岩石力学实验指导书.pdf

岩石力学实验指导书 主编：周生跃主编：周生跃 主审：阮主审：阮 波波 中南大学土木建筑学院岩土工程试验室 二 00 五年五月 学生实验须知学生实验须知 1.岩石力学性能实验是岩石力学课程中实践性教学环节。要求每个学生掌握所开设的实验原理，使用的仪器设备，采用的实验方法及操作步骤，独立完成所开设的各项实验。2.实验前应预习，实验时应认真领会、思考，明确各个环节。如需几人协作时，小组成员应具体分工，相互配合，并在实验报告上写上同组成员名单。3.实验的原始记录不得随意涂改。实验报告要文字工整，计算正确，图表清晰，并在规定的时间内完成、上交。4.实验时应保持安静，不得干扰他人实验，爱护公共财物，注意仪器的使用安全。实验完毕后，应将实验后的费料倒入指定地点，将设备、器具清洗干净并恢复到原来状态。一、单轴抗压强度试验 一、单轴抗压强度试验 1.1 适用范围适用范围 适用于能制成规则试件的各类岩石。1.2 加工要求加工要求 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。1.3 试件尺寸要求试件尺寸要求（1）圆柱体直径宜为 4854mm。（2）含大颗粒的岩石，试件的直径应大于岩石最大颗粒尺寸的 10 倍。（3）试件高度与直径之比宜为 2.02.5。1.4 试件精度要求试件精度要求（1）试件两端面不平整度误差不得大于 0.05mm。（2）沿试件高度，直径的误差不得大于 0.3mm。（3）端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于 0.250。1.5 主要仪器和设备主要仪器和设备（1）钻石机、锯石机、磨石机、车床等。（2）测量平台。（3）检测合格并能按规定速率连续而均匀地加荷的 200KN 压力试验机。1.6 试验步骤试验步骤（1）将试件置于压力机承压板中心，使试件两端面接触均匀。（2）以每秒 0.51.0MPa 的速度加荷直至破坏，记录破坏荷载及加载过程中出现的现象。（3）试验结束后，应描述试件的破坏形态。1.7 试验成果整理试验成果整理（1）按下列公式计算岩石单轴抗压强度：R=AP 式中 R岩石单轴抗压强度（MPa）P试件破坏荷载(N)A试件截面积(mm2)（2）计算值取 3 位有效数字。1.8 试验记录试验记录 单轴抗压强度试验记录应包括工程名称、取样位置、试件编号、试件描述、试件尺寸和破坏荷载。抗压强度试验记录 工程项目 石料产地 岩石名称 用途 试件尺寸(mm)试样编号 试件处理情况 长 宽 直径 高试件截 面积A(mm2)极限 荷载P(N)抗压强度R=AP(MPa)平均抗压强度(MPa)备注 试验者_ 计算者_ 校核者_ 试验日期_ 试验者_ 计算者_ 校核者_ 试验日期_ 二单轴压缩变形试验 二单轴压缩变形试验 1.1 适用范围适用范围 适用于能制成规则试件的各类岩石。1.2 加工要求加工要求 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。1.3 试件尺寸要求试件尺寸要求 圆柱体直径宜为 4854mm。含大颗粒的岩石，试件的直径应大于岩石最大颗粒尺寸的 10 倍。试件高度与直径之比宜为 2.02.5。1.4 试件精度要求试件精度要求 试件两端面不平整度误差不得大于 0.05mm。沿试件高度，直径的误差不得大于 0.3mm。端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于 0.250。1.5 主要仪器和设备主要仪器和设备 钻石机、锯石机、磨石机、车床等。测量平台。检测合格并能按规定速率连续而均匀地加荷的 200KN 压力试验机。惠斯顿电桥、万用表、兆欧表。