1、巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)一巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)1.1概述當(dāng)無(wú)側(cè)限巖石試樣在縱向壓力作用下出現(xiàn)壓縮破壞時(shí)，單位面積上所承受的載荷稱(chēng)為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，即試樣破壞時(shí)的最大載荷與垂直于加載方向的截面積之比。在測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，也可同時(shí)進(jìn)行變形試驗(yàn)。不同含水狀態(tài)的試樣均可按本規(guī)定進(jìn)行測(cè)定，試樣的含水狀態(tài)用以下方法處理：(1) 烘干狀態(tài)的試樣，在105110OC下烘24h。(2) 飽和狀態(tài)的試樣，使試樣逐步浸水，首先淹沒(méi)試樣高度的1/4,然后每隔2h分別升高水面至試樣的1/3和1/2處，6h后全部浸沒(méi)試樣，試樣在水下自由吸水 48h;采用煮沸 法飽和試樣時(shí)，煮沸箱內(nèi)水面應(yīng)經(jīng)常保持高于試樣面，煮

2、沸時(shí)間不少于6h。1.2試樣備制(1) 試樣可用鉆孔巖芯或坑、槽探中采取的巖塊，試件備制中不允許有人為裂隙出現(xiàn)。 按規(guī)程要求標(biāo)準(zhǔn)試件為圓柱體，直徑為5cm，允許變化范圍為 4.85.2cm。高度為10cm,允許變化范圍為9.510.5cm。對(duì)于非均質(zhì)的粗粒結(jié)構(gòu)巖石，或取樣尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸者， 允許采用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，但高徑比必須保持=2:12.5:1。(2) 試樣數(shù)量，視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，一般情況下必須制備3個(gè)。(3) 試樣制備的精度，在試樣整個(gè)高度上，直徑誤差不得超過(guò)0.3mm。兩端面的不平行度最大不超過(guò)0.05mm。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不超過(guò)0.25度。1.3試樣描述試

3、驗(yàn)前的描述，應(yīng)包括如下內(nèi)容：(1) 巖石名稱(chēng)、顏色、結(jié)構(gòu)、礦物成分、顆粒大小，膠結(jié)物性質(zhì)等特征。(2) 節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及其分布，并記錄受載方向與層理、片理及節(jié)理裂隙之間的 關(guān)系。(3) 測(cè)量試樣尺寸，并記錄試樣加工過(guò)程中的缺陷。1.4主要儀器設(shè)備試樣加工設(shè)備：鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)或其他制樣設(shè)備。量測(cè)工具與有關(guān)檢查儀器：游標(biāo)卡尺、天平(稱(chēng)量大于500g,感量0.01g),烘箱和干燥箱，水槽、煮沸設(shè)備。加載設(shè)備：壓力試驗(yàn)機(jī)。壓力機(jī)應(yīng)滿足下列要求：(1) 有足夠的噸位，即能在總噸位的10%90%之間進(jìn)行試驗(yàn)，并能連續(xù)加載且無(wú)沖 擊。(2) 承壓板面平整光滑且有足夠的剛度，其中之一須具有球形座。

4、承壓板直徑不小于試樣直徑，且也不宜大于試樣直徑的兩倍。如大于兩倍以上時(shí)需在試樣上下端加輔助承壓板，輔助承壓板的剛度和平整光滑度應(yīng)滿足壓力機(jī)承壓板的要求。(3) 壓力機(jī)的校正與檢驗(yàn)應(yīng)符合國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。1.5試驗(yàn)程序(1) 根據(jù)所要求的試樣狀態(tài)準(zhǔn)備試樣。(2) 將試樣置于壓力機(jī)承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受力。載荷。(3)依每秒0.50.8MPa的加載速度對(duì)試樣加荷，直到試樣破壞為止，記錄最大破壞(4)描述試樣破壞形態(tài)，并記下有關(guān)情況。1.6成果整理和計(jì)算按下式計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度式中：c 巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa);P最大破壞載荷(N);A垂直于加載方向的試樣橫截面積(mm

