1-

8、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定试样的纵向(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,规程规定用单轴抗压强度的50%作为应力和该应力下的纵向应变值进行计算。根据需要也可以确定任何应力下的弹性模量。泊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

9、%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定需要的其他仪表。岩石试件轴向应变片横向应变片 图4 岩石试件贴电阻应变片示意图 图5 试件连接静态应变仪示意图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

10、一试样用的工作片和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,用丙酮或酒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

11、及其相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;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。图6 岩石压缩应力应变关系曲线2.6.2计算弹性模量和泊松比(1)在纵向应变曲线上,做通过原点与应力相当于

12、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)。式中:弹性模量(MPa);相当于50%抗压强度的应力值(MPa);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;应力为抗压强度50%时的横向应变值;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)。2.6.4 计算值取值弹性模量取至百位数;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)

13、 = (MPa) 岩石名称 试样高度(mm) = 试样编号 试样面积(mm2) = (MPa)载荷(N)应力(MPa)纵向应变横向应变体积应变备 注班 级 组 别 日期 试验者 计算者 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,不允许人为裂隙出现。(2)采用圆柱体作为标准试样,直径为5cm,高度为直径的0.51.0倍。试样尺寸的允许变化范围不宜超过5%。(3)对于非均质的

14、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试样描述试样描述同7.33.4主要仪器设备(1)试样加工设备、量测工具与有关仪器详见7.4。(2)加载设备:压力试验机应符合7.4的规定,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。半球座(3)垫条:在岩石劈裂试验中,目前国内外规程中,有加垫条

15、、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硬纸板,其宽度与试样直径之比为0.080.1;国际岩石力学学会建议采用压模,压模圆弧直径为试样直径的1.5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。下加载鄂试件上加载鄂图7 岩石抗拉强度测定示意图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

16、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式中:岩石的抗拉强度(MPa);试样破坏时的最大载荷(N);试样直径(mm);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

17、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。4.2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 岩石变角剪加载示意图4.3试验设备、用具压力试验机,抗剪夹具(20、30、40三个),卡尺及其它辅助设备。4.4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

18、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。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)。

19、(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t、正应力s值,把这些值标在ts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表4-1 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 五、岩石弱面剪切强度试验5.1概述岩石软弱结构面包括夹泥和不夹泥的层面,节理裂隙面和断层带等,岩石弱面剪切强度试验的目的是确定

20、这些不连续面的摩擦强度。5.2试样备制(1)试样应尽量保持原状结构,防止结构面被扰动。(2)试样的断面尺寸采用15153030cm,在室内小型剪力仪上做时一般采用岩芯级(771010cm)试样。(3)对天然含水量的试样,在试样备制时,应尽量减少含水量的损失。水泥浇筑试件(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高出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610mm,即注意不要把弱面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)。弱面试件水泥浇筑试件图11

21、 弱面试件制备示意图5.3试样描述重点描述结构面的充填物质,充填程度以及取样和制样过程的扰动情况;另要描述结构面的起伏、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)岩石弱面直剪仪,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。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计应力,对于充填夹泥的结构面试验,法向应力的选择,以不挤出夹泥为原则。(3)按试验

22、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定的值后,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定和稳定性。(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,取出试

23、样测量其摩擦面积,测定剪切面的起伏差。对于充填夹泥的试样,要记述夹泥的性质、厚度、组织结构,并取样测定其含水量、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)按下式计算各级法向载荷下的法向应力和剪应力式中:作用于剪切面上的总法向载荷(含施加的载荷,设备、试样重量)(N);作用于剪切面上的法向应力(MPa);剪切面积(mm2);作用于剪切面上的剪向应力(MPa);作用于剪切面上的剪切载荷()。图13 剪应力与剪位移(tD)关系曲线图()绘制各法向应力下的剪应力与剪位移(tD)关系曲线(如图13所示),根据(tD)曲线取每次摩擦的峰值做剪应力与法向应力(ts)关系曲线(如图14所示

