岩石力学试验指导书

实验一、岩石变形试验试验目的本试验目的在于测定规那么岩石试件在单轴压缩应力状态下的纵向和横向变形，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。弹性模量分为初始弹性模量，割线弹性模量和切线弹性模量。它们均由试验结果绘制的应力~应变曲线确定。泊松比是指单向压缩条件下横向应变与纵向应变之比；对于岩石，一般用应力~应变曲线近于直线段平均纵向应变与相应应力段平均横向应变计算。二、试验方法目前，实验室广泛采用电测法测定岩石变形。即用转换元件将待测非电量的变形转换成电量输入电子仪器进行测量。1、实验所用设备和备品序号名称规格单位数量1制样设备套12压力试验机YE—1000台13静态电阻应变仪YJ—31台14万用表台15应变片3*5mm片86501胶KH—501瓶17卡尺砂纸电线等2、试件制备及尺寸测量采用圆柱体试件，试件直径50mm，高100mm。〔2〕沿试件高度，直径的误差不超过0.03cm试件两端面不平行度误差，最大不超过0.005cm；端面应垂直于轴线，最大偏差不超过0.25°；直径应沿试件整个高度上分别量测两端面和中点三个断面的直径，取其平均值作试件直径；高度应在两端等距取三点量测试件的高，取其平均值，作为试件的高，同时检验两端面的不平整度。尺寸测量、均应精确到0.1mm。3、试件描述〔1〕岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；〔2〕加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题；4、电阻应变片粘贴〔1〕．选择适宜的应变片待用。同一组所用的应变片应是同一包装袋中的，并且两片之间的电阻值相差不应超过0.5欧姆。轴线在应变片底座上标出。在拿取和摆放应变片时，注意不要用手接触应变片的底座，也不要与其它未经清洗的物体接触，以免造成污染。禁止用镊子或其他坚硬的器具夹持敏感栅局部，防止人为损伤应变片。〔2〕．用细沙布打磨试件需要粘贴应变片外表。打磨方向与贴片方向成交叉450，面积约为5×10mm2。〔3〕．用棉球蘸少量丙酮(酒精)擦洗贴片位置，棉球脏了再换一个，只到棉球不变色为止。用铅笔画出贴片位置的方位线，然后在用棉球擦一次。此后，被清洗的外表不能与其它不清洁的物体接触。〔4〕．左手捏住应变片的引出线，右手拿501〔或502〕粘结剂瓶，在应变片上涂上一薄层粘结剂。迅速将应变片平放于粘贴位置，稍稍移动应变片，让粘结剂均匀分布在整个粘贴面上，并使应变片的轴线对准试件的定位线，将一小片塑料布盖在应变片上，用大母指挤压应变片一分钟，压时不能使应变片错动。轻轻揭开薄膜，检查应变片的颜色，如发现小块白色，说明有气泡存在，应用划针占少量胶水沿应变片边缘涂抹，胶水很快就渗进气泡中。再次垫上薄膜用拇指剂压，直到应变片全部颜色均匀。〔5〕．用万用表检查应变片的电阻值应与粘贴前一致。如有电阻变大或变小者，应检查应变片有无断路或短路，假设应变片已损坏，应将应变片铲去重贴，步骤同前。〔6〕．把接线端子用胶水粘贴在应变片引出线附近，用塑料套或绝缘带把应变片引出线进行绝缘处理，用胶带把上好锡的塑料导线固定于试件上。先将引线上锡，再将导线与应变片引出线的两对焊点分别熔接在接线端子上。焊接时间要尽量短，焊点要求光滑小巧，成球状。〔7〕．在应变片的外表涂上一层防潮剂，涂料应将整个应变片罩住，最好在试件尚未冷却时涂防潮剂。在整个操作过程中不要损坏应变片及应变片的引出线应变仪的根本原理、各局部功能及使用方法放大器滤波器A/D数字显示测量桥放大器滤波器A/D数字显示测量桥电压变换器电源图1—1静态电阻应变仪原理框图应变仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪器，应变测量的转换元件—应变片，用粘贴剂将应变片牢固地粘在试件上，当被测试件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在试件上的应变片的电阻值也随着发生了变化，这样就把机械量—变形转换成电量〔电阻值的变化〕。