实验一-岩石单轴抗压强度试验

岩石力学性质实验指导书实验一岩石单轴抗压强度试验1.1概述当无侧限岩石试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。不同含水状态的试样均可按本规定进行测定，试样的含水状态用以下方法处理：（1）烘干状态的试样，在105～1100C下烘24h。（2）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度的1/4，然后每隔2h分别升高水面至试样的1/3和1/2处，6h后全部浸没试样，试样在水下自由吸水48h；采用煮沸法饱和试样时，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于6h。1.2试样备制（1）试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不允许有人为裂隙出现。按规程要求标准试件为圆柱体，直径为50mm，允许变化范围为4.8～5.20mm。高度为100mm，允许变化范围为9.5～10.50mm。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:1～2.5:1。（2）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备3个。（3）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。两端面的不平行度最大不超过0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。1.3试样描述试验前的描述，应包括如下内容：（1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。（2）节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。（3）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。1.4主要仪器设备试样加工设备：钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。量测工具与有关检查仪器：游标卡尺、天平（称量大于500g，感量0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。加载设备：压力试验机。压力机应满足下列要求：（1）有足够的吨位，即能在总吨位的10%～90%之间进行试验，并能连续加载且无冲击。（2）承压板面平整光滑且有足够的刚度，其中之一须具有球形座。承压板直径不小于试样直径，且也不宜大于试样直径的两倍。如大于两倍以上时需在试样上下端加辅助承压板，辅助承压板的刚度和平整光滑度应满足压力机承压板的要求。（3）压力机的校正与检验应符合国家计量标准的规定。1.5试验程序（1）根据所要求的试样状态准备试样。（2）将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受力。岩石力学性质实验指导书（3）依每秒0.5～0.8MPa(1.9~3.1KN/s)的加载速度对试样加荷，直到试样破坏为止，记录最大破坏载荷。（4）描述试样破坏形态，并记下有关情况。1.6成果整理和计算按下式计算岩石单轴抗压强度APc式中：c——岩石单轴抗压强度（MPa）；P——最大破坏载荷（N）；A——垂直于加载方向的试样横截面积（mm2）。试验结果按表1-1记录。表1-1岩石单轴抗压强度试验记录表工程名称______________试验时间_____年___月___日岩石名称试样编号受力方向含水状态试样尺寸最大破坏载荷(N)单轴抗压强度(MPa)备注直径(mm)高度(mm)横截面积(mm2)试样描述班级组别试验者计算者岩石力学性质实验指导书实验二、岩石压缩变形试验2.1概述岩石变形试验，是在纵向压力作用下测定试样的纵向（轴向）和横向（径向）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应力与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度的50%作为应力和该应力下的纵向应变值进行计算。