电阻应变仪。1.6 试验步骤试验步骤 选择电阻应变片时，电阻片阻栅长度应大于岩石颗粒的 10 倍，并应小于试件的半径；同一试件所选定的工作片与补偿片的规格、灵敏系数应相同，电阻值相差应不大于0.2。电阻应变片应牢固地粘贴在试件中部的表面，并应避开裂隙或斑晶。纵向或横向电阻应变片的数量不得少于 2 片，其绝缘电阻值应大于 200M。将试件置于压力机承压板中心，使试件受力均匀。以每秒 0.51.0MPa 的速度加荷，逐级测读荷载与应变值直至破坏，测值不应少于 10组。记录加荷过程及破坏时出现的现象，并对破坏后的试件进行描述。1.7 试验成果整理试验成果整理 岩石单轴抗压强度按下式计算：R=AP 式中 R岩石单轴抗压强度（MPa）P试件破坏荷载(N)A试件截面积(mm2)按下列公式计算各级应力：AP=式中 各级应力（MPa）P与所测各组应变值相应的荷载(N)A试件载面积（mm2）绘制应力与纵向应变及横向应变关系曲线。按下式计算岩石平均弹性模量和岩石平均泊松比：IaIbabavE=IaIbdadbav=式中 Eav岩石平均弹性模量 av岩石平均泊松比 a应力与纵向应变关系曲线上直线段始点的应力值 b应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值 Ia应力为a时的纵向应变值 Ib应力为b时的纵向应变值 da应力为a时的横向应值 db应力为b时的横向应值 按下式计算岩石割线弹性模量及相应的岩石泊松比：505050lE=505050ld=式中 E50岩石割线弹性模量 50岩石泊松比 50相当于岩石单轴抗压强度 50时的应力值 50l应力为50时的纵向应变值 50d应力为50时的横向应变值 岩石弹性模量值取 3 位有效数字；泊松比计算值精确至 0.01。单轴压缩变形试验记录应包括工程名称、取样位置、试件编号、试件描述、试件尺寸、各级荷载下的应力及纵向横向应变值、破坏荷载。1.8 试验记录试验记录 岩石压缩变形试验记录 试样编号 石料产地 应变片灵敏系数 用 途 纵向应变 横向应变 时间 测点编号 测点编号 分 秒 荷载（N）应力(MPa)1 2 平均值1 2 平均值 备注 试验者_ 计算者_ 校核者_ 试验日期_ 三抗剪强度试验 三抗剪强度试验 1.1 试验目的试验目的 试验的目的是为了求出试件沿滑动面的正应力与剪应力的关系，提供岩石基础计算之依据。试件被剪断时的应力状态如下图：图 1 试验装置及应力状态图 a)试验装置 ）b曲线图 注：图中符号：P荷载（压力机所加的力），N；N试件剪切面上的正向力，N；Q试件剪切面的切切向力，N；f有滚轴时为滚动摩擦系数，没有滚轴和润滑剂时为静止摩擦系数，需用实测取得；a试件的放置角度，即压力机加荷方向与试件剪切面法线方向的夹角，在 450700的范围内变化，间隔为 50；一般可取 450、500、550、600。把所有的力投影到 N 轴和 Q 轴上，得：0sincos=aPfaPN 0sincos=+aPaPfQ 移项并左右除以试件 抗剪切面积A（mm2），得：)sin(cosafaAPANn+=)cos(sinafaAPAQn=式中：n试件剪切面上的正应力，MPa n试件剪切面上的正剪应力，MPa 用不同的a角剪切试件，则每一个角度可以确定一对n、n值，把这些值画在直角坐标的曲线图上，连接各点（至少 3 点）就可得到图 1 所示的曲线b。ba1.2 仪器设备仪器设备 检测合格并能按规定速率连续而均匀地加荷的 200KN 压力试验机。抗剪切试验夹具，台下图所示；试件加工设备（切石机、磨平机）和吸水设备；角尺和卡尺（精度 0.1 mm）。