巖石力學(xué)性質(zhì)試驗指導(dǎo)書

1、實驗一 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗1.1 概述當(dāng)無側(cè)限巖石試樣在縱向壓力作用下出現(xiàn)壓縮破壞時，單位面積上所承受的載荷稱為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，即試樣破壞時的最大載荷與垂直于加載方向的截面積之比。在測定單軸抗壓強(qiáng)度的同時，也可同時進(jìn)行變形試驗。不同含水狀態(tài)的試樣均可按本規(guī)定進(jìn)行測定，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1051100C下烘24h。（2）飽和狀態(tài)的試樣，使試樣逐步浸水，首先淹沒試樣高度的1/4，然后每隔2h分別升高水面至試樣的1/3和1/2處，6h后全部浸沒試樣，試樣在水下自由吸水48h；采用煮沸法飽和試樣時，煮沸箱內(nèi)水面應(yīng)經(jīng)常保持高于試樣面，煮沸時間不少于6h。1.2

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。（3）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。1.3 試樣描述試驗前的描述，應(yīng)包括如下內(nèi)容：（1）

3、巖石名稱、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）測量試樣尺寸，并記錄試樣加工過程中的缺陷。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。量測工具與有關(guān)檢查儀器：游標(biāo)卡尺、天平（稱量大于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，并能連續(xù)加載且無沖擊。（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。承壓板直徑不小于試樣直徑，且也不宜大于試樣直徑

4、的兩倍。如大于兩倍以上時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)的校正與檢驗應(yīng)符合國家計量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。1.5 試驗程序（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。（3）依每秒0.50.8MPa的加載速度對試樣加荷，直到試樣破壞為止，記錄最大破壞載荷。（4）描述試樣破壞形態(tài)，并記下有關(guān)情況。1.6 成果整理和計算按下式計算巖石單軸抗壓強(qiáng)度式中：巖石單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；最大破壞載荷（N）；垂直于加載方向的試樣橫截面積（mm2）。試驗結(jié)果按表1-1記錄。表1-1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度

5、試驗記錄表 工程名稱_ 試驗時間_年_月_日巖石名稱試樣編號受力方向含水狀態(tài)試 樣 尺 寸最大破壞載 荷(N)單軸抗壓強(qiáng) 度(MPa)備 注直 徑 (mm)高 度 (mm)橫截面積(mm2)試 樣 描 述 班 級 組 別 試驗者 計算者 實驗二、巖石壓縮變形試驗2.1概述巖石變形試驗，是在縱向壓力作用下測定試樣的縱向（軸向）和橫向（徑向）變形，據(jù)此計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)行計算。根據(jù)需要也可以確定任何應(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%時的橫向應(yīng)變值

6、和縱向應(yīng)變值進(jìn)行計算。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1.2。2.3 試樣描述試樣描述見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1.4。（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(dá)到0.1%和量程能滿足變形測定需要的其他儀表。巖石試件軸向應(yīng)變片橫向應(yīng)變片 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2.5試驗程序（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。同一試樣用的工作

7、片和補(bǔ)償片的電阻值應(yīng)不超過±0.2歐姆。（2）電阻片應(yīng)貼在試樣高度的中部，每個試樣貼縱向（軸向）和圓周向電阻片各2片，沿圓周向?qū)ΨQ布置，貼片處應(yīng)盡量避開顯著的裂隙、特大的礦物顆?；虬呔?。試樣貼片前用零號砂紙打磨，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的加載速度對試樣加載，直至破壞。（5）在施加載荷的過程中，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄各級應(yīng)力及

8、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，并記下與試驗有關(guān)的的情況。試驗記錄格式見表2-1。2.6 試驗成果整理和計算計算各級應(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，（也可試驗前將二片串聯(lián)，直接測得縱向、橫向應(yīng)變值）。（2）用下式計算體積應(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)變曲線圖，如圖3所示。圖3 巖石壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線計算彈性模量和泊松比（1）在縱向應(yīng)變曲線上，做通過原點(diǎn)與應(yīng)力相當(dāng)于50%抗壓強(qiáng)度處的應(yīng)

