岩石力学性质试验指导书

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5cm，允许变化范围为4.8～5.2cm。高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm。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。

（3）依每秒0.5～0.8MPa 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

A

P c =

σ 式中：c σ——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（mm 2）

。 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

班 级 组 别 试验者 计算者

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。

岩石试件

轴向应变片

横向应变片

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

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：

d h v εεε2-=

式中：v ε——某一应力下的体积应变值；

h ε——某一应力下的纵向应变值； d ε——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）。

50

50

50h E εσ=

式中：50E ——弹性模量（MPa ）；

50σ——相当于50%抗压强度的应力值（MPa ）；

50h ε——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。

50

50

h d εεμ=

式中：μ——泊松比；

50d ε——应力为抗压强度50%时的横向应变值； 50h ε——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

A

P c =

σ 式中：c σ——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（mm 2）

。 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 ） μ=

试样编号 试样面积（mm 2） c σ= （MPa ）

班 级 组 别 日期 试验者 计算者

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5cm，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1.3

3.4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。

半球座

上加载鄂

试件

下加载鄂

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的加载速度加荷，直到试样破坏为止，并记录最大破坏载荷。

（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

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

DH

P

t πσ2=

式中：

t σ——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。

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（20?、30?、40?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 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。

ασsin A P

=

ατcos A

P

=

式中：

σ——抗剪断面上平均正应力（Mpa ）； τ——抗剪断面上平均剪应力（MPa ）；

α——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τ、正应力σ值，把这些值标在τ～σ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