5、2)。試驗(yàn)結(jié)果按表1-1記錄。表1-1巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)記錄表工程名稱(chēng)試驗(yàn)時(shí)間年 月 日巖石名稱(chēng)試樣編號(hào)受力方向含水狀態(tài)試直 徑(mm)試樣樣 尺寸最大破壞載 荷(N)單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)備 注高度(mm)橫截面積(mm2)描述班級(jí) 試驗(yàn)者組別計(jì)算者巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)圖1巖石試件貼電阻應(yīng)變片示意圖圖2試件連接靜態(tài)應(yīng)變儀示意圖實(shí)驗(yàn)二、巖石壓縮變形試驗(yàn)2.1概述巖石變形試驗(yàn)，是在縱向壓力作用下測(cè)定試樣的縱向(軸向)和橫向(徑向)變形，據(jù) 此計(jì)算巖石的彈性模量和泊松比。彈性模量是縱向單軸應(yīng)力與縱向應(yīng)變之比，規(guī)程規(guī)定用單軸抗壓強(qiáng)度的50%作為應(yīng)力和該應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)需要也可以確

6、定任何應(yīng)力下的彈性模量。泊松比是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比，規(guī)程規(guī)定用單軸抗壓強(qiáng)度 50%時(shí)的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)需要也可以求任何應(yīng)力下的泊松比。2.2試樣備制試樣備制方法和精度要求見(jiàn)1.2。2.3試樣描述試樣描述見(jiàn)1.3。2.4主要儀器設(shè)備(1) 制樣設(shè)備、檢查儀器和壓力機(jī)要求見(jiàn)1.4。(2) 電阻應(yīng)變片、粘結(jié)劑、萬(wàn)用表等。(3) 電阻應(yīng)變儀(或數(shù)據(jù)采集器)、壓力傳感器、引伸儀等。0.1%和量程能滿足變形測(cè)定需要的其他儀表。除用電阻應(yīng)變儀外，也可用精度能達(dá)到2.5試驗(yàn)程序(1) 選擇電阻片，電阻片質(zhì)量應(yīng)符合產(chǎn)品要求，電阻絲的長(zhǎng)度應(yīng)大于組成試樣的礦物最大粒徑或斑晶的10倍以上。同一

7、試樣用的工作片和補(bǔ)償片的電阻值應(yīng)不超過(guò)土0.2歐姆。(2) 電阻片應(yīng)貼在試樣高度的中部，每個(gè)試樣貼縱向(軸向)和圓周向電阻片各 2片, 沿圓周向?qū)ΨQ(chēng)布置，貼片處應(yīng)盡量避開(kāi)顯著的裂隙、 特大的礦物顆粒或斑晶。試樣貼片前用 零號(hào)砂紙打磨，用丙酮或酒精將貼片處擦洗干凈，防止污染(如圖 1所示)。(3) 貼片用的膠，一般情況下可用502快速粘結(jié)劑，914粘結(jié)劑等脆性膠；飽和試樣 還需配置防潮膠液。(4) 將貼好片的試樣置于壓力機(jī)上，對(duì)準(zhǔn)中心，以全橋或半橋的方式聯(lián)入應(yīng)變儀(或 數(shù)據(jù)采集器，如圖 2所示)，接通電源。以每秒 0.50.8MPa的加載速度對(duì)試樣加載，直至 破壞。(5) 在施加載荷的過(guò)程中，由

8、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄各級(jí)應(yīng)力及其相應(yīng)的縱向和橫向應(yīng)變值。為了繪制應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能多一些，通常不少于10組數(shù)據(jù)。(6) 描述試樣的破壞形式，并記下與試驗(yàn)有關(guān)的的情況。試驗(yàn)記錄格式見(jiàn)表2-1。2.6試驗(yàn)成果整理和計(jì)算2.6.1計(jì)算各級(jí)應(yīng)力下的應(yīng)變值(1) 分別將縱向、橫向各二片的數(shù)值進(jìn)行平均，求得縱向、橫向應(yīng)變，(也可試驗(yàn)前將二片串聯(lián)，直接測(cè)得縱向、橫向應(yīng)變值)。(2) 用下式計(jì)算體積應(yīng)變值：式中:v某一應(yīng)力下的體積應(yīng)變值;h 某一應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值;d 某一應(yīng)力下的橫向應(yīng)變值。(3) 繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖 3所示。彳全荷戡應(yīng)變軸宜微應(yīng)變圖3巖石壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線2.6.

