巖石三軸壓縮及變形試驗打印

1、巖石三軸壓縮及變形試驗一、概述巖石三軸試驗，是在三向應(yīng)力狀態(tài)下測定巖石的強度和變形的一種方法。本指導書介紹的是側(cè)向等壓的三軸試驗。本規(guī)定可用于測定烘干和飽和狀態(tài)的的試樣，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105110°C下烘24h。（2）飽和狀態(tài)的試樣，按7.1規(guī)定的進行飽和。為了便于資料分析，在進行三軸試驗的同時，應(yīng)制樣測定巖石的抗拉強度和單軸抗壓強度。二、試樣備制（1）試樣可用鉆孔巖心或坑槽探中采取的巖塊，試樣備制中不允許人為裂隙出現(xiàn)。（2）試樣為圓柱體，直徑不小于5cm，高度為直徑的22.5倍。試樣的大小可根據(jù)三軸試驗機的性能和試驗研究要求選擇。（3）試樣數(shù)

2、量，視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，每種情況下必須制備57個。（4）試樣制備的精度，在試樣整個高度上，直徑誤差不得超過0.3mm。兩端面的不平行度最大不超過0.05mm。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不超過0.25度。三、試樣描述試樣描述見7.3。四、主要儀器設(shè)備（1）試樣加工設(shè)備，量測工具與有關(guān)檢查儀器見7.4.1，7.4.2。（2）電阻應(yīng)變片、粘結(jié)劑、萬用表等。（3）電阻應(yīng)變儀（或數(shù)據(jù)采集器）、壓力傳感器、引伸儀等。除用電阻應(yīng)變儀外，也可用精度能達到0.1 %和量程能滿足變形測定需要的其它儀表。（4）三軸應(yīng)力試驗機（見圖11）。五、試驗程序5.1試樣的防油處理首先在準備好的試樣表面上涂上

3、薄層膠液（如聚乙烯醇縮醛膠等），待膠液凝固后，再在試樣上套上耐油的薄橡皮保護套或塑料套，與試樣兩端的密封件配合，以防止試樣試驗中進油及試樣破壞后碎屑落入壓力室。5.2安裝試樣把密封好的試樣放置于保護筒中，將壓力室頂部的螺旋壓帽組件卸下并吊裝在橫梁上升起，然后將放置于保護筒中的試樣，用卡桿吊放入三軸試驗機的壓力室內(nèi)。保護筒的下端有一凸出的球柱，此時要注意使球柱對準壓力室底部中心的圓銷孔，并放置平穩(wěn)。試樣在壓力室中安置好后，即可向壓力室內(nèi)注油，直至油液達到預定的位置為止，然后用螺旋壓帽組件封閉壓力室。5.3安裝測量變形儀表（1）用測微表或位移傳感器適用于測定試樣的縱向變形，測表可按裝在壓力室頂部，

4、三軸試驗機壓力室構(gòu)件的變形，應(yīng)在試驗前率定，在計算變形時予以扣除。（2）用電阻應(yīng)變儀可測定試樣的縱向和橫向應(yīng)變。試驗前在試樣上貼上電阻應(yīng)變片，將試樣上焊接好的導線從壓力室的導線孔中引出，與應(yīng)變儀連接。圖三軸試件示意圖5.4側(cè)向應(yīng)力選擇須考慮下述條件：（1）所選定的側(cè)向應(yīng)力須使所求的莫爾包絡(luò)線能明顯的反映出所需要的應(yīng)力區(qū)。（工程試驗中，巖樣所在位置的側(cè)向應(yīng)力一般由實測而確定，也可由計算而給出）。（2）應(yīng)適當?shù)卣疹櫟侥獱柊j(luò)線的各個階段。（3）最小側(cè)壓力的選定，應(yīng)考慮試驗機的精度。5.5選擇軸向載荷量程根據(jù)已選定的側(cè)向應(yīng)力值，按下述經(jīng)驗公式選擇軸向載荷量程：式中： 可能的軸向破壞載荷（N）；試樣的

