室内岩石物理力学性能试验(密度试验、比重试验、含水率试验、吸水性试验等)

岩石试验概述、室内岩石物理力学性能试验（包括密度试验、比重试验、含水率试验、吸水性试验、耐崩解试验、膨胀试验、抗压强度试验、抗拉强度试验、压缩变形试验、直剪试验、点荷载强度试验、冻融试验）。一、 概述1、 定义岩石试验是通过一系列测试手段，获得岩石的各种物理性指标和力学性能参数，从而为工程设计和工程施工提供所需的基础参数。岩石试验的前提是试验设备、仪器完好有效。岩石试验质量控制的重点在于：试验位置的选取（代表性）、试点（件）加工的质量、仪器设备安装以及试验操作过程的质量控制等。因此，质量监督的重点也应在这几个环节上。2、 相关规程、规范DLJ2O4、SLJ2。DL5OO6。GB/T5O266。DL/T5148二、 室内岩石物理力学性质试验（一）密度试验岩石密度，即单位体积的岩石质量，是试件质量与试件体积之比。根据含水情况，岩石密度可分为烘干密度、饱和密度和天然密度。一般未作说明时，皆指烘干密度。岩石密度可采用量积法、水中称量法或采用蜡封法进行测定。量积法试件可用圆柱体、方柱体或立方体；蜡封法试件宜为4O-6Omm的浑圆状岩块。其他要求应符合有关规定。测干密度时，每组试件不得少于3个；测湿密度时，试件不宜少于5个。试验前应对试件进行地质描述，主要包括岩石名称、结构、矿物成分、胶结物性质、节理裂隙的发育程度及分布等。1、试验要点(1)量积法：量测试件两端和中间三个断面上相互垂直的两个直径或边长，取平均值计算截面积。量测端面周边对称四点和中心点的五个高度，计算高度平均值。将试件置于烘箱中，在1O5-11O°C的恒温下烘24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称试件质量。(2)蜡封法：测湿密度时，应取有代表性的岩石制备试件并称量；测干密度时，试件应在1O5-11OC恒温下烘24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称干试件质量。将试件系上细线，置于温度6OC左右的熔蜡中约1-2s，使试件表面均匀涂上一层蜡膜，其厚度约1mm左右。当试件上蜡膜有气泡时，应用热针刺穿并用蜡液涂平，待冷却后称蜡封试件质量。将蜡封试件置于水中称量。取出试件，擦干表面水分后再次称量。当浸水后的蜡封试件质量增加时，应重做试验。湿密度试件在剥除蜡膜后，按含水率试验的试验步骤，测定岩石含水率。2、试验成果整理量积法按下式计算岩石密度：Pd=ms/AH式中Pd 岩石干密度，g/emɜ；m 干试件质量，g;A 试件截面积，cm2；H 试件高度，cm。蜡封法按下列公式计算岩石的干、湿密度：PdfWW—VmP~—m TTT―—m*w=p1+0.01G式中P 岩石湿密度，g/cm3；m 湿试件质量，g；m1 蜡封试件质量，g;m2 蜡封试件在水中的称量，g;pw 水的密度，g/cm3；pp 石蜡的密度，g/cm3；3—岩石含水率，％。比重试验岩石比重是试样干质量与同体积纯水质量的比值。采用比重瓶法进行测定，适用于各类岩石。试件粉碎前应进行地质描述。1、 试件制备质量点将岩石用粉碎机粉碎成岩粉，使之全部通过O.25mm筛孔，用磁铁吸去铁屑。对含有磁性矿物的岩石，应采用瓷研钵或玛瑙研钵粉碎岩石，使全部通过0.25mm筛孔。2、 主要试验步骤及要求将制备好的岩粉，置于1O5~11O°C的恒温下烘干12h后，放入干燥器内冷却至室温。用四分法取两份岩粉，每份岩粉质量为15g。将经称量的岩粉装入烘干的比重瓶内，注入试液(纯水或煤油)至比重瓶容积的一半处。对含水溶性矿物的岩石，应使用煤油作试液。将经过排除气体的试液注入比重瓶至近满，然后置于恒温水槽内，使瓶内温度保持稳定并使上部悬液澄清。塞好瓶塞，使多余试液自瓶塞毛细孔中溢出，将瓶外擦干，称瓶、试液和岩粉的总质量，并测定瓶内试液的温度。洗净比重瓶，注入经排除气体并与试验同温度的试液至比重瓶内，按本条(4)、(5)程序称瓶和试液的质量。