这个变化量通过一定的组桥方式经放大器放大，通过A/D转换后，就可以直接读出应变值，完成了非电量的电测。2、仪表各局部功能说明灵敏系数K表定值〔με〕灵敏系数K表定值〔με〕1.80111111.90105261.95102562.00100002.0597562.1095232.2090912.3086962.4083332.5080002.607692表1—1：灵敏系数与标定值对应表电源线及电源开关在应变仪面板后侧，开关向上拨动，表示仪器接通电源。标定、基零、测量是三位一体琴键互锁开关，按其中一键，表示一种作用，而其它键不起作用。灵敏度电位器：根据应变片灵敏系数不同，可调节该电位器使仪器灵敏系数与应变片灵敏系数一致。当灵敏系数为2时，标定值为-10000με，灵敏系数与标定值关系如表一所示，当应变片灵敏系数为表中未列出的数值，可通过插值求得。调节灵敏度电位器，使仪器显示为ε值为应变片的灵敏系数值。调零电位器：当测量桥路处于不平衡状态时，调节该电位器使仪器显示为零。本机—切换开关：在本机测量时开关置“本机〞状态，当10点测量时开关置“切换〞状态。⑵操作说明在半桥测量时将D1DD2接线柱用连接片连接起来并旋紧。将标准电阻分别与A、B、C接线柱相连。接通电源开关。按下“基零〞键仪表显示“0000〞或“-0000〞〔仪表内部已调好〕。按下“测量〞键，显示测量值，将测量值调到“0000〞或“-0000〞。按下“标定〞键仪表显示-1000附近值，调节灵敏度电位器到相应值。将“本机、切换〞开关置“切换〞状态。此时，将标准电阻去掉，将被测的各点分别连接到多点对应的A、B、C接线柱上，通过多点测量切换开关，调节各点调零电位器，使之显示为零后开始测量。测量值记录：采用逐点测量逐点记录方式。当需要全桥测量时，去掉D1DD2接线柱上的连接片。⑶组桥方式图1—3为半桥组桥方式，图1—4为全桥组桥方式。四、施加荷载〔1〕开动试验机，使承压板与试件接触。〔2〕以0.5~0.8MPa/s的速度施加荷载，直至试件破坏或至少超过抗压强度之50%，在加压过程中，测记各级压力下岩石试件的纵向和横向应变值。〔3〕纵向、横向应变值的测读：加载时应变仪指示不为零时需调整读数盘各档，使读数指零，各读数即为微应变值，正值代表压缩，负值代表拉伸，为求得完整的应力――应变曲线，所测应变值不应小于10个。五、计算与成果整理1、按下式计算各级应力值：式中：σ――压应力值〔MPa〕；P――垂直荷载〔N〕；A――试件横断面面积〔mm2〕。2、纵制应力-纵向应变曲线、应力-横向应变及应力-体积应变曲线〔图4-2〕。体积应变按下式计算：式中：εv——某一级应力下的体积应变；εa——同一级应力下的纵向应变；εc——同一级应力下的横向应变。计算岩石弹性变形模量初始弹性模量〔Ei〕由应力—应变曲线坐标原点引该曲线的切线，其斜率即为初始弹性模量式中σi——切线上任意一点的轴向应力；〔Mpa〕；εi——对应σi的轴向应变。割线弹性模量〔ES〕式中σ50——极限强度σ的50%的轴向应力；〔MPa〕；ε50——对应σ50的轴向应变。切线弹性模量〔Et〕式中：σZ1――应力-纵向应变曲线上直线段始点的应力值〔MPa〕；σZ2――应力-纵向应变曲线上直线段终点的应力值〔MPa〕；εZ1――应力为σZ1时的纵向应变值；εZ2――应力为σZ2时的纵向应变值；4、泊松比的计算式中：——求切线弹性模量的〔〕值；——对应于〔〕的横向应变差。岩石变形模量取3位有效数字，泊松比计算值精确至0.01。5、试验记录变形参数试验记录表试件参数载荷kN应力MPa纵向应变10-6横向应变10-6体积应变直径高度岩样描述6、岩石应力应变曲线绘制六、试验报告内容1、整理记录表格；格式如附表。