巖石力學(xué)與工程實驗指導(dǎo)書(修訂)

1、巖石力學(xué)實驗指導(dǎo)書湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院2目 錄巖石物理性質(zhì)試驗1一、巖石密度試驗6巖石力學(xué)性質(zhì)試驗18一、巖石單軸抗壓強度試驗18二、巖石抗拉強度試驗（劈裂法）24三、巖石抗剪強度試驗(變角剪切)27四、巖石力學(xué)伺服控制試驗43巖 石 力 學(xué) 試 驗 指 導(dǎo) 書巖石物理性質(zhì)試驗一、巖石密度試驗1概述巖石密度，即單位體積的巖石質(zhì)量，是試樣質(zhì)量與試樣體積之比。根據(jù)試樣的含水量情況，巖石密度可分為烘干密度、飽和密度和天然密度。一般未說明含水情況時，即指烘干密度。根據(jù)巖石類型和試樣形態(tài)，分別采用下述方法測定其密度：（1）凡能制備成規(guī)則試樣的巖石，宜采用量積法。（2）除遇水崩解、溶解和干縮濕脹

2、性巖石外，可采用水中稱重法。（3）不能用量積法或水中稱重法進行測定的巖石，可采用臘封法。用水中稱重法測定巖石密度時，一般用測定巖石吸水率和飽和吸水率的同一試樣同時進行測定。2試樣制備2.1量積法（1）試樣的形態(tài)，可以用圓柱體、立方體或方柱體，根據(jù)密度試驗后的其他實驗要求選擇。（2）制備的試樣，應(yīng)具有一定的精度，其精度要求應(yīng)滿足其他試驗項目的規(guī)定。（3）每組試驗須制備3個試樣，它們須具有充分的代表性。2.2臘封法（1）試樣取邊長為46cm的近似立方體的巖塊。（2）如需測定天然密度時，拆除密封后立即稱試樣重。（3）每組試驗須制備3個試樣，它們須具有充分的代表性。3試樣描述（1）巖石名稱、顏色、結(jié)構(gòu)

3、、礦物成分、顆粒大小、膠結(jié)物質(zhì)等特征。（2）節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及其分布。（3）試樣形態(tài)及缺角，掉棱角等現(xiàn)象。4主要儀器設(shè)備4.1量積法（1）鉆石機、切石機、磨石機或其他制樣設(shè)備。（2）烘箱和干燥器。（3）稱量大于500g，感量為0.01g的天平。（4）精度為0.01mm的測量平臺或其他儀表。4.2臘封法（1）烘箱和干燥器。（2）石蠟和熔蠟用具。（3）稱量大于500g，感量為0.01g的天平。（4）水中稱重裝置。5試驗程序5.1量積法（1）試樣兩端和中間三個斷面，測量其互相垂直的兩個直徑或邊長，計算平均值。（2）測量均勻分布于周邊的四點和中間點的五個高度，計算平均值。（3）將試樣置于烘箱中，在1

4、05110°C的溫度下烘24h，取出后，即放入干燥器內(nèi)，冷卻至室溫后稱重。（4）本試驗要求量測準確至0.01mm，稱重準確至0.01g。5.2臘封法（1）將試樣置于烘箱中，在105110°C的溫度下烘24h，取出后，即放入干燥器內(nèi)，冷卻至室溫后稱重。（2）用絲線縛住試樣，置于溫度60°C左右的熔化石蠟中12s，使試樣表面均勻涂上一層臘膜，其厚度約1mm左右。蠟封好后，發(fā)現(xiàn)有氣泡時，用熱針刺穿并用臘涂平孔口，然后稱試樣重。（3）將蠟封試樣置于水中稱重，然后取出擦干表面水分，在空氣中稱重。如蠟封試樣浸水后的重量大于浸水前的重量，應(yīng)重做試驗。（4）本試驗所有稱重均準確至