3、 试验成果整理按下式计算岩石比重：G= __p0sml+ms—m2Gs 岩石比重；ms 干岩粉质量，g;ml 瓶、试液总质量，g；m2 瓶、试液、岩粉总质量，g；PO 与试验温度同温的试液比重。比重试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于O.O2，取两次测值的平均值。（三） 含水率试验岩石含水率是指试样在1O5-11O°C下烘至恒量时失去的水分质量与达到恒量时试样干质量的比值，以百分数表示。岩石含水率试验应采用烘干法，并适用于不含结晶水矿物的岩石。含水率试验质量控制重点在试样采取、运输、储存、试验操作等过程中。试样应在选定地点现场采取，不得用爆破或湿钻取样。在取样、运输、储存和试件制备过程中，应保持天然含水率，含水率的变化不超过1%。试验前应对试件进行地质描述，描述要求参照有关规定。1、 试验要点称制备好的试件质量。将试件置于烘箱内，在1O5-11OC的恒温下烘干试件。将试件从烘箱中取出，放入干燥器内冷却至室温，称试件质量。重复本条（2）（、3）程序，直到将试件烘干至恒量为止，即相邻24h两次称量之差不超过前一次称量的O.1%。2、 计算公式按下式计算岩石含水率：3=（mθ-ms）/ms式中3 岩石含水率，％；mO 试件烘干前的质量，g；ms一——试件烘干后的质量，go（四） 吸水性试验岩石吸水性试验包括岩石吸水率试验和岩石饱和吸水率。岩石吸水率采用自由浸水法测定；岩石饱和吸水率采用煮沸法或真空抽气法测定。在测定岩石吸水率和饱和吸水率的同时，应采用水中称量法测定岩石密度。该试验不适用遇水崩解的岩石。试件可采用圆柱体、方柱体或立方体，也可采用不规则岩块。不规则试件宜为边长40-60mm的浑圆状岩块。每组试验试件数量不得少于3个。试验前应对试件进行地质描述，吸水性试验质量控制重点在试验过程。1、 试验步骤清除试件上的尘土和松动颗粒，将试件置于烘箱内，在105~110°C温度下烘24h，取出放入干燥器内冷却至室温后称量。当采用自由浸水法饱和试件时，将试件放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没试件。试件在水中自由吸水48h后，取出试件并沾去表面水分后称量。当采用真空煮沸法饱和试件时，煮沸容器内的水面应始终高于试件，煮沸时间不得少于6h。经煮沸的试件，应放置在原容器中冷却至室温，取出并沾去表面水分后称量。当采用真空抽气法饱和试件时，饱和容器内的水面应高于试件，真空压力表读数宜为100kPa，直至无气泡逸出为止，但抽气时间不得低于4h。经真空抽气的试件，应放置在原容器中，在大气压力下静置4h，取出并沾去表面水分后称量。将经煮沸或真空抽气饱和的试件，置于水中称量装置上，称试件在水中的质量。2、 试验成果整理按下列公式计算岩石吸水率、饱和吸水率、干密度：3a=(m0-ms)/ms*100%3sa=(mp-ms)/ms*100%Pd=ms/(mp-mw)*pw式中3a 岩石吸水率，%；3sa 岩石饱和吸水率，%；Pd 岩石干密度，g/cm3；m0———试件浸水48h后的质量，g；ms 干试件质量，g；mp 试件经煮沸或真空抽气饱和后的质量，g；mw 饱和试件在水中的称量，g;Pw 水的密度，g/cm3。（五） 耐崩解试验耐崩解试验是测定岩石在遭受干燥及湿润两个标准循环之后，对软化及崩解作用所表现出的抵抗能力。1、 试样制备在现场采取保持天然含水量的试样并密封。试样制成每块质量为40~60g的浑圆状岩块试件，每组试验试件的数量不应少于10个。2、 试验前，应对试件的岩性、风化程度、胶结物性质等进行地质描述，以供资料分析使用3、 试验步骤将试件装入耐崩解试验仪的圆柱形筛筒内，在105~110°C的温度下烘干至恒量后，在干燥器内冷却至室温称量。将装有试件的圆柱形筛筒放在水槽内，向水槽内注入纯水，使水位在转动轴下约20mm，圆柱形筛筒以20r/min的转速转动10min后，将圆柱形筛筒和残留试件在105~110C的温度下烘干至恒量后，在干燥器内冷却至恒量称量。