实验指导书岩石的变形试验

实验指导书岩石的变形试验岩石力学是一门研究岩石力学性质及其相关现象的科学，其应用范围广泛，涉及到国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾等多个领域。人类对岩石力学性质的认识始于试验，而岩石力学理论的形成和发展也与试验方法紧密相连。岩石的力学性质包括强度、变形、动力学特性和渗透性等方面。这些性质会受到岩石所处的物理和化学环境的影响。研究岩石力学性质的方法主要是现场和室内试验。现场试验包括三轴压缩试验、剪切试验和岩体渗透性试验等，可以测量岩体原位变形性能和强度性能。室内试验则包括单轴压缩、三轴压缩、单轴拉伸、直接剪切、渗透试验等，可以模拟不同条件下的岩石力学行为。

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大型岩石直剪仪通过这些加载方式，我们可以系统地测量岩石试样在各种应力作用下的应力、应变等力学性质。而且，改变加载条件，如压力大小、加载速率等，可以进一步研究岩石试样的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、变形特性以及破坏机制等关键参数。岩石三轴实验原理岩石三轴力学试验是一种综合性的研究方法，用于深入探究岩石材料的力学性质。通过分别模拟地壳中的水平地应力、垂直应力和侧向应力，该试验能够全面地揭示岩石在复杂应力状态下的变形和破坏过程。在试验过程中，第一轴的径向加载通过施加垂直于岩石试样截面的压力，真实地模拟了地壳中的水平地应力作用。第二轴的轴向加载则通过施加垂直于岩石试样轴向的压力，成功地模拟了地壳中的垂直应力作用。而第三轴的背景加载在岩石试样周围施加恒定的侧向压力，使得岩石材料处于三向应力状态下，从而更准确地反映了地壳中的真实应力环境。三维物体中的主应力(作用在剪应力为零的平面上的最大和最小正应力)为三(σ1>σ2>σ3)。实际上，主应力可能不同。但在实验室三轴试验中，中间应力σ2等于σ3。三轴试验中施加的主应力如图1所示。三轴试验中施加在圆柱形岩石样品上的主应力(σ1>σ2=σ3)围压是确定的，并在试验过程中保持不变。样品最初被各向同性地加载，直到主应力等于预定的围压。然后，轴向应力σ1以一定的速率增加，直到试样破坏，并记录最大σ1。图1：岩石三轴加载原理图见上述岩石三轴加载原理图中1-为密封装置、2-围压，3-底座，4-出液口，5岩石试样，6-乳胶膜，7-进液口进行所有施加的主应力都不相同的实验室试验是有挑战性的，并且没有被广泛使用。这种方法被称为多轴或真三轴试验。（参见东北大学案例）三轴试验中施加在方形岩石样品上的主应力(σ1>σ2＞σ3)GDSTTA真三轴岩石三轴试样制作在岩石三轴力学实验中，测试样品通过岩心钻探获得，并且必须选择能代表被检查岩层的样品。应在钻探日期后的30天内对试样进行测试，以保持其初始状态(如自然含水量)。首要步骤是挑选满足要求的岩石试样，并将其切割、研磨至规定的几何形状，通常是圆柱体或立方体。这个步骤非常重要，因为试样的形状和尺寸会影响到试验的结果和数据的可靠性。应该指出的是，饱和度或孔隙压力的增加在岩石力学中并不是一个关键问题，因为岩石的孔隙度比土壤的孔隙度低得多，因此测试干燥或饱和样品不会对结果产生显著影响。在加工岩石试样时，需要使用精密的切割机和磨床等设备，以确保试样的表面平整、光滑，并且几何形状符合要求。同时，还需要对试样进行干燥处理，以消除水分对试验结果的影响。在试样制备完成之后，需要进行测量，以确定其原始的几何尺寸和重量。这些数据将用于计算试样的力学性质，样品形状如为圆柱形，直径必须在38到54毫米之间。直径通过在样品的顶部、中部和底部进行测量得出，公差为0.1毫米。高度与直径(H/D)之比必须在2.0和3.0之间。高度应精确到毫米。此外，最大工装碎片的尺寸最大应为样品直径的10%。样品的末端必须平滑，以便顶部和底部表面平坦，公差为0.01mm。这确保了施加的载荷均匀地传递到样品上，并且没有载荷偏心。样品的侧面必须光滑，且不存在0.3毫米公差范围内的不规则性。岩石三轴试验过程将一个圆柱形岩石标本放在一个专门设计的小室中(如Hoek小室)。一种特殊设计的薄膜贴在压力室上，使其保持密封。侧向压力是流体静力的，通过泵入膜中的液体(通常是油)施加。使用能够在1%精度内调节压力的液压泵或伺服马达。试样被钢制球形座轴向包围。为了获得样品的垂直和圆周变形，可以使用应变仪。然而，在进行三轴试验时，并不强制记录应变响应。下图B给出了Hoek压力室和组装在一起进行三轴试验的零件的示意图。图2：用于三轴试验的Hoek压力室然后将Hoek压力室放入加载装置中，该装置用于向样品施加垂直载荷。现代加载系统是以恒定速率施加液压的伺服控制装置。选择加载速率(kN/s),使样品在大约10分钟(5-15分钟)内破坏。如果已经有关于常数σ3下的最大σ1的数据(从以前的测试中获得)，则可以计算出该比率。否则，应根据对被测材料行为的现有知识做出合理的假设.侧向压力以与轴向载荷相同的速率施加，直到达到规定值。一旦达到该围压，其精度应保持在2%以内。加载机器必须坚固，足以施加岩石样品破坏所需的最大压力。此外，应经常校准它，以正确得出负载测量值。Controls岩石三轴仪结果和计算三轴试验的原始数据包括样品尺寸、侧压力σ3、轴向载荷P、试验持续时间(必须在要求的范围内),以及变形测量值(如果使用了应变仪)。首先，样品的横截面积计算如下:其中D是样品的直径。轴向应力由轴向载荷除以试样的横截面积得出:其中P是轴向载荷。