根据需要也可以确定任何应力下的弹性模量。泊松比是横向应变与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度50%时的横向应变值和纵向应变值进行计算。根据需要也可以求任何应力下的泊松比。2.2试样备制试样备制方法和精度要求见1.2。2.3试样描述试样描述见1.3。2.4主要仪器设备（1）制样设备、检查仪器和压力机要求见1.4。（2）电阻应变片、粘结剂、万用表等。（3）电阻应变仪（或数据采集器）、压力传感器、引伸仪等。除用电阻应变仪外，也可用精度能达到0.1%和量程能满足变形测定需要的其他仪表。图1岩石试件贴电阻应变片示意图图2试件连接静态应变仪示意图2.5试验程序（1）选择电阻片，电阻片质量应符合产品要求，电阻丝的长度应大于组成试样的矿物最大粒径或斑晶的10倍以上。同一试样用的工作片和补偿片的电阻值应不超过±0.2欧姆。（2）电阻片应贴在试样高度的中部，每个试样贴纵向（轴向）和圆周向电阻片各2片，沿圆周向对称布置，贴片处应尽量避开显著的裂隙、特大的矿物颗粒或斑晶。试样贴片前用零号砂纸打磨，用丙酮或酒精将贴片处擦洗干净，防止污染（如图1所示）。（3）贴片用的胶，一般情况下可用502快速粘结剂，914粘结剂等脆性胶；饱和试样还需配置防潮胶液。（4）将贴好片的试样置于压力机上，对准中心，以全桥或半桥的方式联入应变仪（或数据采集器，如图2所示），接通电源。以每秒0.5～0.8MPa的加载速度对试样加载，直至破坏。（5）在施加载荷的过程中，由数据采集系统同步记录各级应力及其相应的纵向和横向岩石试件轴向应变片横向应变片岩石力学性质实验指导书应变值。为了绘制应力~应变关系曲线，记录的数据应尽可能多一些，通常不少于10组数据。（6）描述试样的破坏形式，并记下与试验有关的的情况。试验记录格式见表2-1。2.6试验成果整理和计算2.6.1计算各级应力下的应变值（1）分别将纵向、横向各二片的数值进行平均，求得纵向、横向应变，（也可试验前将二片串联，直接测得纵向、横向应变值）。（2）用下式计算体积应变值：dhv2式中：v——某一应力下的体积应变值；h——某一应力下的纵向应变值；d——某一应力下的横向应变值。（3）绘制应力～应变曲线图，如图3所示。图3岩石压缩应力应变关系曲线2.6.2计算弹性模量和泊松比（1）在纵向应变曲线上，做通过原点与应力相当于50%抗压强度处的应变点的连线，其斜率即为所求的弹性模量（或称割线模量）。505050hE式中：50E——弹性模量（MPa）；50——相当于50%抗压强度的应力值（MPa）；岩石力学性质实验指导书50h——应力为抗压强度50%时的纵向应变值。（2）取应力为抗压强度50%时的横向应变值和纵向应变值计算泊松比。5050hd式中：——泊松比；50d——应力为抗压强度50%时的横向应变值；50h——应力为抗压强度50%时的纵向应变值。2.6.3计算岩石单轴抗压强度APc式中：c——岩石单轴抗压强度（MPa）；P——最大破坏载荷（N）；A——垂直于加载方向的试样横截面积（mm2）。计算值取值弹性模量取至百位数；泊松比取至小数点以后两位；单轴抗压强度取至整数位。表2-1岩石变形试验记录表工程名称试样直径（mm）50E=（MPa）岩石名称试样高度（mm）=试样编号试样面积（mm2）c=（MPa）载荷（N）应力（MPa）纵向应变横向应变体积应变备注班级组别日期试验者计算者岩石力学性质实验指导书实验三、岩石抗拉强度试验（巴西法）3.1概述巴西法（劈裂法）是在圆柱体试样的直径方向上，施加相对的线性载荷，使之沿试样直径方向破坏的试验（如图4）。本方法可用于测烘干、自然干燥、饱和的试样。本方法不适用于软弱岩石。3.2试样备制（1）试样可用钻孔岩芯或岩块，在取样和试样制备过程中，不允许人为裂隙出现。（2）采用圆柱体作为标准试样，直径为50mm，高度为直径的0.5～1.0倍。试样尺寸的允许变化范围不宜超过5%。（3）对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许使用非标准试样，但高径比必需满足标准试样的要求。（4）试样个数视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下至少制备3个。