5、0.01g。6成果整理和計算（1）用量積法測定試樣密度，按下式計算式中：巖石烘干密度（g/cm3）；試樣烘干重量（g）；平均面積（cm2）；平均高度（cm）。（2）用臘封法測定試樣容重，按下式計算：式中：巖石烘干密度（g/cm3）；試樣烘干重量（g）；蠟封試樣在空氣中重量（g）；蠟封試樣在水中重量（g）；石蠟密度（g/cm3）（石蠟容重可用水中稱重法測定，參見11節(jié)）。（3）如需天然密度時，可按下式計算：式中：巖石天然密度（g/cm3）巖石的天然含水量（%）。（4）根據(jù)實測巖石比重和容重，按下式計算總孔隙率：式中：巖石總孔隙率（%）；（5）計算值取小數(shù)點以后兩位。表3-1 密度試驗記錄表（量積

6、法） 工程名稱_巖石名稱試 樣編 號試 樣 尺 寸 （cm）試樣體積(cm3)烘干試 樣重量（g）巖石 密度 (g/cm3)備 注直 徑 或 邊 長高 度平均值平均值班 級 組 別 日 期試驗者 計算者 表3-2 密度試驗記錄表（臘封法） 工程名稱_巖石名稱試樣編號試樣重量（g）天然含水量(%)封蠟試樣重量（g）蠟封試 樣體積(cm3)蠟體積(cm3)試 樣體 積(cm3)巖石 密度(g/cm3)巖石天然密度(g/cm3)備注天然含水狀態(tài)烘干狀態(tài)空氣中水中班 級 組 別 日 期 試驗者 計算者 巖石力學(xué)性質(zhì)試驗一、巖石單軸抗壓強度試驗1概述當無側(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

7、積上所承受的載荷稱為巖石的單軸抗壓強度，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。在測定單軸抗壓強度的同時，也可同時進行變形試驗。不同含水狀態(tài)的試樣均可按本規(guī)定進行測定，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。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)程要求標準

8、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，或取樣尺寸小于標準尺寸者，允許采用非標準試樣，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。3試樣描述試驗前的描述，應(yīng)包括如下內(nèi)容：（1）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

9、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。4主要儀器設(shè)備4.1試樣加工設(shè)備鉆石機、鋸石機、磨石機或其他制樣設(shè)備。4.2量測工具與有關(guān)檢查儀器游標卡尺、天平（稱量大于500g，感量0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸設(shè)備。4.3加載設(shè)備壓力試驗機。壓力機應(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)滿足壓力機承壓板的

10、要求。（3）壓力機的校正與檢驗應(yīng)符合國家計量標準的規(guī)定。5試驗程序（1）根據(jù)所要求的試樣狀態(tài)準備試樣。（2）將試樣置于壓力機承壓板中心，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。6成果整理和計算按下式計算巖石單軸抗壓強度式中：巖石單軸抗壓強度（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7-1記錄。表7-1 巖石單軸抗壓強度試驗記錄表 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

11、軸抗壓強 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 二、巖石抗拉強度試驗（劈裂法）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。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。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）采用方形試件試樣，尺寸為 mm。（3）對于非均質(zhì)的粗粒結(jié)構(gòu)巖石，或取樣尺寸小于標準尺寸者，允許使用非標準試樣，但高徑比必需滿足標準試樣的要求。（4）試樣個數(shù)視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定

12、，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試樣描述（略）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（略）（2）加載設(shè)備：壓力試驗機應(yīng)符合規(guī)定，因巖石的抗拉強度遠低于抗壓強度，為了提高試驗精度，所以選擇壓力試驗機的噸位不宜過大。5試驗程序（1）根據(jù)所要求的試樣狀態(tài)準備試樣。（2）將試樣平置于壓力機承壓板中心，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

13、破壞發(fā)展過程，并記錄試樣的破壞形態(tài)。表9-1 巖石劈裂法試驗記錄表 工程名稱_巖石名稱試樣編號含水狀態(tài)試 樣 尺 寸破壞最大載荷 (N)巖石抗拉強 度(MPa)備 注長（mm）寬(mm)高(mm)劈裂面積（mm2）試 樣 描 述班 級 組 別 日期 試驗者 計算者 6成果整理和計算（1）按下式計算巖石的抗拉強度式中：巖石的抗拉強度（MPa）；試樣破壞時的最大載荷（N）；a試樣邊長(mm)；計算值取至小數(shù)點以后一位。三、巖石抗剪強度試驗(變角剪切)1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