9、變點(diǎn)的連線，其斜率即為所求的彈性模量（或稱割線模量）。式中：彈性模量（MPa）；相當(dāng)于50%抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力值（MPa）；應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50%時的縱向應(yīng)變值。（2）取應(yīng)力為抗壓強(qiáng)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)力為抗壓強(qiáng)度50%時的橫向應(yīng)變值；應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50%時的縱向應(yīng)變值。計算巖石單軸抗壓強(qiáng)度式中：巖石單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；最大破壞載荷（N）；垂直于加載方向的試樣橫截面積（mm2）。 計算值取值彈性模量取至百位數(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 巖石變形試驗記錄表 工程名稱 試樣直徑（mm） = （MPa） 巖石名稱 試樣高度（m

10、m） = 試樣編號 試樣面積（mm2） = （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 組 別 日期 試驗者 計算者 實驗三、巖石抗拉強(qiáng)度試驗（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，施加相對的線性載荷，使之沿試樣直徑方向破壞的試驗（如圖4）。本方法可用于測烘干、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程中，不允許人為裂隙出現(xiàn)。（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5%。（3）對于非均質(zhì)的粗粒結(jié)構(gòu)巖石，或取樣尺寸

11、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。（5）試樣制備精度。整個厚度上，直徑最大誤差不應(yīng)超過0.1mm。兩端不平行度不宜超過0.1mm。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不應(yīng)超過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、量測工具與有關(guān)儀器詳見1.4。（2）加載設(shè)備：壓力試驗機(jī)應(yīng)符合1.4的規(guī)定，因巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，為了提高試驗精度，所以選擇壓力試驗機(jī)的噸位不宜過大。半球座（3）墊條：在巖石劈裂試驗中，目前國內(nèi)外規(guī)程中，有加墊條、劈裂壓模、不加墊條三種

12、，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；國際巖石力學(xué)學(xué)會建議采用壓模，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，最后一種比較簡單所以用的較廣泛。下加載鄂試件上加載鄂圖4 巖石抗拉強(qiáng)度測定示意圖3.5試驗程序（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）觀察試樣在受載過程中的破壞發(fā)展過程，并記錄試樣的破壞形態(tài)。表3-1 巖石劈

13、裂法試驗記錄表 工程名稱_巖石名稱試樣編號受力方向含水狀態(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 述班 級 組 別 日期 試驗者 計算者 4.6成果整理和計算（1）按下式計算巖石的抗拉強(qiáng)度式中：巖石的抗拉強(qiáng)度（MPa）；試樣破壞時的最大載荷（N）；試樣直徑(mm)；試樣厚度(mm)。計算值取至小數(shù)點(diǎn)以后一位。實驗四、巖石抗剪強(qiáng)度試驗(變角剪切)4.1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的剪力與剪斷面積之比，稱為巖石試樣的抗剪強(qiáng)度。利用幾個不同角度的抗剪夾具做試驗，得出試樣

14、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。每組試驗至少3個角度，每個剪切角度的試樣數(shù)目應(yīng)不少于23個，所以一組試驗的試樣數(shù)目至少應(yīng)有69個以上。圖5 巖石變角剪示意圖 圖6 巖石變角剪加載示意圖4.3試驗設(shè)備、用具壓力試驗機(jī)，抗剪夾具（20°、30°、40°三個），卡尺及其它輔助設(shè)備。4.4試驗程序（1）描述試樣的顏色、顆粒、層

15、理方向、加工精度等情況，在試樣上劃出剪切線。（2）用游標(biāo)卡尺量測試樣的高、寬、長的尺寸，精確到0.05mm，并計算剪切面的面積。（3）把試樣和抗剪夾具一起放在壓力試驗機(jī)的承壓板上，夾具與墊板之間放滾軸以消除摩擦力，試樣和抗剪夾具周圍放防護(hù)罩。（4）以每秒0.51.0MPa 的速度加載，直到試樣剪斷為止，記錄下破壞時的載荷，格式見表4-1。（5）按20°、30°、45° 不同夾具，分別逐個進(jìn)行試驗，每個角度做3件。4.5試驗成果整理和計算（1）試樣受力狀態(tài)如圖5、6所示，根據(jù)下式計算試樣所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。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）；試樣破壞時的載荷（N）；剪斷面積（m