重复本条（2）项的程序，求得第二次循环后的圆柱形筛筒和残留试件质量。根据需要可进行5个循环。试验过程中，水温应保持在20±2C范围内。试验结束后，应对残留试件、水的颜色和水中沉积物进行描述。根据需要，对水中沉积物进行颗粒分析、界限含水量测定和黏土矿物分析。4、 试验成果整理按下式计算岩石耐崩解性指数：Id2=m/m*100%式中I 岩石（二次循环）耐崩解性指数，%;d2ms 原试件烘干质量，g；ms 残留试件烘干质量，go（六） 膨胀试验体积不变条件下的膨胀压力试验，是测定软弱岩石试样浸水后保持原形且体积不变所需要的单位面积上的压力，即试样浸水后保持体积不变的最大载荷与垂直加载方向的面积之比。岩石膨胀试验包括岩石自由膨胀率试验、岩石侧向约束膨胀率试验和岩石膨胀压力试验。试样应在现场采取，并保持天然含水状态。不得采用爆破或湿钻法取样。岩石膨胀试验试件可采用圆柱体试件或立方体试件，相对端面应平行。试件数量不得少于3个。试件应采用干法加工，天然含水率的变化不应超过1%。详细制备要求参照有关规定。试验时，应对试件进行地质描述，供分析资料用。主要内容包括：岩性名称、矿物成分、风化程度、胶结物性质，膨胀变形和加载方向各因素与节理裂隙之间的关系，以及试件加工方法等。1、 自由膨胀率试验主要试验步骤将试件放入自由膨胀率试验仪内，在试件上下分别放置透水板，顶部放置一块金属板。在试件上部和四侧对称的中心部位分别安装千分表。读计千分表初读数，每隔10min读记1次，直至3次读数不变。缓慢向盛水容器内注入纯水，直至淹没上部透水板。在第1小时内，每隔10min测读变形1次，以后每隔1h测读变形1次，直至3次读数差不大于0.001mm为止。浸水后试验时间不得小于48h。试验过程中，应保持水位不变。水温变化不得大于2°C。试验过程中及试验结束后，应详细描述试件的崩解、掉块、表面泥化等现象。2、 侧向约束膨胀率试验主要试验步骤将试件放入内壁涂有凡士林的金属套环内，在试件上下分别放置薄型滤纸和透水板。顶部放上固定金属载荷块并安装垂直千分表。金属载荷块的质量应能对试件产生5kPa的持续压力。试验及稳定标准同自由膨胀率试验的(3)~(6)项。试验结束后，应描述试件表面的泥化、软化等现象。3、 膨胀压力试验主要试验步骤试件放入内壁涂有凡士林的金属套环内，在试件上下分别放置薄型滤纸和透水板。安装加压系统及量测试件变形的测表，试件在仪器中应不偏心。对试件施加0.01MPa的载荷，测读量测试件变形测表读数，每隔10min读记1次，直至3次读数不变。缓慢向盛水容器内注入纯水，直至淹没上部透水板。观测变形测表变化，当变形量大于0.001mm时，调节所施加的载荷，应保持试件厚度始终不变。开始时每隔10min读数一次，连续3次读数差小于0.001min时，改为每1h读数一次；当每1h连续3次读数差小于0.001mm时，可认为稳定并记录试验载荷。浸水总时间不得少于48h。试验过程中，应保持水位不变。水温变化不得大于2°C。试验结束后，应描述试件表面的泥化和软化等现象。4、 试验成果整理按下列公式计算岩石自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀压力：VH=AH/H*100%VD=AD/D*100%VHP=AH1/H*100%PS=F/A式中VH 岩石轴向自由膨胀率，％；VD 岩石径向自由膨胀率，％；VHP 岩石侧向约束膨胀率，%；Ps 岩石膨胀压力，MPa；AH 试件轴向变形值，mm；H 试件高度，mm；AD 试件径向平均变形值，mm；D 试件直径或边长，mm；AH1 有侧向约束试件的轴向变形值，mm；F 轴向载荷，N；A 试件截面积，mm2。（七）抗压强度试验试件在无侧限条件下，受纵向压力作用至压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试件破坏时的载荷与垂直于加载方向的截面积之比。抗压强度试验适用于能制成规则试件的各类岩石。