如果记录了变形测量值，则绘制样品的应力-应变响应图。轴向和周向应变eA和eC分别计算如下:其中R是应变计的初始电阻，δR是变形引起的电阻变化，kis是应变计系数。经过一系列至少3次三轴试验后，得出岩石样品的破坏包络线。岩石力学中最常用的破坏标准是:莫尔-库仑破坏准则霍克-布朗(H-B)破坏准则M-C破坏准则将剪切强度和作用在破坏面上的法向有效应力联系起来。它也可以用主应力表示为:其中t是材料的剪切强度，c是内聚力，φ是摩擦角，σn是作用在破坏面上的正应力，σ1和σ3是主应力。M-C准则因其简单性和在岩土工程中的普遍接受性而被采用。然而，H-B准则是基于许多岩石类型的一系列实验室试验发展起来的，这些试验表明，岩石脆性破坏中的主应力之间存在非线性相关性。H-B准则中的主应力相关性表示为:其中σci是单轴抗压强度，mi是基于岩石类型的常数，σ1和σ3是主应力。在不同侧压力下进行至少3次三轴试验后，绘制出所选标准的最佳拟合包络线，并推导出每个包络线的参数(M-C中的内聚力、摩擦角和mi，H-B中的σci)。然而，在H-B准则中，大多数情况下σci已经由材料的单轴压缩试验确定。确保样品来自相同的岩心或岩块，并呈现相似的特性，这一点至关重要。这可以通过视觉观察来实现。图3:基于实验室数据和M-C和H-B标准最佳拟合包络线的主应力图。推导M-C和H-B标准参数的示例假设对特定类型的岩石试样进行了4次三轴试验。表1列出了预先确定的侧向应力和相应的轴向应力:表1：三轴试验结果数据示例结果用最佳拟合M-C和H-B包络绘制在图3中。图3是基于实验室数据和M-C和H-B标准最佳拟合包络线的主应力图。基于最佳拟合曲线，表2中给出了两个失效标准的参数。表2:基于实验室测试数据的H-B和M-C标准的导出参数结束语岩石力学的研究不仅具有理论意义，还具有实际应用价值。例如，在土木工程、地质工程、采矿工程等领域中，岩石力学的研究成果被广泛应用于岩土工程设计、施工和监测等方面。此外，岩石力学的研究还可以为资源开发、环境保护、减灾防灾等方面提供重要的科学依据和技术支持。随着科学技术的发展，岩石力学的研究方法和手段也不断更新和完善。例如，数值模拟技术、非接触式测量技术、X射线CT扫描技术等新技术的应用，使得岩石力学的研究更加精确和深入。同时，岩石力学研究领域也不断拓展，涉及到地质学、物理学、化学等多个学科领域，形成了多学科交叉的研究格局。GDS动态岩石三轴测试系统参考文献：Suggestedmethodsfordeterminingthestrengthofrockmaterialsintriaxialcompression:Revisedversion,InternationalJournalofRockMechanicsandMiningScie