（5）试样制备精度。整个厚度上，直径最大误差不应超过0.1mm。两端不平行度不宜超过0.1mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不应超过0.25度。3.3试样描述试样描述同1.33.4主要仪器设备（1）试样加工设备、量测工具与有关仪器详见1.4。（2）加载设备：压力试验机应符合1.4的规定，因岩石的抗拉强度远低于抗压强度，为了提高试验精度，所以选择压力试验机的吨位不宜过大。（3）垫条：在岩石劈裂试验中，目前国内外规程中，有加垫条、劈裂压模、不加垫条三种，《水利电力规程》建议采用电工用的胶木板或硬纸板，其宽度与试样直径之比为0.08～0.1；《国际岩石力学学会》建议采用压模，压模圆弧直径为试样直径的1.5倍（如图4）；日本、美国等矿业规程建议采用不加垫条，使试样与承压板直接接触。三种方法相比，最后一种比较简单所以用的较广泛。图4岩石抗拉强度测定示意图3.5试验程序（1）根据所要求的试样状态准备试样。（2）将试样平置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板使试样均匀受载。（3）以每秒0.3～0.5MPa(1.1~1.9KN/s)的加载速度加荷，直到试样破坏为止，并记录最大破坏载荷。半球座上加载鄂试件下加载鄂岩石力学性质实验指导书（4）观察试样在受载过程中的破坏发展过程，并记录试样的破坏形态。表3-1岩石劈裂法试验记录表工程名称________岩石名称试样编号受力方向含水状态试样尺寸破坏最大载荷(N)岩石抗拉强度(MPa)备注平均直径（mm）平均厚度(mm)劈裂面积（mm2）试样描述班级组别日期试验者计算者4.6成果整理和计算（1）按下式计算岩石的抗拉强度DHPt2式中：t——岩石的抗拉强度（MPa）；P——试样破坏时的最大载荷（N）；D——试样直径(mm)；H——试样厚度(mm)。计算值取至小数点以后一位。岩石力学性质实验指导书实验四、岩石抗剪强度试验(变角剪切)4.1概述标准岩石试样在有正应力的条件下，剪切面受剪力作用而使试样剪断破坏时的剪力与剪断面积之比，称为岩石试样的抗剪强度。利用几个不同角度的抗剪夹具做试验，得出试样沿剪断面破坏的正应力和剪应力之间的关系，以确定岩石抗剪强度曲线的一部分。4.2试样备制试样为505050mm或707070mm的立方体，误差小于0.2～0.3mm，试样各端面严格平行，不平行度小于0.07mm，四面凸起小于0.03mm。每组试验至少3个角度，每个剪切角度的试样数目应不少于2～3个，所以一组试验的试样数目至少应有6～9个以上。图5岩石变角剪示意图图6岩石变角剪加载示意图4.3试验设备、用具压力试验机，抗剪夹具（40、60、70三个），卡尺及其它辅助设备。4.4试验程序（1）描述试样的颜色、颗粒、层理方向、加工精度等情况，在试样上划出剪切线。（2）用游标卡尺量测试样的高、宽、长的尺寸，精确到0.05mm，并计算剪切面的面积。（3）把试样和抗剪夹具一起放在压力试验机的承压板上，夹具与垫板之间放滚轴以消除摩擦力，试样和抗剪夹具周围放防护罩。（4）以每秒0.5～1.0MPa(1.9~3.9KN/s)的速度加载，直到试样剪断为止，记录下破坏时的载荷，格式见表4-1。（5）按20、30、45不同夹具，分别逐个进行试验，每个角度做3件。4.5试验成果整理和计算（1）试样受力状态如图5、6所示，根据下式计算试样所受的正应力和剪应力。sinAPcosAP式中：——抗剪断面上平均正应力（Mpa）；——抗剪断面上平均剪应力（MPa）；岩石力学性质实验指导书——抗剪夹具的角度（剪力与竖直方向）（度）；P——试样破坏时的载荷（N）；A——剪断面积（mm2）。（2）绘制岩石抗剪强度曲线图。通过改变夹具的剪切角剪切试样，对于每一个角度可以确定试样的一对剪应力、正应力值，把这些值标在～坐标图中，连接求得的各点，即可得到如图7所示的岩石抗剪强度曲线。图7岩石抗剪强度部分曲线图表4-1岩石抗剪强度试验记录表岩石名称试样编号岩石特征试样尺寸夹具角度破坏载荷（N）剪应力(MPa)正应力(MPa)备注长(mm)宽(mm)高(mm)面积(mm2)试样描述班级组别日期试验者计算者岩石力学性质实验指导书