试件含水状态根据需要可选择天然含水状态、烘干状态、饱和状态或其他含水状态。1、 质量重点控制试件可用钻孔岩芯或坑槽探中采取的岩块加工制成。试样在采取、运输和制备试件过程中应避免产生裂缝。对于遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石，应采用干法制样。圆柱体试件直径宜为50mm，高径比应保持2:1。试验在压力机上进行，以每秒0.5~0.8MPa的速度加载，直至试件破坏，记录破坏载荷。2、 岩石单轴抗压强度计算公式按下式计算岩石单轴抗压强度：R=P/A式中R 岩石单轴抗压强度，MPa；P 试件破坏载荷，N；A 试件截面积，mm2。根据国家标准GB/T50218—1994《工程岩体分级标准》，岩石坚硬程度可依据单轴饱和抗压强度（Rc）进行定性划分，见表4-1-3。表4-1-3Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系R（cMPa）>6060~3030~1515~5!5岩石坚硬程度 坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩（八）抗拉强度试验抗拉强度试验采用劈裂法，适用于除软弱岩石外能制成规则试件的各类岩石。根据需要可测试件烘干、饱和状态及其他不同含水状态的抗拉强度。1、控制试验质量的重要环节试件可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块加工制成。试样在采取、运输和制备试件过程中应避免产生裂缝。对于遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石，应采用干法制样。采用圆柱体作为标准试件，直径宜为50mm，高度为直径的0.5~1.0倍。试验在压力机上进行，以每秒O.3~O.5MPa的速度加载，直至试件破坏，记录破坏载荷。2、抗拉强度的计算按下式计算岩石的抗拉强度：ot=2P/nDh式中ot 岩石抗拉强度，MPa；P 试件破坏载荷，N；D——一试件直径，mm；P 试件厚度，mm。压缩变形试验岩石压缩变形试验，是在纵向压力作用下测定试件的纵向和横向变形，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。弹性模量是纵向单轴压缩应力与纵向应变之比；泊松比是横向应变与纵向应变之比。岩石压缩变形试验适用于能制成规则试件的各类岩石，试件可为烘干或饱和状态。1、 重点试验步骤电阻应变片应牢固地粘贴在试件高度中部表面，并应避开裂隙或斑晶。纵向或横向电阻片的数量不得少于2片。试验在压力机上进行，将试件置于压力机承压板中心，调整球形座，使试件受力均匀。以每秒O.5~O.8MPa的速度加载，逐级测读载荷与应变值直至试件破坏，测值不应少于1O组。2、 试验成果整理岩石单轴抗压强度按式4-1-27计算。按下式计算各级应力：O=P/A式中e 各级应力，MPa；P 与各所测应变值相应的载荷，N；A 试件截面积，mm2。绘制应力与纵、横向应变关系曲线。按下列公式计算岩石平均弹性模量和岩石平均泊松比：EAV=(ob-oa)/(ɛɪb-ɛɪa)pav=(ɛdb-ɛda)/(ɛɪb-ɛɪa)式中Eav 岩石平均弹性模量，MPa；Bav 岩石平均泊松比；ea 应力与纵向应变关系曲线上直线段始点的应力值，MPa；eb——一应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值，MPa；3/ 应力为ea时的纵向应变值；31b 应力为eb时的纵向应变值；3da 应力为ea时的横向应变值；3db 应力为eb时的横向应变值。（十）直剪试验岩石抗剪强度是岩石对剪切破坏的极限抵抗能力。直剪试验可测定岩块、岩石结构面及混凝土与岩石胶结面的抗剪强度。试样在工程部位现场采取，在采取、运输和试件制备过程中，应防止产生裂缝和扰动。根据需要，试件可采用天然含水状态、饱和状态或其他含水状态进行试验。