巖石力學(xué)性質(zhì)試驗指導(dǎo)書

1、巖石力學(xué)性質(zhì)試驗指導(dǎo)書實驗一 巖石單軸抗壓強度試驗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

2、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 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 =2:1 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。（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0.05

3、mm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 ）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、鋸石機、磨石機或 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。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

4、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 的要求。( 3 )壓力機的校正與檢驗應(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

5、式計算巖石單軸抗壓強度式中：Pc Ac巖石單軸抗壓強度(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。試驗結(jié)果按表1-1記錄。表1-1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)單軸抗壓強度(MPa)備 注直徑(mm)高 度(mm)橫截面積(mn2)試樣描述計算者試驗者實驗二、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)定用單軸抗壓強度的 50%作為應(yīng)力和該應(yīng) 力下的縱

6、向應(yīng)變值進行計算。 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) 定用單軸抗壓強度 50%時的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng) 變值進行計算。 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，也可用精度能達到0.1% 和量程能滿足變形測定需要的其他儀表。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。同一試樣用的工作片 和補償片的電阻值應(yīng)不超過土 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А?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上，對準(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2.6.1 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：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計算彈性模量和泊松比(1) 在縱向應(yīng)變曲線上，做通過原點與應(yīng) 力相當(dāng)于50僦壓強度處的應(yīng)變點的連線，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%抗壓強度的應(yīng)力值(MPa；h50 應(yīng)力為抗壓強度50%寸的縱向應(yīng)變值。(2)取應(yīng)力為抗壓強度 50%寸的橫向應(yīng)變 值和縱向應(yīng)變值計算泊松比。d50h50式中：泊松比；d50 應(yīng)力為抗壓強度 50%寸的橫向應(yīng)變值；h50 應(yīng)力為抗壓強度50%寸的縱向應(yīng)

10、變值。計算巖石單軸抗壓強度式中：Pc Ac巖石單軸抗壓強度(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)。計算值取值彈性模量取至百位數(shù)；泊松比取至小數(shù)點以后兩位；單軸抗壓強度取至整數(shù)位。表2-1巖石變形試驗記錄表工程名稱試樣直徑（mmE50 =( Mpa巖石名稱試樣高度（mm=試樣編號試樣面積（mft）c=( MPa載荷（N）應(yīng)力（MPa縱向應(yīng)變橫向應(yīng)變體積應(yīng)變備注班級試驗者組別計算者日期實驗三、巖石抗拉強度試驗（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、

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.

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、量測工具與有關(guān)儀器 詳見1.4。(2) 加載設(shè)備：壓力試驗機應(yīng)符合 1.4的 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。(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，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

13、圖4巖石抗拉強度測定示意圖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)巖石抗拉強度(MPa)備注平均直徑(mm)平均厚度(mm)劈裂面積(mri)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度2Pt DH式中：t巖石的抗拉強度（MPa；p試樣破壞

14、時的最大載荷（N）;d試樣直徑（mm）;H試樣厚度（mm）。計算值取至小數(shù)點以后一位。實驗四、巖石抗剪強度試驗 （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。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每組試驗至少3個角度，每個剪切角度的試 樣數(shù)目應(yīng)不少于

15、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，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 4-1。（5）按20、30、45不同夾具，分別逐個 進行試驗，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。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