巖石的幾種試驗法

實驗一巖石的抗拉強度實驗一、原理抗拉強度是巖石力學性質(zhì)的重要指標之一。由于巖石的抗接強度遠小于其抗壓強度，故在受載時，巖石往往首先發(fā)生拉伸破壞，這一點在地下工程中有著重要意義。由于直接拉伸試驗受夾持條件等限制，巖石的抗拉強度一般均由間接試驗得出。在此采用國際巖石學會實驗室委員會推薦并為普遍采用的間接拉伸法（劈裂法，又舟巴西法）測定巖樣的抗拉強度。由彈性理論可以證明，圓柱或立方形試件劈裂時的抗拉強度由下式確定式中：P廠試件破壞時的荷載;D一圓柱體試件的直徑或立方體試件高度;t—圓柱體試件厚度或立方體試件寬度。止式認為在試件破裂面上的應力為均勻拉應力，實際上在試件受壓接觸點處，壓應力值大于均勻拉應力值的12倍以上，然后迅速下降，以圓柱試件為例，在距圓柱試件中心大約0.8r（半徑）處，應力值變?yōu)榱悖缓笞優(yōu)槔瓚?，至圓板中心附近拉應力取最大值，因此做劈裂試驗時常在圓柱樣中心附近首先產(chǎn)生拉伸斷裂，圓柱體試件受壓直徑面上的應力分布如圖1—1所示。P二、儀器設(shè)備1P二、儀器設(shè)備1.壓力機，主試樣加工設(shè)備：鉆石機、切石機、磨光機、卡尺、角尺、測量平臺、放大鏡、金剛砂、玻璃板、烘箱、干燥器等;3.墊條：直徑為1.5mm或為2.0mm的鋼絲。三、操作步驟試樣制備規(guī)格為65厘米或5X5厘米的巖樣，每組3個，加工允許尺寸誤差小于0.2mm，兩端面平行度小于0.1mm，端面應垂直于試樣軸線，最大偏差小于0.25度。對于非均質(zhì)粗粒結(jié)構(gòu)巖石，或取樣尺寸小于標準尺寸者，允許采用非標準試樣，但高徑比應滿足標準試樣的要求。試樣安裝將準備好的試樣連同墊條按圖1—1所示的形式旋轉(zhuǎn)在壓力機上下壓板間，然后調(diào)整壓力機的橫梁或活塞，使試樣固定，應注意使試樣上、下兩墊條剛好位于包含壓力機加荷板中心線的垂直面內(nèi)，以避免荷載的偏心作用。施加荷載以每秒3?5kg/cm2的加荷速率加壓，直至試樣破壞，記錄最大破壞荷載，并描述試樣破壞情況。四、 成果計算按上式計算巖石抗拉強度，計算值取至小數(shù)點后一位。五、 記錄試驗數(shù)據(jù)，分析試驗結(jié)果巖石劈裂法試驗記錄表工程名稱試驗者試驗日期 校核者 巖石名稱試樣編號受力方向含水狀態(tài)試樣尺寸破壞的最大荷載(kg)抗拉強度(kg/cm2)平均抗拉強度(kg/cm2)備注平均直徑或邊長(mm)平均高度(mm)劈裂面積(mm2)實驗二巖石的抗剪強度實驗一、原理巖石的抗剪斷強度，是巖石在外部剪切力作用下，抵抗剪切破壞的能力。通過巖石剪切試驗，確定巖石剪切破壞時剪切面上的正應力。與剪應力T之間的關(guān)系，確定巖石的內(nèi)摩擦角6和凝聚力C，從而獲得巖石的抗剪斷強度。巖石抗剪斷試驗方法包括單剪法、雙剪法、變角板法、斜角壓切法和扭轉(zhuǎn)剪切法等。本次試驗采用變角板法，將巖石試樣置于特制的夾具中，放在壓力機的上、下壓板之間，利用壓力機施加垂直荷載，使整體試樣沿所限定的剪切角剪斷(圖2—1)，根據(jù)靜力平衡條件分析剪斷面上所受的法向應力和剪應力，繪制法向應力和抗剪斷強度關(guān)系曲線，求得巖石的凝聚力和內(nèi)摩擦角。圖2—1變角板法裝置示意圖二、 儀器設(shè)備試樣加工器具，鋸石機、磨光機、卡尺、角尺、金鋼砂、玻璃板、烘箱等；100~200噸壓力機；專門夾具一套，夾具傾角a=30°、40°、50°、60°、70°。