2、根据记录资料作应力――纵向应变；应力-横向应变及就力――体积应变曲线并计算变形模量和泊松比值。实验二：测定岩石的单轴抗压强度试验目的测定岩石抗压强度，了解熟悉岩石的抗压性能二、试验方法将岩石试件放在压力试验机上进行单轴压缩试验，试件破坏瞬间受压面上的极限应力值为该岩石的抗压强度。所用设备及备品。序号名称规格或型号单位数量1压力试验几YE—1000N台12游标卡尺把13百分表检验台个14放大镜个1试验前的准备工作1、试件制备、描述和尺寸测量见实验一“岩石变形实验〞，每组试件3块。2、试验步骤将试件置于试验机承压板中心，调整有球形座，使之均匀受载，然后以每秒0.5~1.0MPa的加载速度加荷，直至试件破坏，记下破坏荷载〔P〕。三、计算结果按下式计算岩石的单轴抗压强度式中：σc――岩石的单轴抗压强度〔MPa〕；P――破坏荷载〔N〕；A――垂直于加荷方向试件断面积〔mm2〕。计算值取3位有效数字。岩石抗压强度试验记录表岩石抗压强度测试记录岩石名称：试验日期：年月日岩石名称试件编号直径cm高度cm试件面积cm2载荷kN抗压强度MPa平均值MPa岩样描述实验三、岩石抗拉强度试验一、试验目的测定岩石抗拉强度二、试验方法测定岩石抗拉强度可以采用直接拉伸法和劈裂法。本试验采用劈裂法。1、需用仪器设备序号名称规格单位数量1材料试验机60KN万能材料试验机台12游标卡尺0~15cm把13细钢棒或压条φ1.5~2.5mm或2×2mm根24放大镜10~20倍个12、试件制备要求劈裂试验适用于能制成规那么试件的各类岩石，试件可用岩心或岩块加工制成。一般采用直径为48~54mm，高度为直径的0.5倍，并大于岩石最大颗粒的10倍的园柱体试件。每组试件制备不少于3块。试件制备的精度应満足如下要求：〔1〕沿试件高度，直径的误差不超过0.03cm；〔2〕试件两端面不平行度误差，最大不超过0.005cm；〔3〕端面应垂直于轴线，最大偏差不超过0.25°；3、试件尺寸测量及描述按试验二中量积法的要求，量测度样的直径，高度或边长，并划出加荷中线。试件描述内容：〔1〕岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；〔2〕加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题；〔3〕含水状态及所使用的方法。4、安装试件、施加载荷通过试件直径的两端，沿轴线方向划两条相互平行的加载基线，将2根垫条沿加载基线，固定在试件两端。将试件置于试验机承压板中心，调整球形座，使试件均匀受荷，并使垫条与试件在同一加荷轴线上。以每秒0.3~0.5MPa的加荷速度加荷，直至试件破坏，记录下破坏荷载，描述试件破坏后的形态。5、按下式计算岩石的抗拉强度式中：σt――岩石的抗拉强度〔MPa〕；P――破坏荷载〔N〕；D――试件直径〔mm〕；l――试件高度〔mm〕。计算值取3位有效数字。三、试验报告内容1、整理记录表格，格式如下表：抗拉强度试验〔劈裂法〕记录表试件试验受力试件尺寸〔mm〕破坏荷载P〔N〕抗拉强度〔MPa〕编号状态方向高h

直径D单值

平均值五、考前须知1、试件上、下两根垫条应与试件中心面位于同一平面内，以免产生偏心荷载。2、破坏面必须通过上、下两加荷线，如果只产生局部破坏，须重新试验。六、思考题1、同一岩性的岩石分别用直接拉伸法和劈裂法进行试验，如果不考虑其它因素的影响，求得的抗拉强度是否相同？为什么？接拉伸法与劈裂法间的异同点。实验五：测定岩石的剪切强度一、试验目的岩石的剪切强度是岩石抵抗剪应力破坏的最大能力，本试验通过规那么岩石试件变角板法进行。变角板法是利用压力机施加垂直荷载，通过一套特制的夹具使试件沿某一剪切面产生剪切破坏，然后通过静力平衡条件解析剪切面上的法向压应力和剪应力，从而绘制法向压应力〔σ〕与剪应力〔τ〕之关系曲线，求得岩石的内聚力〔c〕和内摩擦角〔φ〕。二、试验方法仪器设备序号名称规格或型号单位数量1制样设备套12倾斜压模剪切装置套13压力试验机YE—1000台14游标卡尺0~15cm把15活动扳手把16放大镜个1试件制备及描述本试验直径为5cm，高为5cm的圆柱体试件，每组加工6-9块，试件加工精度要求：相邻面间应互相垂直，偏差不超过0.25°；相对两面须互相平行，不平行度不得大于0.005cm。试件描述内容为：岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题。