14、，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。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。 3試驗設(shè)備、用具壓力試驗機，抗剪夾具，卡尺及其它輔助設(shè)備。4試驗程序（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）用游標卡尺量測試樣的高、寬、長的尺寸，精確到0.05mm，并

15、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10-1。（5）按60°、55°、50° ，分別逐個進行試驗。5試驗成果整理和計算（1）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（mm2）。式中n為滾軸數(shù)量，d為滾軸的直徑（mm），實驗所用裝置n為12個，d

16、為12mm。（2）繪制巖石抗剪強度曲線圖。通過改變夾具的剪切角剪切試樣，對于每一個角度可以確定試樣的一對剪應(yīng)力t、正應(yīng)力s值，把這些值標在ts坐標圖中，連接求得的各點，即可得到如圖所示的巖石抗剪強度曲線。巖石抗剪強度部分曲線圖巖石抗剪強度試驗記錄表巖 石名 稱試 樣編 號巖 石特 征試 樣 尺 寸夾具 角度破壞載荷 （N）剪應(yīng)力(MPa)正應(yīng)力(MPa)備 注長 (mm)寬 (mm)高 (mm)面積(mm2)試 樣 描 述班 級 組 別 日期 試驗者 計算者 四、巖石力學(xué)伺服控制剛性試驗1概述普通的力學(xué)試驗機是由加載架、液壓系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，長期以來大多數(shù)巖塊的變形與強度性質(zhì)的試驗都靠普通試

17、驗機來完成。但在實踐中發(fā)現(xiàn)，在進行巖石力學(xué)試驗時，當達到巖石峰值強度的瞬間，往往會發(fā)生巖石試件“爆裂”現(xiàn)象，以至于很難測得接近或達到峰值時的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，更無法獲得峰值以后的信息。巖石試件發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象主要是：1）試驗機的剛度比巖石試件的剛度小；2）當巖石發(fā)生破裂承載力下降時試驗機不能主動“讓壓”。目前巖石力學(xué)試驗克服巖石試件發(fā)生“爆裂”的途徑是：1）提高試驗機的剛度；2）伺服控制試件的變形。2伺服控制剛性試驗剛度是指材料抵抗外力變形的能力：式中：材料剛度；（MN/mm）外力，（）；位移，（mm）；材料彈性模量，（MPa）；材料有效面積，（mm2）；材料有效長度，（mm）。一般巖石的剛度都

18、大于0.5MN/mm，而普通的試驗機的剛度只有0.150.2 MN/mm，在加載過程中，試驗機和試件都儲存彈性勢能：試驗機的彈性勢能：巖石試件的彈性勢能：在普通試驗機上進行巖石力學(xué)試驗時可以看出，在巖石試件破裂的瞬間，巖石試件的承載能力降低，同時其彈性勢能也伴隨裂紋的擴張、聲響、震動和熱能而消耗掉；但試驗機的彈性勢能并沒有消散，它會完全釋放給巖石試件，那么使得巖石試件吸收比自身的彈性勢能大出很多倍的勢能，使得巖石試件不能承受這么大的彈性勢能，因此發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象。如果提高試驗機的剛度，即，那么試驗機在加載的過程中自身儲存的彈性勢能就很小，即，在巖石試件破裂的瞬間，試驗機不會釋放彈性勢能或釋放很少的彈性勢能給巖石試件，這時巖石試件就不會發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象。圖23 電液伺服控制系統(tǒng)示意圖電液伺服控制系統(tǒng)其控制方式如圖23：由自控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，在伺服控制器中與油缸的實際位置信號相比較，成為誤差的信號放大后，送入電液伺服閥。伺服閥按一定的比例將電流信號轉(zhuǎn)變成液壓油量推