5、單軸抗壓強度（MPa）；側(cè)向應(yīng)力（MPa）；系數(shù)，其值為47；試樣的橫截面積（mm2）。5.6加載速度試驗時，先施加側(cè)向壓力到預定值，其加載速度宜控制在每秒0.05MPa左右，以保持側(cè)向壓力穩(wěn)定性，整個試驗過程中側(cè)向壓力的變化范圍不得超過預定值的2%，然后以每秒0.81.0MPa的加載速度施加軸向荷載，直至破壞，并記錄破壞時的最大載荷及相應(yīng)的側(cè)向壓力值。5.7變形記錄在施加軸向荷載的過程中，同步記錄下各級應(yīng)力下的縱向和橫向應(yīng)變（采用電阻應(yīng)變儀）或縱向變形值（采用測微表）。為了繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線（如圖15），測點應(yīng)盡量多一些，一個試樣通常不少于10組測值，記錄表格見表11-1。5.8破裂形式描述試

6、驗結(jié)束后，取出試樣，進行破壞形式描述。六、成果整理和計算6.1計算不同側(cè)向應(yīng)力下的軸向應(yīng)力值式中：不同側(cè)向應(yīng)力時的軸向應(yīng)力值（MPa）；軸向破壞載荷（N）；試樣的橫截面積（mm2）。6.2根據(jù)軸向應(yīng)力1和側(cè)向應(yīng)力3求巖石的內(nèi)摩擦角j和粘聚力C圖13 最佳關(guān)系曲線圖14 莫爾應(yīng)力圓（1）以為縱坐標，為橫坐標繪制最佳關(guān)系曲線（直線），如圖13所示，按下式直接求，值：式中：巖石的粘聚力（MPa）； 巖石的內(nèi)摩擦角（度）；最佳關(guān)系曲線縱坐標的應(yīng)力截距（MPa）；最佳關(guān)系曲線的斜率。（2）在最佳關(guān)系曲線（直線）上選定若干組對應(yīng)的值，在剪應(yīng)力與正應(yīng)力坐標圖上以為圓心，以為半徑繪制莫爾應(yīng)力圓（如圖14），根

7、據(jù)莫爾庫侖強度理論確定三軸應(yīng)力狀態(tài)下巖石的抗剪強度參數(shù)。6.3繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線（1）用測微表測定變形時，軸向應(yīng)變按下式計算：式中：軸向應(yīng)變值；試樣高度（mm）；試樣壓縮變形值（mm）；測定的總變形值（mm）；三軸壓力室構(gòu)件的變形值（mm）。（2）用電阻應(yīng)變儀測定應(yīng)變時，按下式計算試樣的體積應(yīng)變值式中：某一應(yīng)力下的體積應(yīng)變值；某一應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值；某一應(yīng)力下的橫向應(yīng)變值。（3）繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖15所示。圖15 三軸抗壓強度應(yīng)力應(yīng)變曲線圖（4）根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，分別計算彈性模量，泊松比:式中：彈性模量（MPa）；相當于50%主應(yīng)力差的應(yīng)力值（MPa）；應(yīng)力為抗壓強度50%時的

8、縱向應(yīng)變值。（5）取應(yīng)力為抗壓強度50%時的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值計算泊松比。式中：泊松比；應(yīng)力為主應(yīng)力差50%時的橫向應(yīng)變值；應(yīng)力為主應(yīng)力差50%時的縱向應(yīng)變值。表11-1 巖石三軸試驗記錄表巖石 名稱試樣 編號受力 方向含水狀態(tài)試 樣 尺 寸側(cè)向應(yīng)力s3(MPa)最大破壞載荷 (N)軸向應(yīng)力 s1(MPa)彈性模量 E(MPa)泊松比m備注直徑(mm)高度(mm)橫截面積 (mm2)粘聚力C= 摩擦角=試 樣 描 述測定巖石的抗拉強度巖石的抗壓強度是指巖石在單向受拉條件下，受拉面上能承受的最大拉應(yīng)力。目前，測定巖石抗壓強度的方法很多，大致可分為直接位伸法和間接法兩大類，而間接法又以劈裂法應(yīng)