图 2 试验夹具图 1-夹具；2-垫板；3-滚轴；4-试件 1.3 试样试样 每组试验至少应制备 18 个以上 70 mm 70 mm 70 mm 的立方体试件（每组须最少做 3 种角度，每组角度须 6 个试件，加工尺寸误差不得大于 0.2 mm）；也可以用圆柱形岩芯进行，为此，须将圆柱体垂直于径向方面磨出相对的两个平面，并使其尺寸适合于试验夹具的尺寸。如试样具有明显纹理或层理，并须了解其平行及垂直纹理时的抗 剪强度，则在制备试件时必须注意纹理方向，同时制备试件的数量应加倍。1.4 试验步骤试验步骤 描述试件，并用铅笔在试件上画上中心线。测量试件尺寸，准确至 0.1 mm，计算试件抗剪切面积。剪切试件夹具连同试件放在压力机的承压板中，并以下承压板的十字线为准，对准试件中心；夹具周围应设置适当保护设备。以 0.10.2 MPa/S 的应力速度连续均匀地施压，至试件破坏为止，记录极限荷载。1.5 结果整理结果整理 按本节公式计算每个试件在每一种角度试验时的正应力和剪应力，精确至 0.1 MPa，并计算同一角度试验的 6 个试件试验结果的平均正应力和平均剪 应力。根据平均正应力和平均剪应力绘制如上图所示的曲线图。1.6 试验记录试验记录 抗剪强度试验记录表 试样编号 石料产地 岩石名称 用途 试件 编号 试件处理情况 剪切方向与层理关系 抗剪切 面积(mm2)角度()极限 荷载 P(N)抗剪 强度 (MPa)正应力(MPa)备注 试验者_ 计算者_ 校核者_ 试验日期_ 四、间接抗拉强度试验（劈裂法）四、间接抗拉强度试验（劈裂法）1.1 目的和适用范围目的和适用范围 岩石抗拉强度试验是在试件直径（或中心线）方向上，施加一对线性荷载，使试件沿直径（或中心线）方向破坏，间接测定岩石的抗拉强度。本法适用于能制成规则的各类岩石。1.2 仪器设备仪器设备 试件加工设备：钻石机、锯石机、磨石机和车床。检测合格并能按规定速率连续而均匀地加荷的 200KN 压力试验机。卡尺：精度 0.1 mm。直径为 2 mm 的钢丝。1.3 试样试样 制备直径和高均为 50 mm 的圆柱体或边长为 50 mm 的正立方体试件 3 个以上。加工误差不得大于 0.5 mm，试件两端应平行和平整，承压面要平直。当采用圆柱体试件时，要在柱体两侧研磨两互相平行的加压面，其宽度约 23 mm。1.4 试验步骤试验步骤 描述试件，记录各试件的层理、纹理，注明加压面，并编号。根据需要，对试件作饱水或烘干处理。通过试件直径（或中心线）的两端，沿轴线方向划两条相互平行的加载基线，将试件置于试验机承压板中心，调整平行，使试件均匀受荷。以 0.30.5 MPa/S 速度连续而均匀地加荷，直至试件破坏为止。记录破坏荷载，并对破坏后的试件进行描述。1.5 结果整理结果整理 按下式计算立方体试件的间接抗拉强度，精确至 0.1 MPa：bhPbhPRt6366.02=式中：Rt试件的间接抗拉强度，MPa；P试件破坏时的极限荷载，N；b试件劈裂面的宽度，mm；h 试件劈裂面的高度，mm。立方体试件受压示意图 按下式计算圆柱体试件的间接抗拉强度，精确到 0.1 MPa：DLPDLPRct6366.02=式中：石料试件的间接抗拉强度，MPa；ctR P破坏时的极限荷载，N；D圆柱体试件的直径，mm；L圆柱体试件的高度，mm。岩石的间接抗拉强度为同组 3 个（视所要求的受力方向或含水状态而定，每种情况下须制备 3 个）试件试验结果的算术平均值，并附有最大值和最少值。1.6 试验记录试验记录 间接抗拉强度试验（劈裂法）记录 试样编号 石料产地 岩石名称 用途 试件断面尺寸(mm)R拉（MPa）圆柱体 立方体 圆柱体立方体 试件编号 试件描述与 试件处理 直径 D 高L 宽b高h极限荷载P(N)DLP2 bhP2 平均 抗拉 强度(MPa)备注 试验者_ 计算者_ 校核者_ 试验日期_