巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)一 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)1.1 概述 當(dāng)無(wú)側(cè)限巖石試樣在縱向壓力作用下出現(xiàn) 壓縮破壞時(shí)，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(shí)的最大載荷與垂 直于加載方向的截面積之比。在測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度的同時(shí)， 也可同時(shí)進(jìn)行 變形試驗(yàn)。不同含水狀態(tài)的試樣均可按本規(guī)定進(jìn)行測(cè) 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(méi)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(méi) 試樣，試樣在水下自由吸水48h;采用煮沸法飽 和

2、試樣時(shí)，煮沸箱內(nèi)水面應(yīng)經(jīng)常保持高于試樣 面，煮沸時(shí)間不少于 6h。1.2 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(duì)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 =2:1 2.5:1 。（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(gè)。（3）試樣制備的精度， 在試樣整個(gè)高度上， 直徑誤差不得超過(guò)0.3mm兩端面的不平行度最 大不超過(guò)0.05

3、mm端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最 大偏差不超過(guò) 0.25 度。1.3 試樣描述 試驗(yàn)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 錄受載方向與層理、片理及節(jié)理裂隙之間的關(guān) 系。（3）測(cè)量試樣尺寸，并記錄試樣加工過(guò)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(cè)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(yàn)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

4、試驗(yàn)，并能連續(xù)加載且無(wú)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(shí)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(yàn)應(yīng)符合國(guó)家計(jì)量 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。1.5 試驗(yàn)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(duì)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(jì)算按下

5、式計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度式中：Pc Ac巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa；p 最大破壞載荷(N);A垂直于加載方向的試樣橫截面積(mm。試驗(yàn)結(jié)果按表1-1記錄。表1-1巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)記錄表工程名稱 試驗(yàn)時(shí)間年月日巖石名稱試樣編號(hào)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(mn2)試樣描述計(jì)算者試驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)二、巖石壓縮變形試驗(yàn)2.1 概述巖石變形試驗(yàn)，是在縱向壓力作用下測(cè)定試 樣的縱向（軸向）和橫向（徑向）變形，據(jù)此計(jì) 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

6、向應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)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(shí)的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng) 變值進(jìn)行計(jì)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(jiàn) 1.2 。2.3 試樣描述 試樣描述見(jiàn) 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(jiàn)1.4。（2）電阻應(yīng)變片、粘結(jié)劑、萬(wàn)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(cè)定需要的其他儀表。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

7、.5試驗(yàn)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(zhǎng)度應(yīng)大于組成試樣的礦物最大 粒徑或斑晶的10倍以上。同一試樣用的工作片 和補(bǔ)償片的電阻值應(yīng)不超過(guò)土 0.2歐姆。（2）電阻片應(yīng)貼在試樣高度的中部，每個(gè) 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(kāi)顯著的裂 隙、特大的礦物顆?；虬呔А?試樣貼片前用零號(hào) 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(duì)準(zhǔn) 中心，以全橋或半橋的方

8、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0.5 0.8MPa的加載速度對(duì)試樣加載，直至破壞。（5）在施加載荷的過(guò)程中，由數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)同步記錄各級(jí)應(yīng)力及其相應(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(yàn) 有關(guān)的的情況。試驗(yàn)記錄格式見(jiàn)表 2-1 。2.6 試驗(yàn)成果整理和計(jì)算2.6.1 計(jì)算各級(jí)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(yàn)前將二片串聯(lián)，直接測(cè)得縱向、橫向應(yīng)變值)(2) 用下式計(jì)算體積應(yīng)變值：v h 2 d式中：V某一