三、 操作步驟試樣制備試樣為巖芯或巖塊，用鋸石機鋸取，并做一定的磨光處理，尺寸為7X7X7厘米或5X5X5厘米，試樣每組不少于6個，描述試樣特征，并用色筆在試樣上劃出中心線，注明試樣的切剪角。用卡尺逐個測量試樣尺寸，計算剪切面積。安裝試樣將夾具連同試樣放在壓力機下壓板上，以壓力機軸為準對準中心，并在夾具周圍放置防護罩。調(diào)整壓力表指針至零點。加荷觀測關(guān)上壓力機回油閥，打開送油閥，接上電源，以每秒鐘1?2kg/cm2的速度加荷。觀察壓力表指針的移動。當試樣發(fā)生初裂時，記下當時的荷重，直至試樣破壞為止。由此荷重便可確定巖石的極限抗剪強度。描述試樣升起壓力機上壓板，取出被剪斷的試樣進行破裂外貌描述，并保留試樣。重復試驗分別以不同a角的夾具重復2、3、4步驟進行試驗，取得不同a角時巖石剪斷時的荷重。試驗結(jié)果整理（1）計算不同a角的夾具下試樣剪斷時所受正應力和剪應力：式中：a一剪斷面上的法向壓應力（公斤/厘米2）；T一剪斷面上極限剪應力（公斤/厘米2）；P一壓力機加在夾具中試樣上的最大鉛直荷重（公斤）;A—剪斷面面積(厘米2)；/」?jié)L珠的摩擦系數(shù)，由摩擦校正試驗決定；一用夾具固定的剪斷面與水平面的夾角(度)。繪制巖石極限強度曲線：以每一a角剪斷面上的正應力。為橫座標，剪應力t為縱座標，連接各點得°-T曲線。由。-t關(guān)系曲線計算抗剪斷強度指標C和①值；a、 按曲線整理如圖所示，內(nèi)摩擦角為①'凝聚力為C'抗剪斷強度為t=。tg①'+C'設(shè)b、 按直線整理按最小二乘法求得直線方程t=。tg①〃+C〃設(shè)四、記錄試驗數(shù)據(jù)，分析試驗結(jié)果試樣剪斷面荷重(kg)正應力(kg/cm2)剪應力(kg/cm2)平均抗剪斷強度值編狀態(tài)面積(cm2)與理系放置角度初裂時破裂時初裂時破裂時初裂時破裂時①(度)(kg/cm2)實驗三動力法測定巖石的硬度一、原理動力法測定巖石硬度包括肖氏法和擺球法等。本次試驗采用北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的擺球硬度儀(圖3-1)，進行擺球硬度法測定巖石硬度。一定重量的鋼球，從一定高度自由下落沖擊到拋光的巖樣面上，擺球在沖擊巖石的過程中，由于能量的轉(zhuǎn)化與消耗，在回跳一定的次數(shù)后，每次的回彈角逐漸減小，直至為零。用擺球的回彈次數(shù)表征巖石硬度，以回彈角表征巖石的塑性和彈性恢復系數(shù)。二、 儀器設(shè)備巖樣加工機具，鋸石機、磨光機、拋光機、金剛砂、玻璃板、卡尺、烘箱等；擺球式硬度儀。圖3-1擺球硬度儀底盤；2.巖樣；3.刻度盤；4.擺球；5.水平調(diào)節(jié)螺釘三、 操作步驟1.巖樣制備巖樣可選用有代表性、完整、無明顯裂隙的巖心制作。用鋸石機將巖心切成直徑中=40mm，長度L=50mm，再用磨光機和拋光機加工巖樣兩端面，一端拋光面粗糙度為0.1(相當于^lO)，另一端磨光面粗糙度為0.8(相當^?)。巖樣兩端面不平行度不大于0.15mm，端面與軸向不垂直度不大于1°。描述巖樣特征及巖性。調(diào)試儀器調(diào)整水平調(diào)節(jié)螺絲5,使儀器底座1處于水平狀態(tài)；調(diào)整擺球牽引線長度，使擺球自然下垂，對準巖樣中心；調(diào)整并固緊支柱，使擺球自然下垂，擺線對準支柱中心線；調(diào)整刻度盤3,使擺球自然下垂，擺線對準角度零。 