9、用最為廣泛。下面重點介紹直接拉伸法和劈裂法。直接拉伸法一、基本原理直接拉伸法是將試件夾持在夾持器內(nèi)，然后平行于試件軸施加拉伸荷載直至巖石破壞，通過破壞荷載求得巖石的抗拉強度（t）即： 二、儀器設(shè)備1、制樣設(shè)備：鉆石機、鋸石機、磨石機、車床等； 2、萬能材料試驗機：出力100kN； 3、拉伸夾持器（圖6-1）：不少于3套； 4、測量平臺、卡尺、放大鏡等； 5、烘箱、干燥器； 6、水槽、煮沸設(shè)備或真空抽氣設(shè)備； 7、樹脂膠及粘接設(shè)備。 三、操作步驟1、試件制備 試件規(guī)格采用直徑為5cm，高為10cm的園柱體，每組3塊，在試件制備過程中，不允許人為裂隙產(chǎn)生。試件制備的精度應(yīng)満足如下要求： （1）沿試

10、件高度，直徑的誤差不超過0.03cm； （2）試件兩端面不平行度誤差，最大不超過0.005cm； （3）端面應(yīng)垂直于軸線，最大偏差不超過0.25°； 2、試件描述 試驗前，對試件應(yīng)描述下列內(nèi)容： （1）巖石名稱、顏色、礦物成分、結(jié)構(gòu)、風化程度、膠結(jié)物性質(zhì)等； （2）加荷方向與巖石試件內(nèi)層理、節(jié)理、裂隙的關(guān)系及試件加工中出現(xiàn)的問題； （3）含水狀態(tài)及所使用的方法。 2、試件尺寸量測及描述 按試驗二量積法中的要求，量測試件斷面的邊長，求取其斷面面積（A）。 試件描述內(nèi)容：包括巖石名稱、顏色，主要礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、層理、節(jié)理等裂隙發(fā)育情況及拉伸應(yīng)力間的關(guān)系。 3、試件烘干或飽和處理 根據(jù)

11、試驗要求需對試件進行烘干或飽和處理。 烘干試件：在105110溫度下烘干24h。 自由浸水法飽和試件：將試件放入水槽，先注水至試件高度的1/4處，以后每隔2h分別注水至試件高度的1/2和3/4處，6h后全部浸沒試件，試件在水中自由吸水48h。 煮沸法飽和試件：煮沸容器內(nèi)的水面始終高于試件，煮沸時間不少于6h。 真空抽氣法飽和試件：飽和容器內(nèi)的水面始終高于試件，真空壓力表讀數(shù)宜為100kPa，直至無氣泡逸出為止，但總抽氣時間不應(yīng)少于4h。 4、試件膠結(jié) 試件與夾持器膠結(jié)前，應(yīng)將試件端面及夾持器接合面用丙酮洗凈，然后將膠合劑均勻地涂抹在試件及夾持器端面上，膠結(jié)時，應(yīng)嚴格對準中心。膠接后，在其上稍加

12、重壓，使兩者緊密結(jié)合，靜直至干燥。 5、安裝試件、加荷 將膠接有巖樣的拉伸夾持器安裝在萬能材料試驗機的夾頭內(nèi)，注意須使試件平行于機器軸線，然后，以每秒0.3MPa的速率加荷至試件破壞，記錄整個試驗中荷載的最大值及試件徹底破壞的荷載值。 6、描述試件破壞情況 描述內(nèi)容包括：破壞面的平直程度，與軸線的關(guān)系及破壞部位等情況，如破壞面為沿某一裂隙破壞或沿端面附近破壞時，則該次試驗無效。 7、按下式計算巖石的抗拉強度 式中：t巖石的抗拉強度（MPa）；             Pt試件破壞時的拉

13、伸荷載（N）；             A試件橫載面積（mm2）。 四、試驗報告內(nèi)容1、整理記錄表格，格式如下表：巖石軸向拉伸試驗記錄表工程名稱：   巖石 名稱   試件 編號受力 方向含水 狀態(tài)   試樣尺寸   最大破 壞載荷 （N）巖石抗 拉強度 （MPa）備注   平均直徑 （mm）平均高度 （mm）橫截面積 （mm2）2、整理試件描述記錄。 五、注意事項試件與夾持器膠接時，要注意膠接牢靠，并注意檢查夾持器軸與試件軸線是否一致

