岩石力学与工程实验指导书.doc

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1、 岩石力学与工程实验指导书 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 1 岩石力学性质试验 6 一、岩石单轴抗压强度试验 6 二、岩石抗拉强度试验（劈裂法） 10 三、岩石抗剪强度试验(变角剪切) 13 四、岩石力学伺服控制试验 16 岩石物理性质试验 一、岩石密度试验 1概述 岩石密度，即单位体积岩石质量，是试样质量与试样体积之比。 根据试样含水量情况，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岩石，宜采用量积法。 （2）除遇水崩解、溶

2、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同一试样同时进行测定。 2试样制备 2.1量积法 （1）试样形态，可以用圆柱体、立方体或方柱体，根据密度试验后其他实验要求选择。 （2）制备试样，应具有一定精度，其精度要求应满足其他试验项目规定。 （3）每组试验须制备3个试样，它们须具有充分代表性。 2.2腊封法 （1）试样取边长为46cm近似立方体岩块。 （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，它们须具有充分代表性。 3试样描述 （1）岩石

3、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天平。 （4）精度为0.01mm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，测量其互相垂直两个直径或边长，计算平均值。 （2）测量均匀分布于周边四点和中间点五个高度，计算

4、平均值。 （3）将试样置于烘箱中，在105110C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105110C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。如蜡封试样浸水后重量大于浸水前重量，应重做试验。 （4）本试验所有称重均准

5、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 HAmdd? 式中： d?岩石烘干密度（g/cm3）； dm试样烘干重量（g）； A平均面积（cm2）； H平均高度（cm）。 （2）用腊封法测定试样容重，按下式计算： ndddmmmmm?)()(121? 式中： d?岩石烘干密度（g/cm3）； dm试样烘干重量（g）； 1m蜡封试样在空气中重量（g）； 2m蜡封试样在水中重量（g）； n?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： )01.01(?do 式中： o?岩石天然密度（g/cm3） ?岩石天然

6、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： n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_岩名c试体(c)烘干样重岩密(g/c)平均平均 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

7、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，单位面积上所承受载荷称为岩石单轴抗压强度，即试样破坏时最大载荷与垂直于加载方向截面积之比。 在测定单轴抗压强度同时，也可同时进行变形试验。 不同含水状态试样均可按本规定进行测定，试样含水状态用以下方法处理： （1）烘干状态试样，在1051100C下烘24h。 （2）饱和状态试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度1/4，然后每隔2h分别升高水面至试样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

8、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）试样制备精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。两端面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 试验前描述，

9、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关系。 （3）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中缺陷。 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）有足够吨位，即能在总吨位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刚度，其中之一须具有球形座。承压板

10、直径不小于试样直径，且也不宜大于试样直径两倍。如大于两倍以上时需在试样上下端加辅助承压板，辅助承压板刚度和平整光滑度应满足压力机承压板要求。 （3）压力机校正与检验应符合国家计量标准规定。 5试验程序 （1）根据所要求试样状态准备试样。 （2）将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座承压板，使试样均匀受力。 （3）依每秒0.50.8MPa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 APc? 式中： c?岩石单轴抗压强度（MPa）； P最大破坏载荷（N）； A垂直于加载方向试样横截面积（mm2）

11、。 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_日岩石名试样编受力方含水状最大破(N)单轴抗(MP(mm)(mm)横截面(m) 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）是在圆柱体试样直径方向上，施加相对线性载荷，使之沿试样直径方向破坏试验。 本方法可用于测烘干、自然干燥、饱和试样。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255050? mm。 （3）对于非均质粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许使

12、用非标准试样，但高径比必需满足标准试样要求。 （4）试样个数视所要求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吨位不宜过大。 5试验程序 （1）根据所要求试样状态准备试样。 （2）将试样平置于压力机承压板中心，调整有球形座承压板使试样均匀受载。 （3）以每