试验前后应对试件及剪切面进行详细描述。试件描述主要包括：岩石名称、矿物成分、结构、风化程度、层理、片理、节理裂隙的发育程度，结构面充填物性质、充填程度等，混凝土与岩石胶结面试件，还应测定岩石表面的起伏差；剪切面描述重点：准确量测剪切面面积、剪切面破坏情况、起伏差、擦痕分布、方向等；当结构面内有充填物时，应准确判断剪切面位置，并记述其组成成分、性质、厚度、构造。1、 试件尺寸重要要求岩块、岩石结构面直剪试验试件的边长不得小于5cm，试件高度应与直径或边长相等，结构面应位于试件中部；混凝土与岩石胶结面直剪试验试件应为方块体，边长不宜小于15cm；胶结面应位于试件中部，岩面起伏差应为边长的1%~2%。每组试验试件数量不应少于5个。2、 试验要点（1）法向荷载的施加：在每个试件上，分别施加不同的法向应力，所施加的最大法向应力，不宜小于工程预定的法向（设计）应力。对于岩石结构面中具有充填物的试件，最大法向应力以不挤出充填物为宜。不需固结的试件，法向荷载可一次施加完毕；需固结的试件，应在法向荷载施加完毕固结稳定后，再施加剪切荷载。（2）剪切荷载的施加：按预估最大剪切荷载分8~12级施加。每级荷载施加后，即测读剪切位移和法向位移，5min后再测读一次即施加下一级剪切荷载，逐级施加直至剪切破坏。当剪切位移增量较大时，可适当加密剪切荷载分级。将剪切荷载退至零。根据需要，待试件充分回弹后，调整测表，按上述步骤进行摩擦试验。3、试验成果整理按下列公式计算各法向荷载下的法向应力和剪应力：o=P/A T=Q/A式中o 作用于剪切面上的法向应力，MPa；T 作用于剪切面上的剪应力，MPa；P 作用于剪切面上的法向荷载，N；Q 作用于剪切面上的剪切荷载，N；A 剪切面面积，mm2。绘制各法向应力下的剪应力与剪切位移、法向位移关系曲线，根据曲线确定各剪切阶段特征点剪应力。根据各剪切阶段特征点的剪应力和法向应力绘制关系曲线，按库仑表达式确定相应的岩石抗剪强度参数。（十一）点荷载强度试验点荷载强度试验是将试件置于上下两个球端圆锥（或球端圆台）之间，施加集中载荷至试件破坏，测定岩石的点荷载强度指数is（50）和强度各项异性指数ia。该试验适用于各类岩石。（50）试样可用钻孔岩芯，或从岩石露头、勘探坑槽、平洞、巷道中采取的岩块，但在试样采取、运输及制备试件过程中，应避免产生裂缝。根据需要可选择试件在天然含水状态、烘干状态、饱和状态或其他含水状态进行试验。试验前应对试件进行描述，主要内容为：岩石名称、矿物成分、结构、风化程度，加荷方向与层理、节理、裂隙的关系等。1、试验要点试件尺寸要求应符合有关规定；试验在点荷载试验仪上进行。试验要点如下:径向试验时，安放试件使上下锥端与试件直径两端紧密接触，量测加载点间距。接触点距试验自由端的最小距离不应小于加载两点间距的0.5倍。轴向试验时，安放试件使上下锥端位于岩心试件的圆心处并与试件紧密接触。量测加载点间距及垂直于加载方向的试件宽度。方块体与不规则块体试验时，选择试件最小尺寸方向为加载方向。安放试件使上下锥端位于试件中心处并与试件紧密接触。量测加裁点间距及通过两加载点最小截面的宽度（或平均宽度）。接触点距试件自由端的距离不应小于加载两点间距的0.5倍。稳定施加荷载，使试件在10~60s内破坏，记录破坏荷载并描述破坏形态。2、试验成果整理（1） 按下式计算岩石点荷载强度：Is=P/D；式中Is 未经修正的岩石点荷载强度，MPa；P 破坏荷载，N；De 等价岩心直径，mm。（2） 径向试验时，应按下列公式计算等价岩心直径De：D2=D2 D2=DD'2ee式中D 加载点间距，mm；D' 上下锥端发生贯入后，试件破坏瞬间的加载点间距，mm；（3） 轴向、方块体或不规则块体试验时，应按下列公式计算等价岩心直径De：D2=4WD/n D2=4WD'/nee式中W 通过两加载点最小截面的宽度（或平均宽度），mm。（4） 当加载两点间距不等于50mm时，应对计算值进行修正。当试验数据较多，且同一组试件中的等价岩心直径具有多种尺寸，而加载两点间距不等于50mm时，应根