9、2計(jì)算彈性模量和泊松比(1) 在縱向應(yīng)變曲線上，做通過(guò)原點(diǎn)與應(yīng)力相當(dāng)于50%抗壓強(qiáng)度處的應(yīng)變點(diǎn)的連線,其斜率即為所求的彈性模量(或稱(chēng)割線模量)。匚 50E50h50式中：E50彈性模量(MPa);h50 應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度 50%時(shí)的縱向應(yīng)變值。(2) 取應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度 50%時(shí)的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值計(jì)算泊松比。h5050%時(shí)的橫向應(yīng)變值;50%時(shí)的縱向應(yīng)變值。Pc d50式中：泊松比；d50應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度h50 應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度2.6.3計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度式中：c 巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa);P最大破壞載荷(N);A 垂直于加載方向的試樣橫截面積(mm2) °計(jì)算值取值彈性模量取至百

10、位數(shù)；泊松比取至小數(shù)點(diǎn)以后兩位；單軸抗壓強(qiáng)度取至整數(shù)位。表2-1巖石變形試驗(yàn)記錄表工程名稱(chēng)試樣直徑(mm)E50 =(MPa)巖石名稱(chēng)試樣高度(mm)=試樣編號(hào)試樣面積(mm2)c=(MPa)載荷(N)應(yīng)力(MPa)縱向應(yīng)變橫向應(yīng)變體積應(yīng)變備注班級(jí)試驗(yàn)者組別 計(jì)算者日期巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)三、巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(巴西法)3.1概述巴西法(劈裂法)是在圓柱體試樣的直徑方向上，施加相對(duì)的線性載荷，使之沿試樣直徑方向破壞的試驗(yàn)(如圖 4)。本方法可用于測(cè)烘干、自然干燥、飽和的試樣。本方法不適用于軟弱巖石。3.2試樣備制(1) 試樣可用鉆孔巖芯或巖塊，在取樣和試樣制備過(guò)程中，不允許人為裂隙出現(xiàn)。(

11、2) 采用圓柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，直徑為5cm，高度為直徑的0.51.0倍。試樣尺寸的 允許變化范圍不宜超過(guò) 5%。(3) 對(duì)于非均質(zhì)的粗粒結(jié)構(gòu)巖石，或取樣尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸者，允許使用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，但高徑比必需滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣的要求。(4) 試樣個(gè)數(shù)視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，一般情況下至少制備3個(gè)。(5) 試樣制備精度。整個(gè)厚度上，直徑最大誤差不應(yīng)超過(guò)0.1mm。兩端不平行度不宜超過(guò)0.1mm。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不應(yīng)超過(guò)0.25度。3.3試樣描述試樣描述同1.33.4主要儀器設(shè)備(1) 試樣加工設(shè)備、量測(cè)工具與有關(guān)儀器詳見(jiàn)1.4。(2) 加載設(shè)備：壓力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)符合1.4的規(guī)定，因巖石

12、的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度, 為了提高試驗(yàn)精度，所以選擇壓力試驗(yàn)機(jī)的噸位不宜過(guò)大。(3) 墊條：在巖石劈裂試驗(yàn)中，目前國(guó)內(nèi)外規(guī)程中，有加墊條、劈裂壓模、不加墊條三種，水利電力規(guī)程建議采用電工用的膠木板或硬紙板，其寬度與試樣直徑之比為 0.080.1 ;國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議采用壓模，壓模圓弧直徑為試樣直徑的1.5倍(如圖4);日本、美國(guó)等礦業(yè)規(guī)程建議采用不加墊條，使試樣與承壓板直接接觸。三種方法相比，最后一圖4巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)定示意圖半球座上加載鄂試件下加載鄂種比較簡(jiǎn)單所以用的較廣泛。3.5試驗(yàn)程序(1) 根據(jù)所要求的試樣狀態(tài)準(zhǔn)備試樣。(2) 將試樣平置于壓力機(jī)承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板使試樣