13、秒0.30.5MPa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破坏发展过程，并记录试样破坏形态。 表9-1 岩石劈裂法试验记录表工程名_岩石名试样编含水状破坏最载(N)岩石抗(MPa)m(mm)(mm)劈裂面m 班 级 组 别 日期 试验者 计算者 6成果整理和计算 （1）按下式计算岩石抗拉强度 aPt6.0? 式中： t?岩石抗拉强度（MPa）； P试样破坏时最大载荷（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条件下，剪切面受剪力作用而使试样剪断破坏时剪力与剪断面积之比，称为

14、岩石试样抗剪强度。 利用几个不同角度抗剪夹具做试验，得出试样沿剪断面破坏正应力和剪应力之间关系，以确定岩石抗剪强度曲线一部分。 2试样备制 试样为 505050mm或707070mm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，每个剪切角度试样数目应不少于23个，所以一组试验试样数目至少应有69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高、宽、长尺寸，精确到0.05mm，并

15、计算剪切面面积。 （3）把试样和抗剪夹具一起放在压力试验机承压板上，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 速度加载，直到试样剪断为止，记录下破坏时载荷，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正应力和剪应力。 )sincos?fAP?（ )cos(sin?fAP? 式中： ?抗剪断面上平均正应力（Mpa）； ?抗剪断面上平均剪应力（MPa）； ?抗剪夹具角度（剪力与竖直方向）（度）； P试样破坏时载荷（N）； A剪断面积（mm2）。 ?fnd1 式中n为滚轴数量

16、，d为滚轴直径（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。 通过改变夹具剪切角剪切试样，对于每一个角度可以确定试样一对剪应力、正应力值，把这些值标在坐标图中，连接求得各点，即可得到如图所示岩石抗剪强度曲线。 岩石抗剪强度部分曲线图 岩石抗剪强度试验记录表夹角破载剪应(MPa)正应(MP(m(m(mm)面(m) 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变形与强度性质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

17、强度瞬间，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应力与应变关系，更无法获得峰值以后信息。 岩石试件发生“爆裂”现象主要是：1）试验机刚度比岩石试件刚度小；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”途径是：1）提高试验机刚度；2）伺服控制试件变形。 2伺服控制刚性试验 刚度是指材料抵抗外力变形能力： LEAlPK? 式中： K材料刚度；（MN/mm） P外力，（）； l?位移，（mm）； E材料弹性模量，（MPa）； A材料有效面积，（mm2）； L材料有效长度，（mm）。 一般岩石刚度都大于0.5MN/mm，而普通试

18、验机刚度只有0.150.2 MN/mm，在加载过程中，试验机和试件都储存弹性势能： 试验机弹性势能：mmmKPPuE22121? 岩石试件弹性势能：rrrKPPuE22121? 在普通试验机上进行岩石力学试验时可以看出mErE，在岩石试件破裂瞬间，岩石试件承载能力降低，同时其弹性势能也伴随裂纹扩张、声响、震动和热能而消耗掉；但试验机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弹性势能大出很多倍势能，使得岩石试件不能承受这么大弹性势能，因此发生“爆裂”现象。 如果提高试验机刚度，即?mK，那么试验机在加载过程中自身储存弹性势能就很小，即02 1limlim2?mKmKK

19、PEmm，在岩石试件破裂瞬间，试验机不会释放弹性势能或释放很少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：由自控系统发出指令信号，在伺服控制器中与油缸实际位置信号相比较，成为误差信号放大后，送入电液伺服阀。伺服阀按一定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。油缸停在指定位置上，使伺服阀稳定在一定开度上，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，当岩石试件反馈变形速率

20、信号与预定信号不一致时候，伺服控制器会产生相应比较信号，推动伺服阀动作，加大或是减小加载装置油源供给量，使岩石试件变形速率始终控制在适当范围内。当岩石试件发生破裂瞬间，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，减少油源供给量，起到主动“让压”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转折点称为屈服点，岩石体积不变点所对应强度称为长期强度 ，其值大约为峰值强度80左右，从图中可以看出在该点曲线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。