9、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262計(jì)算彈性模量和泊松比(1) 在縱向應(yīng)變曲線上，做通過(guò)原點(diǎn)與應(yīng) 力相當(dāng)于50僦壓強(qiáng)度處的應(yīng)變點(diǎn)的連線，其斜 率即為所求的彈性模量(或稱割線模量)。50匕50h50式中：E50 彈性模量(MPa ；50 相當(dāng)于50%抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力值(MPa；h50 應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50%寸的縱向應(yīng)變值。(2)取應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度 50%寸的橫向應(yīng)變 值和縱向應(yīng)變值計(jì)算泊松比。d50h50式中：泊松比；d50 應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度 50%寸的橫向應(yīng)變值；h50 應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50%寸的縱向應(yīng)

10、變值。計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度式中：Pc Ac巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa；p 最大破壞載荷(N)A垂直于加載方向的試樣橫截面積(mri)。計(jì)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(yàn)記錄表工程名稱試樣直徑（mmE50 =( Mpa巖石名稱試樣高度（mm=試樣編號(hào)試樣面積（mft）c=( 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(jí)試驗(yàn)者組別計(jì)算者日期實(shí)驗(yàn)三、巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（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(duì)的線性載荷， 使之沿試樣直徑方 向破壞的試驗(yàn)（如圖 4）。本方法可用于測(cè)烘干、

11、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(guò)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(guò) 5%。（3）對(duì)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(gè)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(gè)。（5）試樣制備精度。整個(gè)厚度上，直徑最大誤差不應(yīng)超過(guò)0.1mm兩端不平行度不宜超過(guò)0.1mm端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不應(yīng)超過(guò)0.25度。3.

12、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(cè)工具與有關(guān)儀器 詳見(jiàn)1.4。(2) 加載設(shè)備：壓力試驗(yàn)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(yàn)精度，所以選擇壓力試驗(yàn)機(jī)的噸位不宜 過(guò)大。(3) 墊條：在巖石劈裂試驗(yàn)中，目前國(guó)內(nèi) 外規(guī)程中，有加墊條、劈裂壓模、不加墊條三種，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(guó) 際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)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(guó)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(jiǎn)單所以 用的較廣泛

13、圖4巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)定示意圖3.5試驗(yàn)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(guò)程中的破壞發(fā)展過(guò) 程，并記錄試樣的破壞形態(tài)。表3-1巖石劈裂法試驗(yàn)記錄表工程名稱巖石名稱試樣編號(hào)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(mri)試驗(yàn)者計(jì)算者4.6成果整理和計(jì)算（1）按下式計(jì)算巖石的抗拉強(qiáng)度2Pt DH式中：t巖石的抗拉強(qiáng)度（MPa；p試樣破壞

14、時(shí)的最大載荷（N）;d試樣直徑（mm）;H試樣厚度（mm）。計(jì)算值取至小數(shù)點(diǎn)以后一位。實(shí)驗(yàn)四、巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn) （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(shí)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(gè)不同角度的抗剪夾具做試驗(yàn)，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(qiáng)度曲線的一部分。4.2試樣備制試樣為50 50 50mm或 70 70 70rn）m勺立方 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(yàn)至少3個(gè)角度，每個(gè)剪切角度的試 樣數(shù)目應(yīng)不少于

15、23個(gè)，所以一組試驗(yàn)的試樣 數(shù)目至少應(yīng)有69個(gè)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(yàn)設(shè)備、用具壓力試驗(yàn)機(jī)，抗剪夾具（20、30、40三個(gè)）， 卡尺及其它輔助設(shè)備。4.4試驗(yàn)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(biāo)卡尺量測(cè)試樣的高、寬、長(zhǎng)的 尺寸，精確到0.05mm并計(jì)算剪切面的面積。（3）把試樣和抗剪夾具一起放在壓力試驗(yàn) 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(shí)的載荷，格式見(jiàn) 表 4-1。（5）按20、30、45不同夾具，分別逐個(gè) 進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)角度做3件。4.5試驗(yàn)成果整理和計(jì)算（1）試樣受力狀態(tài)如圖5、6所示，根據(jù)下 式計(jì)算試樣所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。PsinAPcosA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）；p