13、均勻受載。(3) 以每秒0.30.5MPa的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，并記錄最大破壞載荷。(4) 觀察試樣在受載過(guò)程中的破壞發(fā)展過(guò)程，并記錄試樣的破壞形態(tài)。巖石名稱(chēng)試樣編號(hào)受力方向含水狀態(tài)試樣尺寸破壞最大載 荷(N)巖石抗拉強(qiáng) 度(MPa)備注平均直徑(mm)平均厚度(mm)劈裂面積(mm2)試 樣 描 述工程名稱(chēng)日期組別計(jì)算者班級(jí)試驗(yàn)者表3-1巖石劈裂法試驗(yàn)記錄表4.6成果整理和計(jì)算(1)按下式計(jì)算巖石的抗拉強(qiáng)度2PDH式中:t巖石的抗拉強(qiáng)度(MPa);P試樣破壞時(shí)的最大載荷(N);D試樣直徑(mm);H試樣厚度(mm)。計(jì)算值取至小數(shù)點(diǎn)以后一位。實(shí)驗(yàn)四、巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)(變角剪切)4

14、.1概述標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣在有正應(yīng)力的條件下，剪切面受剪力作用而使試樣剪斷破壞時(shí)的剪力與剪 斷面積之比，稱(chēng)為巖石試樣的抗剪強(qiáng)度。利用幾個(gè)不同角度的抗剪夾具做試驗(yàn)，得出試樣沿剪斷面破壞的正應(yīng)力和剪應(yīng)力之間的關(guān)系，以確定巖石抗剪強(qiáng)度曲線的一部分。4.2試樣備制試樣為50 50 50mm或70 70 70mm的立方體，誤差小于0.20.3mm ,試樣各端面嚴(yán) 格平行，不平行度小于0.07mm，四面凸起小于 0.03mm。每組試驗(yàn)至少3個(gè)角度，每個(gè)剪切角度的試樣數(shù)目應(yīng)不少于23個(gè)，所以一組試驗(yàn)的試樣數(shù)目至少應(yīng)有 69個(gè)以上。圖5巖石變角剪示意圖圖6巖石變角剪加載示意圖4.3試驗(yàn)設(shè)備、用具壓力試驗(yàn)機(jī)，抗剪夾具

15、(20、30、40三個(gè))，卡尺及其它輔助設(shè)備。4.4試驗(yàn)程序(1) 描述試樣的顏色、顆粒、層理方向、加工精度等情況，在試樣上劃出剪切線。(2) 用游標(biāo)卡尺量測(cè)試樣的高、寬、長(zhǎng)的尺寸，精確到 0.05mm,并計(jì)算剪切面的面 積。(3) 把試樣和抗剪夾具一起放在壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板上，夾具與墊板之間放滾軸以消 除摩擦力，試樣和抗剪夾具周?chē)欧雷o(hù)罩。(4) 以每秒0.51.0MPa的速度加載，直到試樣剪斷為止，記錄下破壞時(shí)的載荷，格 式見(jiàn)表4-1。(5) 按20、30、45不同夾具，分別逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)角度做3件。4.5試驗(yàn)成果整理和計(jì)算(1)試樣受力狀態(tài)如圖 5、6所示，根據(jù)下式計(jì)算試樣所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。P sin AP -cos A式中：抗剪斷面上平均正應(yīng)力(Mpa);抗剪斷面上平均剪應(yīng)力(MPa);抗剪夾具的角度(剪力與豎直方向)(度)；P 試樣破壞時(shí)的載荷(N