4、卡尺：精度为0.002cm。3、安装试件将变角板剪切夹具用绳子栓在压力机承压板间，应注意使夹具的中心与压力机的中心线相重合，然后调整夹具上的夹板螺丝，使刻度到达所要求的角度，将试件安装于变角板内。4、施加载荷开动压力机，同时降下压力机横梁，使剪切夹具与压力机承压板接触上，然后调整压力表指针到零点，以每秒0.5-0.8MPa的加荷速度加荷，直至试件破坏，记录破坏荷载〔P〕。5、破坏试件描述升起压力机横梁，取出被剪破的试件进行描述，内容包括破坏面的形态及破坏情况等。6、重复试验变换变角板夹具的角度〔α〕，一般在45°-70°内选择，本试验装置角度为46°、54°、61°、70°，取得不同角度下的破坏荷载。7、成果整理〔1〕按下式计算作用在剪切面上的剪应力和正应力：式中：τ――剪应力〔MPa〕；σ――正应力〔MPa〕；P――试件破坏荷载〔N〕；A――试件剪切面面积〔mm2〕；α――试件放置角度〔变角板角度〕，度；根据不同倾角α下得到τi和σi值。在σ—τ坐标系内绘制岩石强度曲线如下图。根据岩石强度曲线可以近似得到岩石的内聚力C和内摩擦角φ。方法是：将测得各倾角下得诸多散点标注在σ—τ坐标系内。线性回归得到回归方程即为直线型强度曲线方程。回归系数按下式计算。相关系数：内聚力C=a，内摩擦角φ=aretgb式中：φ――岩石内摩擦角〔°〕；C――岩石的内聚力〔MPa〕；σi――第i块试件的破坏正应力〔MPa〕；τi――第i块试件的破坏剪应力〔MPa〕；n――试件块数。计算结果精确至小数点后一位。〔3〕以剪应力〔τ〕为纵坐标，法向应力〔σ〕为横座标，将每一试件的σ、τ标在坐标系中，以最正确方法拟合一直线〔强度包络线〕，并在图中求得岩石的内摩擦角〔φ〕和内聚力〔c〕。以上两种求内摩擦角〔φ〕和内聚力〔c〕的方法可任选一种，也可两种同时用，以便比拟。三、试验报告内容1、整理记录表格。2、整理试件描述记录。岩石抗剪强度记录岩石名称：试件编号剪切角度直径cm高度cm载荷kN正应力MPa剪应力MPa123456789内聚力内摩擦角相关系数C=φ=r=四、考前须知1、试验时夹具周围应用木板或其它板材，护住压力机立柱，以防止试件突然破坏，夹具滑出而打坏压力机。

2、在变动变角板角度时，应先调整上剪切板，同时调整过程中要用手托住变角板以防止变角板掉下来，上剪切板角度整好后，再调下剪切板，这时须放一块四方柱形铁块代替试件。实验五、岩石常规三轴实验一、试验目的岩石常规三轴实验是将圆柱体规那么试件置于三维压应力〔σ1＞σ2=σ3＞0〕状态，研究其强度特性。测定其三轴强度，抗剪参数——内聚力C和内摩擦角φ。二、仪器、装置1、需仪器设备序号名称规格单位数量1压力试验机YE—1000N台12三轴室台13油泵台14耐油胶套个32、三轴室构造1—1—压力机上压头2—三轴室活塞3—三轴室4—油泵进油口5—压力机下压板6—试件上封油塞7—封油圈8—岩石试件9—耐油胶套10—试件下封油塞将圆柱体试件两端放好上、下封油塞，塞入耐油胶套中，两端用封油圈扎紧，确保试件不与油接触。将试件放入三轴压力室内，并保证试件轴心线与三轴压力室轴心线对准。开动维压油泵，向三轴室内注油，至液面充满压力室后关闭油泵，放好活塞，将油泵控制阀置于最大泻油位置，施加小的轴向载荷，使活塞与试件端面严密接触，开动油泵和压力试验机，施加侧向压力同时施加轴向载荷，当侧向压力到达预定围压时，以0.5~1MPa/S的应力速率施加轴向载荷，直至试件完全破坏，记录破坏载荷值。