岩石力学性质试验――单轴压缩强度和变形试验课件(PPT)

岩石力学性质试验主讲：付小敏成都理工大学环境与土木工程学院一、引言二、单轴压缩强度和变形试验提纲一、引言岩石的力学性质—岩块在力的作用下所表现的性质。岩石同其它固体材料一样，在不大的力的作用下，首先发生变形；增大作用力，变形量随之增加；当力和变形量超过一定的限度以后，即发生破坏。岩石的力学性质承受力的作用而发生变形的性能（变形性）抵抗力的作用而保持其自身完整的抗破坏性能（抗破坏性）在作用力不断增大的过程中，岩石的变形和破坏是一个统一的连续过程，破坏是累进性的。一、引言二、单轴压缩强度和变形试验提纲试件在轴向压力下产生轴向压缩、横向膨胀，最后导致破坏—单轴压缩试验。可测定试件的抗压强度和弹性常数一）基本原理二）仪器设备三）试验方法四）成果整理及参数取值二、单轴压缩强度和变形试验一）基本原理1、岩石抗压强度试验岩石的抗压强度——岩石抵抗单轴压力破坏的最大能力。即标准岩石试样在压力作用下破坏时的最大荷载与垂直于加荷方向的截面积之比。岩样饱水后，其强度降低，这种现象称为软化，用软化系数表示。软化系数——饱水试样的抗压强度与干燥试样的抗压强度之比。一般情况要求测定岩样的干抗压强度和饱水抗压强度并计算岩样的软化系数。二、单轴压缩强度和变形试验2、岩石变形试验岩石在弹性极限以内的单轴压力作用下，其应力和应变之比近于常数，此比值称为弹性模量。横向应变与纵向应变之比称为泊松比。在纵向压力作用下测定试样的纵向变形和横向变形，并据以计算岩石的弹性模量和泊松比。通常用抗压强度的50％的应力和相应的纵向应变值计算弹性模量，用该应力下的横向应变值和纵向应变值计算泊松比。也可根据需要计算任何应力下的弹性模量和泊松比。根据要求，可对不同含水状态的岩样进行试验。二、单轴压缩强度和变形试验二）仪器设备硬件1、伺服控制刚性试验机a、用岩石试件的变形（纵向、横向变形）控制加载速度；b、刚度大。（5MN/mm)二、单轴压缩强度和变形试验—仪器设备纵向引伸仪Strain－0.1、0.02mm/mm（纵向应变）二、单轴压缩强度和变形试验—仪器设备环向引伸仪CIRC－8、4、1.6、0.8mm（测量试件的环向位移）。二、单轴压缩强度和变形试验—仪器设备二、单轴压缩强度和变形试验—仪器设备当岩石因破裂扩展发生大应变时，通过传感器把这一信号输入伺服控制器中，伺服控制器给伺服阀信号，使伺服阀打开，压力降低，使试件保持恒定的变形速率，从而控制了岩石的破坏，并得到峰值后的变形曲线。伺服循环控制计算机试件伺服阀伺服控制器刚性试验机控制过程二、单轴压缩强度和变形试验—仪器设备传感器信号伺服循环伺服控制控制通道输出通道输出通道误差对比程序命令反馈信号激励定位控制函数发生器或伺服控制刚性试验机原理图软件1、系统程序a、定义（Edit）输入信号：（InputSignals)；控制通道:（ControlChannals)；手动模板显示:（LUCPDisplay)；计数器（Meters）；示波器。二、单轴压缩强度和变形试验—仪器设备软件1、系统程序b、调节（Adjust)InputSignals:Force－3000、1200、450KN；LVDT－50、5mm；（轴向位移）Strain－0.1、0.02mm/mm；（轴向应变）CIRC－8、4、1.6、0.8mm；（环向位移）二、单轴压缩强度和变形试验—仪器设备2、试验程序a、控制方式位移：LVDT、Strain、CIRC。荷载：Force。几种方式可任意互换。b、加载方式加载、卸载、保持、振动；可任意互换。c、数据采集主控信号：LVDT、Strain、CIRC、Force、Time。采集方式：连续、间隔。二、单轴压缩强度和变形试验—仪器设备三）试验方法（一）试件制备1、试件可用岩芯或岩块加工制成。试件在采取、运输和制备过程中，应避免产生裂缝。2、试件描述a、岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等。b、加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件中出现的问题。c、含水状态。二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法3、试件尺寸、大小和高径比对测试结果影响很大，采取标准试样。标准试件的选择原则：a、圆形试样具有轴对的特点，应力分布较均匀，优先选用；b、试样尺寸大于矿物颗粒10倍，考虑充分利用钻孔岩芯；c、试样高径比要考虑减少端部效应，在受力时不发生弯曲。国家标准试件直径大于岩石最大颗粒尺寸的10倍圆柱体：φ=48~54mm高径比：2.0~2.5二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法4、水利水电工程岩石试验规程：2872/PRRReADHRMPaeRMPaPNAmmDmmHmm==+−−−−−−标准抗压强度（）任意高径比的抗压强度（）；破坏荷载（）；试件截面面积（）；试件直径（）；试件高（）。二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法5、精度要求：a、试件两端面不平整度误差不得大于0.05mm；b、沿试件高度，直径的误差不得大于0.3mm；c、端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.250。二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法6、试件含水状态：天然含水状态、烘干状态、饱和状态。1）烘干状态将试件置于烘箱内，在105～1100C温度下烘24h，取出放入干燥器内冷却至室温后称重。2）饱水状态a、自由水法饱和试件将试件放入水槽，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后全部淹没试件。试件在水中自由吸水48h后，取出试件并沾去表面水分称重。二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法b、真空抽气法饱和试件饱和器内的水面高于试件；真空压力——100kPa；总抽气时间＞4h；在大气压力下静置4h，取出并沾去表面水分称重。称量精确至0.01g。