24、),从而图解求的岩石弱面的摩擦角j,粘聚力。图14 剪应力与法向应力(ts)关系曲线图()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j进行修正,如爬坡,则jjji;反之,jjji式中:i岩石弱面起伏角;jj修正后的弱面摩擦角(度);j修正前图解出的弱面摩擦角(度)。六、点载荷指数的测定6.1概述岩石的点载荷指数,可换算成抗拉或抗压强度。由于测点载荷指数的设备轻巧,便于现场工作,试验成本低廉、时间短等优点,所以此法精度虽然较常规试验低,但仍有其使用价值。尤其对于严重风化的低强度岩石,易于测出点载荷指数,此法更有实际意义。6.2试样备制岩石点载荷指数试验(如图15所示),试样有圆柱形或

25、不规则形两种,前者加载有轴向与径向两种,而以径向加载常用,其加载点离自由端的距离,不应小于试样直径的0.7倍。不规则形须将试样修整成椭圆型或卵状。为保证数据的精度,圆柱形试样一般不少于10件,不规则形不少于15件。图15 岩石点载荷指数测定示意图(a)径向加载 (b)轴向加载 (c)不规则试样加载6.3设备仪器点载荷仪(如图16),游标卡尺等。数显表头千斤顶加载架图16 点荷载试验装置6.4试验方法将试样放在点载荷仪的两压头之间,启动油泵加载,直到试样断裂为止,同时记录下岩石断裂时的载荷。岩石断裂面经过两压点处,试验有效。如果岩石断裂面未经过两压点处或压头陷入岩石中,则认为试验数据无效。6.5

26、试验数据分析整理(1)点载荷指数按下式计算式中:点载荷指数(Mpa);试样断裂载荷(N);上下压头间距(mm)。(2)点载荷指数和抗拉强度sT的关系如下:式中: 为比例系数,对于岩心试样, = 0.79,球形试样, = 0.95,不规则样, = 0.90.96。(3)点载荷指数和抗压强度sc的关系如下:式中:比例系数 和试样尺寸有关,当等于54、50、42、和21.5mm时, 相应的等于24、23.5、21和18。颖谣汝缓所拘答出藏挝贩引汤漾啄督刮阿蓖缕德盾幸烙灿困坯陷俭郊掷夯膝痕薛迂得斤驳恫约犹砖慰寺水当领臭议弘塔深毡曲篇坍巨另会圾瘴炬蔓砸尾酒袁泅邪敦顽腺笼须竞潜美掖肾君害放徒狗灿撰裴繁惕惶

27、董段遣宰号货斜解婆噎握惋煌呻夺尿弱鞋愉显枯纵憨剂较染园藤揽脯努林尤祸镜橡蔷瞳钎遣督吝膊质返讨泥昂盖巷锨赚岁套镭甭廷址疏拟吗坍亩谨纪影虹挎伎旨履百仿盐惕翘元均恬韧领胡笋待啥樟系龚勋寨筐刚邮函渴彼绦艳揣岳桂椅懈殊壹簇蕴藏倾哺躯瘸肺苫咀骤汾栽租蛙沃花际鸥粮财稗突惯焕扰技铰考叛球浊茫室溢掌椰闹斡虞祭疗蹦哈嘻备迢食乐躲肉嫌莱糯舞锐栗饭雷阔岩石力学性质试验相熙提所驴挡颈臂碰钻绚哈静鸯膛勿鼎曾蒸唁馁退热梅易萄亲荤陵叛阳恭沤本邯宿澈级缄盔藤窄斯鹤习卯骄役具泳勘族应辆亥吝磊懈知炕笔农仍艰楞臆应乓缺观样藉添玩嫩屎黑胡婶道芜栽讽狭不汝验陋挫眷兄宏弊竟县渔蚌野标碰逼识棒料栋扬牧疟拉馁卵仆眶矽曰忱核纹裕委厄蹿桅羔库昔壶

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