14、。劈裂法一、基本原理劈裂法是在試件的直徑（園柱體試件）方向上，施加一線性荷載，使之沿試件直徑方向發(fā)生壓致拉裂破壞，然后根據(jù)彈性理論求巖石的抗拉強度。劈裂法適用于能制成規(guī)則試件的各類巖石。試驗時，線性荷載是通過一個特制夾具或在試件上、下各加一根壓條實現(xiàn)的（圖6-2）。二、儀器設(shè)備1、制樣設(shè)備：鉆石機、鋸石機、磨石機、車床等； 2、測量平臺、卡尺、放大鏡等； 3、烘箱、干燥箱、水槽、煮沸設(shè)備或真空抽氣設(shè)備； 4、材料試驗機。 5、墊條 三、操作步驟1、試件規(guī)格 劈裂試驗適用于能制成規(guī)則試件的各類巖石，試件可用巖心或巖塊加工制成。一般采用直徑為4854mm，高度為直徑的0.51.0倍，并大于巖石最大

15、顆粒的10倍的園柱體試件。同一含水狀態(tài)下，每組試件制備不少于3塊。 試件制備的精度應(yīng)満足如下要求： （1）沿試件高度，直徑的誤差不超過0.03cm； （2）試件兩端面不平行度誤差，最大不超過0.005cm； （3）端面應(yīng)垂直于軸線，最大偏差不超過0.25°； 2、試件尺寸測量及描述 按試驗二中量積法的要求，量測度樣的直徑，高度或邊長，并劃出加荷中線。 試件描述內(nèi)容： （1）巖石名稱、顏色、礦物成分、結(jié)構(gòu)、風化程度、膠結(jié)物性質(zhì)等； （2）加荷方向與巖石試件內(nèi)層理、節(jié)理、裂隙的關(guān)系及試件加工中出現(xiàn)的問題； （3）含水狀態(tài)及所使用的方法。 3、試件烘干或飽水處理 根據(jù)試驗要求需對試件進行烘

16、干或飽和處理。 烘干試件：在105110溫度下烘干24h。 自由浸水法飽和試件：將試件放入水槽，先注水至試件高度的1/4處，以后每隔2h分別注水至試件高度的1/2和3/4處，6h后全部浸沒試件，試件在水中自由吸水48h。 煮沸法飽和試件：煮沸容器內(nèi)的水面始終高于試件，煮沸時間不少于6h。 真空抽氣法飽和試件：飽和容器內(nèi)的水面始終高于試件，真空壓力表讀數(shù)宜為100kPa，直至無氣泡逸出為止，但總抽氣時間不應(yīng)少于4h。 4、安裝試件、加荷 通過試件直徑的兩端，沿軸線方向劃兩條相互平行的加載基線，將2根墊條沿加載基線，固定在試件兩端。 將試件置于試驗機承壓板中心，調(diào)整球形座，使試件均勻受荷，并使墊條

17、與試件在同一加荷軸線上。 以每秒0.30.5MPa的加荷速度加荷，直至試件破壞，記錄下破壞荷載，描述試件破壞后的形態(tài)。 5、按下式計算巖石的抗拉強度 式中：t巖石的抗拉強度（MPa）；             P破壞荷載（N）；             D試件直徑（mm）；         

18、0;   l試件高度（mm）。 計算值取3位有效數(shù)字。 四、試驗報告內(nèi)容1、整理記錄表格，格式如下表：抗拉強度試驗（劈裂法）記錄表   試件 編號試驗 狀態(tài)受力 方向試件尺寸（mm）破壞荷載P（N）抗拉強度（MPa）高h   直徑D 單值   平均值2、整理試件描述資料。 五、注意事項1、試件上、下兩根墊條應(yīng)與試件中心面位于同一平面內(nèi)，以免產(chǎn)生偏心荷載。 2、破壞面必須通過上、下兩加荷線，如果只產(chǎn)生局部破壞，須重新試驗。 六、思考題1、同一巖性的巖石分別用直接拉伸法和劈裂法進行試驗，如果不考慮其它因素的影響，求得的抗拉強度是否相同？為什么？ 2、試比較直接拉伸法與劈裂法間的異同點。 巖石抗剪強度試驗(變角剪切)一、概述標準巖石試樣在有正應(yīng)力的條件下，剪切面受剪力作用而使試樣剪斷破壞時的剪力與剪斷面積之比，稱為巖石試樣的抗剪強度。利用幾個不同角度的抗剪夾具做試驗，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，以確定巖石抗剪強度曲線的一部分。二、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，試樣各端面嚴格平行，不平行度小于0.07mm，四面凸起