二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法（二）试验过程1、安装传感器利用橡皮筋把两个纵向引伸仪固定在沿试件轴向的两侧；用链条环绕试件中部四周，将环向引伸仪的两支点插入链条端口。二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法2、设计试验控制程序1）按照试验规程：轴向荷载控制：0.5～1.0MPa/s2）国际岩石力学协会推荐加载速度轴向位移控制：0.1mm/min二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法3、设计数据采集程序data1—以Force（轴向荷载）作为主控参数，每间隔一定值连续采集一组数据，包括：LVDT（轴向位移）、Strain（轴向应变）、CIRC（环向位移）。data2—以LVDT（轴向位移）作为主控参数，每间隔一定值连续采集一组数据，包括：Force（轴向荷载）、Strain（轴向应变）、CIRC（环向位移）。二、单轴压缩强度和变形试验—试验方法三）、成果整理FORCELVDTSTRAINCIRCkNmmmm/mmmm3.0191980.0084154.24E-061.3651836.0273030.0290882.22E-051.3646319.0043960.0447664.56E-051.36545812.01250.0616497.04E-051.36545815.051620.0771549.18E-051.3660118.028710.0916250.0001181.36628521.021310.103340.0001381.36711224.013910.1159160.0001661.36766327.022020.1272860.0001911.36904230.061130.1376230.0002161.36959333.007210.147960.0002441.3704236.015320.1582960.0002631.37179839.038930.1672550.0002921.37290142.000520.1758690.0003151.374003FORCELVDTSTRAINCIRCkNmmmm/mmmm138.89560.4689130.0015531.551511二、单轴压缩强度和变形试验—成果整理LVDTFORCESTRAINCIRCmmNmm/mmmm0.0501069547.0964.70E-051.3651830.10041119641.310.0001391.3671120.15002732914.180.0002441.3706950.2001650203.030.0003861.3773110.2501270050.310.0005511.385580.30008189416.930.0007321.3963290.350041107651.60.0009251.4114890.4000021236690.001141.4371230.450135135623.90.001421.5013460.500095116986.10.0016621.9068020.55005640310.40.0008062.9258180.60001637550.380.0008483.1204150.65014928479.550.000843.344230.70010924417.060.0009843.5151220.7500722199.740.0011733.663964（一）计算各级应力及单轴抗压强度1、各级应力σ=P/A式中:σ—各级应力(MPa)；P—与所测各组应变值相应的荷载(N)；A—试件的截面积(mm2)。2、岩石单轴抗压强度R=Pf/A式中:R—岩石单轴抗压强度(MPa)；Pf—试样破坏荷载(N)；A—试件的截面积(mm2)。二、单轴压缩强度和变形试验—成果整理（二）绘制应力与纵向应变及横向应变关系曲线二、单轴压缩强度和变形试验—成果整理εσ()σ～εσ～εσ～ε分析纵向应变与轴向应力关系曲线εσ()σ～ε二、单轴压缩强度和变形试验—成果整理oa阶段：压密阶段，曲线呈上凹型，岩石内微裂隙在外力作用下发生闭合；ab阶段：弹性阶段，曲线呈近直线（近似弹性介质），b点为屈服点。用E和μ描述其变形特性。bc阶段：塑性阶段，曲线呈下凹型，岩石产生不可逆的塑性变形。c为岩石破坏点。cd阶段：应变软化阶段，峰值应力后，岩石仍有一定的承载能力，并随着应变增大而减小。d点以后为摩擦阶段，岩石产生宏观断裂面后，其摩擦具有抵抗外力的能力。（三）计算岩石弹性模量和泊松比()badbdaavavlblalblaavavablaalbbdaadbbEEMPaσσεεμεεεεμσσεσεσεσεσ−−==−−−−−−−−−−式中：岩石平均弹性模量；岩石平均泊松比；应力与纵向应变关系曲线上直线段始点的应力值；应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值；应力为时的纵向应变值；应力为时的纵向应变值；应力为时的横向应变值；应力为时的横向应变值；国家标准国家标准二、单轴压缩强度和变形试验—成果整理（三）计算岩石弹性模量和泊松比()badbdaavavlblalblaavavablaalbbdaadbbEEMPaσσεεμεεεεμσσεσεσεσεσ−−==−−−−−−−−−−式中：岩石平均弹性模量；岩石平均泊松比；应力与纵向应变关系曲线上直线段始点的应力值；应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值；应力为时的纵向应变值；应力为时的纵向应变值；应力为时的横向应变值；应力为时的横向应变值；水电：弹性模量水电：弹性泊松比二、单轴压缩强度和变形试验—成果整理（三）计算岩石弹性模量和泊松比交通部标准：二、单轴压缩强度和变形试验—成果整理时的横向应变值；、应力为—、－弹性泊松比；时的纵向应变值；、应力为—、倍时的应力（倍和－最大值的、）；（弹性模量＝2.08.02.08.02.08.02.08.02.08.02.08.02.08.02.08.02.08.0);2.08.0σσεεμσσεεσσεεεεμεεσσhhllllhhllMPaMPaEE−−−−−=（四）计算岩石割线弹性模量及相应的岩石泊松比50505050505050505050505050()50%()dlldEEMPaMPaσεμεεμσεσεσ==−−−−−式中：岩石割线弹性模量；岩石