圖312安裝巖樣在離巖樣中心點1—2cm處布置5個點（圖3-2），并用彩色筆標注編號；（2） 將巖樣擺放在測定臺上，轉(zhuǎn)動螺旋手輪，頂緊巖樣;1（3） 使擺球自然下垂，調(diào)整巖樣，使擺球?qū)实谝粋€測點;2一―（4）將擺球夾在擺球夾中，作好測定準備。 4、 y'3測定 一（1） 左手按下擺球夾，使擺球自由下落沖擊巖樣；（2） 準確地目測并讀出擺球第一次回彈角（。）；（3） 跟隨擺球回跳，數(shù)著擺球回跳次數(shù)，直到擺球停止擺動為止，記下擺球回跳次數(shù)（N）。巖樣第一測點硬度測定完畢。（4） 轉(zhuǎn)動螺旋手輪，調(diào)整巖樣，使擺球?qū)实诙€測點，重復Q）—（3）動作，完成第二測點的測定。（5） 再依次重復（1）—（4）動作，完成一個巖樣5個點的硬度測定。取5個點的平均值，即為該巖樣的硬度值。對比試驗選擇不同巖性、硬度的巖樣，重復1—4操作步驟，再測定一個巖樣。將兩種巖樣的測定結(jié)果進行對比，分別確定它們的擺球硬度值。差異修正擺球法測定巖樣的標準直徑應為40mm，如果大于或小于40mm直徑的巖樣，測定結(jié)果須進行尺寸效應修正，公式如下：式中N——修正后的擺球硬度，次；N1 大于或小于①40mm直徑巖樣測試硬度值，次；D1——受測巖樣的直徑，mm。四、記錄測定數(shù)據(jù)，計算分析試驗結(jié)果巖樣編號擺球第一次回彈角（。）擺球回跳次數(shù)（N）12345平均12345平均文檔來源為:從網(wǎng)絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.實驗四靜壓法測定巖石的硬度一、 原理巖石的硬度是指巖石抵抗其他物體壓入的能力。衡量硬度的單位通常采用MPa。對于鉆進碎巖來講，用巖石的硬度比用巖石的強度更能反映孔底巖石破碎情況。巖石的硬度，是確定巖石可鉆性的重要指標。測定巖石硬度的方法很多，本次試驗采用靜壓法測定巖石的硬度。首先，將巖石試樣置于壓力機的活塞托盤上（圖4-1），利用高壓油推動活塞上行，使巖樣2與壓模3及壓力機上梁5接觸，并繼續(xù)加壓，直至巖石發(fā)生完全破碎為止。壓模與巖石的接觸面積是事先確定的，在壓入過程中保持接觸面積不變，直到處于壓模下的巖石完全破碎為止，以此時的荷載除以壓模與巖石的接觸面積，即為巖石的壓入硬度。圖4-1活塞式壓力機工作原理圖1.活塞；2.巖樣；3.壓模；4.百分表；5.壓力機上梁；6.壓力表二、 儀器設(shè)備巖樣加工機具，鋸石機、磨光機、拋光機、金剛砂、玻璃板、卡尺、烘箱等；WYY型壓入硬度儀（活塞式壓力機）；壓模（底面積S=1±0.2mm2）；百分表。三、 操作步驟1.巖樣制備巖樣可選用有代表性、完整、無明顯裂隙的、直徑N30mm的巖心制作。首先用鋸石機將巖心鋸成長度為50—60mm的毛坯，再用磨光機和拋光機加兩端面，一端拋光面粗糙度為0.1（相當于▽10），另一端磨光面粗糙度為0.8（相當于^7）。巖樣兩端面不平行度不大于0.15mm，端面與軸向不垂直度不大于1°。描述巖樣特征及巖性。測量壓模直徑（1）將壓模倒置于測量顯微鏡工作臺上，調(diào)節(jié)推動螺絲，使其處于十字絲的一角（圖4-2），記下讀數(shù)y1；