四、数据处理低围压下可将强度曲线简化为直线，即直线型强度曲线。将全部散点〔σ3，σ1〕线性回归，得到回归系数数按下式计算。相关系数：内摩擦角φ和内聚力C分别按下式计算：式中：φ――岩石内摩擦角〔°〕；C――岩石的内聚力〔MPa〕；σ3i――第i块试件的破坏侧向应力〔MPa〕；σ1i――第i块试件的破坏轴向应力〔MPa〕；计算结果精确至小数点后一位。当正应力为零时，抗剪强度等于正应力C，正应力不为零时，岩石的抗剪强度按下式计算：τ=C+σtgφ试验六：测定岩石的点荷载强度一、试验目的测定岩石点荷载强度〔Is〔50〕〕，作为岩石强度分级的指标之一。也可以推测与其有关的其它强度参数，如单轴抗压强度和抗拉强度。二、试验方法采用未经加工的岩石试件，在点荷载仪上施加集中压缩载荷至试件压裂破坏，点荷载试验仪它包括：〔1〕加载系统，由摇式油泵、承压框架，球端园锥状压板组成。油泵出力一般约为50kN；加载框架应有足够的刚度，要保证在最大破坏荷载反复作用下不产生永久性扭曲变形；球端园锥状压板球面曲率半径为5mm，园锥的顶角为60°〔见下列图〕，采用坚硬材料制成。〔2〕油压表：量程约为10MPa，其测量精度应保证到达破坏荷载读数〔P〕的2%，整个荷载测量系统应能抵抗液压冲击和振动，不受反复加载的影响。〔3〕标距测量局部：采用0.2mm刻度钢尺或位移传感器，应保证试件加荷点间的测量精度达±0.2mm。2、卡尺或钢卷尺；3、地质锤。三、操作步骤1、试件制备〔1〕试件分组：将肉眼可辨的、工程地质特征大致相同的岩石试件分为一组，如果岩石是各向异性的〔如层理、片理明显的沉积岩和变质岩〕，还应再分为平行和垂直层理加荷的亚组，每组试件约须15块。〔2〕本试验可用岩芯样，规那么或不规那么岩块样，对不同形状试件的尺寸要求如下：岩芯径向试验，试件的径长比应大于1.0；轴向试验，试件的径长比应等于或小于1.0；不规那么岩块样，其长〔L〕、宽〔W〕、高〔h〕应尽可能满足L≥W≥h〔图9-3d〕，试件高度〔h〕一般控制在0.5~10cm间，使之能满足试验仪器加载系统对试件尺寸的要求，另外，试件加荷点附近的岩面要修平整。〔3〕根据试验要求对试件进行烘干或饱水处理。烘干试件：是在105~110℃2、描述试件描述内容：除岩性外，重点应对其结构构造特征〔如颗粒粗细，排列以及节理、层理等发育特征〕及风化程度等进行描述。3、试件尺寸粗测对岩芯样及规那么样，分别量测各试件的长〔L〕、宽〔W〕、高〔h〕的尺寸；对不规那么岩块样，可过试件中心点测量试件的长〔L〕、宽〔W〕、高〔h〕的尺寸。4、安装试件试件安装前，先检查试验仪器的上、下两个加荷锥头是否准确对中，然后将试件放置试验仪中，摇动手摇油泵升起下锥头，使加荷锥头与试件的最短边方向〔即h方向〕紧密接触，注意让接触点尽量与试件中心重合。假设需要测定结构面〔层理、片理、节理等〕的强度，那么应确保两加点的連线在同一结构中，如图9-4所示。5、加荷试件安装后，调整压力表指针到零点，以在10~60秒钟内能使试件破坏〔相当于每秒0.05-0.1MPa〕的加荷速度匀速加荷，直到试件破坏，记下破坏时的压力表读数〔F〕。6、描述试件破坏的特点正常的试件破坏面应同时通过上、下两个加荷点，如果破坏面只通过一个加荷点，如图9-5所示，便产生局部破坏，那么该次试验无效，应舍弃，破坏面的描述还应包括破坏面的平直或弯曲等情况。7、破坏面尺寸测量试件破坏后，须对破坏面的尺寸进行测量，测量的尺寸包括上、下两加荷点间的距离〔D〕和垂直于加荷点連线的平均宽度〔Wf〕，其方法见图9-3，图中分岩芯径向试验、岩芯轴向试验和不规那么块体试验四种情况说明了D和Wf的测量方法，测量误差不超过±0.2mm。8、重复试验重复步骤3~7对其余试件进行试验。9、计算及成果资料整理〔1〕按下式计算试件破坏荷载式中：P――试件破坏时总荷载〔N〕；C――仪器标定系数〔为千斤顶的活塞面积，mm2〕，一般在各仪器的说明书都有该仪器的标定系数供参考；F――试件破坏时的油压表读数〔MPa〕。〔2〕按