轉(zhuǎn)動縱推動螺絲，使壓模移至左下角，與x軸相切(如圖4-3)，記下y2。這時壓模之直徑dy=y1-y2。同理，調(diào)節(jié)橫軸x即可測得dx；(1)將巖樣放置在活塞托盤中央，在巖樣上選擇測定位置并擺放壓模，使壓模對準壓力機上梁;(2)利用高壓油推動活塞上行，使巖樣2與壓模3及壓力機上梁5接觸；調(diào)整百分表4,使其讀數(shù)為零。加荷觀測均勻緩慢地加壓，進行壓入試驗，注意觀察壓力表6之壓力(P)和百分表4之變形量(8)的變化；當壓模邊緣的巖石局部破裂時，記下P和8值；當聽到一聲脆響，壓模突然壓入巖石，壓力表指針回跳，這時壓模底部的巖石完全破碎記下P和8值。測量破碎面積(F)從壓力機上取下巖樣，用大頭針撥掉巖樣破碎穴中的碎屑，將透明紙放在破碎穴上，用鉛筆輕輕描出破碎穴的輪廓。把透明紙放在方格紙上，盡量精確地讀出破碎之面積(F)。測量破碎深度(h)(1)用大頭針輕輕撥掉巖樣破碎穴中央的碎屑；把裝有百分表3的支架4及巖樣2放在平臺1上，使百分表針端接觸巖樣破碎穴外的平面，記下百分表讀數(shù)h1；移動支架使百分表針端陷入破碎穴中央最深處，記下百分表讀數(shù)h2；破碎深度為：h=h2-h］。重復試驗利用同一塊巖樣，間隔一定距離，另選一壓入試驗點，重復上述操作步驟2一6,獲取不同位置的壓入試驗數(shù)據(jù)，進行對比分析，取平均值。

試驗數(shù)據(jù)整理（1）利用公式計算巖石壓入硬度式中Pk 巖石的壓入硬度，kg/mm2；圖4-4測量深度臺1.平臺；2.圖4-4測量深度臺1.平臺；2.巖樣；3.百分表4.支架S 壓模的底面積，mm2。（2）巖石壓入硬度修正。壓模的標準面積應為1±0.2mm2，試驗中，如果壓模的面積不標準，可用下式修正：P=Pi?di（當S<0.8mm2時）；k1.07P=L°7?p（當1.2mm2<S<1.5mm2時）；k d1式中d1 壓模實測直徑，mm；P1——在d1直徑下的壓入硬度，kg/mm2；四、記錄測定數(shù)據(jù)，計算并分析試驗結(jié)果巖樣編號試驗次數(shù)硬度Pk(kg/mm2)(mm2)(mm2)F/Sh(mm)(mm)h/e12平均實驗五巖石的研磨性度量一、 原理采用一定硬度的金屬或硬質(zhì)合金，在一定接觸壓力和線速度下與被測巖石做相對磨擦運動，經(jīng)過一定時間后，分別測定巖石和金屬（硬質(zhì)合金）的體積磨損量，經(jīng)過換算所得結(jié)果作為巖石研磨性指標。根據(jù)換算方法的不同可分為以下幾種研磨性指標：體積磨損系數(shù)一一硬質(zhì)合金的體積磨損量與巖石重量磨損量之比。研磨性指數(shù)一一一定厚度硬質(zhì)合金刀刃的磨損面積。磨耗比一一單位路程金屬與巖石的磨損體積比。研磨系數(shù)一一單位磨損功的金屬磨損體積與摩擦系數(shù)之積。二、 儀器設(shè)備1.巖樣加工機具；微鉆試驗臺（動力、加壓、回轉(zhuǎn)、沖洗）；微型鉆頭①19.5mm，硬質(zhì)合金YG10，硬度為HRA89，對稱兩片；顯微放大鏡及其它量具。三、 操作步驟1.巖樣制備被測巖樣選有代表性、完整、均質(zhì)、無明顯裂隙、直徑或邊長N30mm，高度N100m巖心（塊）制作。巖樣的被測端面盡量加工平整（端面與軸向不同垂直度不大于3°）。測試工作（1）測量巖樣原始尺寸；（2）夾持巖樣；（3）研磨操作；（4）測量磨損量。四、 整理試驗數(shù)據(jù)，分析試驗結(jié)果實驗六擊碎法測定巖石破碎比功一、原理用一定重量和下落速度的得錘沖擊被測巖樣，使巖塊破碎，并對破碎物做篩分，由此得到單位動能作用下巖樣的破碎程度，用來反映巖石的堅硬性。此法以擊碎產(chǎn)物為7mm粒級的體積數(shù)Vmax（cm3）為指標。Vmax越小，說明巖石的破碎比功越大、越堅硬。另外還有一表征擊碎質(zhì)量的補充指標tga，它表征擊碎質(zhì)量。表達式為：式中Vmax 通過7mm(dmax)篩孔組分的體積，cm3；Vmin 通過0.25mm(dmax)篩孔組分的體積，cm3。tga越大，則界于dmax和dmin之間的的破碎物體積越多，說明破碎質(zhì)量好。二、 儀器與工具擊碎法所用的測試儀器主要由導向架、底座、重錘和金屬盒等組成，重錘的重量為16kg，落差為0.5m，重錘達到底部時，沖擊速度在2.25—4.5m/s之間；網(wǎng)眼直徑為7mm和0.25mm的篩子；天平。三、 實驗步驟樣品準備取已知比重的被測巖塊，粗鋸成約2.5X2.5X2.5cm3的試件5個，重量在60—80g之間(用天平稱重)，其最大與最小尺寸不應相差一倍以上。測試將被測樣塊置于測試儀器的金屬盒中，提起重錘至標準高度(將重錘桿上的紅色標志線與導向架上的紅色標志線對齊)，此時重錘距被測樣的高度為0.5m；放開重錘，使其自由下落，砸向被測樣塊；將金屬盒中被砸碎的樣塊經(jīng)7mm和0.25mm的篩網(wǎng)各篩分一次，分別用3個盛器盛裝大于7mm，介于7mm和0.25mm之間以及小于0.25mm的3種粒度的樣品；用天平分別稱出三種樣品的重量并做好記錄。四、整理試驗數(shù)據(jù)，分析試驗結(jié)果實驗七硬質(zhì)合金微鉆頭碎巖實驗一、 實驗原理在微鉆實驗臺上用硬質(zhì)合金鉆頭對代表性巖石樣進行模擬鉆進，掌握如下實驗情況：在一定鉆壓、轉(zhuǎn)速泵量時，硬質(zhì)合金鉆頭的碎巖進尺速度；鉆頭硬質(zhì)合金的磨損狀況；硬質(zhì)合金破碎中硬巖石時的切削痕跡；硬質(zhì)合金碎巖的巖屑狀況。二、 儀器設(shè)備微鉆實驗臺超倍顯微鏡3?秒表三、 巖樣與鉆頭的準備選擇代表性的中硬巖石（如砂巖、頁巖、大理巖），用鋸巖機鋸成直徑50mm長20cm的樣品，每種6個，并對巖樣進行硬度、強度和變形性質(zhì)的測試，記錄壓入硬度、擺球硬度、單軸抗壓、彈性模量和泊松比的值。用統(tǒng)一型式的微鉆實驗硬質(zhì)合金鉆頭，其外徑為①27,專用于該實驗（由實驗室提供）。四、 實驗步驟夾持巖樣：將上述被測巖樣放置于實驗臺的巖樣夾持器中，用專用扳手旋緊三向頂緊螺桿，固定巖樣。調(diào)整加壓油缸的比例控制閥，使其調(diào)定壓力在5?15kg/cm2（視巖樣性質(zhì)而定）；回轉(zhuǎn)速度由可控硅調(diào)速器調(diào)定在300r/min轉(zhuǎn)速上，打開水泵送水開關(guān)，調(diào)整定量開關(guān)，使泵量達到15L/min。打開控制臺總開關(guān)，使微鉆試驗臺開如工作，觀察鉆頭下行過程，當鉆頭下行剛接觸巖樣上端面時，撳記錄秒表記時，繼續(xù)觀察鉆頭下行碎巖過程，直至鉆進15cm時，撳記錄秒表，記下碎巖時間，關(guān)閉總開關(guān)，停止運行。退出鉆頭，卸下巖樣，用電鋸片沿巖樣的直徑方向剖開巖樣，觀察巖樣內(nèi)部情況；（1） 用超倍顯微鏡觀測巖樣內(nèi)側(cè)面與孔底面的刻痕、破碎穴;（2） 觀測硬質(zhì)合金的磨損情況；（3） 觀測鉆進過程中產(chǎn)生的巖粉情況。五、實驗數(shù)據(jù)整理鉆