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岩石力学性质实验.docx
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岩石力学性质实验
岩石力学性质实验
一、岩石单轴抗压强度实验
概述
当无侧限岩石试样在纵向压力作用下显现紧缩破坏时,单位面积上所经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,也可同时进行变形实验。
不同含水状态的试样都可按本规定进行测定,试样的含水状态用以下方式处置:
(1)烘干状态的试样,在105~1100C下烘24h。
(2)饱和状态的试样,使试样慢慢浸水,第一淹没试样高度的1/4,然后每隔2h别离升高水面至试样的1/3和1/2处,6h后全数浸没试样,试样在水下自由吸水48h;采纳煮沸法饱和试样时,煮沸箱内水面应常常维持高于试样面,煮沸时刻很多于6h。
试样备制
(1)试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块,试件备制中不许诺有人为裂隙显现。
按规程要求标准试件为圆柱体,直径为5cm,许诺转变范围为~5.2cm。
高度为10cm,许诺转变范围为~10.5cm。
关于非均质的粗粒结构岩石,或取样尺寸小于标准尺寸者,许诺采纳非标准试样,但高径比必需维持=2:
1~:
1。
(2)试样数量,视所要求的受力方向或含水状态而定,一样情形下必需制备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。
两头面的不平行度最大不超过0.05mm。
端面应垂直于试样轴线,最大误差不超过度。
试样描述
实验前的描述,应包括如下内容:
(1)岩石名称、颜色、结构、矿物成份、颗粒大小,胶结物性质等特点。
(2)节理裂隙的发育程度及其散布,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,并记录试样加工进程中的缺点。
要紧仪器设备
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
压力实验机。
压力机应知足以下要求:
(1)有足够的吨位,即能在总吨位的10%~90%之间进行实验,并能持续加载且无冲击。
(2)承压板面平整滑腻且有足够的刚度,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滑腻度应知足压力机承压板的要求。
(3)压力机的校正与查验应符合国家计量标准的规定。
实验程序
(1)依照所要求的试样状态预备试样。
(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~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,并记下有关情形。
功效整理和计算
按下式计算岩石单轴抗压强度
式中:
——岩石单轴抗压强度(MPa);
——最大破坏载荷(N);
——垂直于加载方向的试样横截面积(mm2)。
实验结果按表1-1记录。
表1-1岩石单轴抗压强度实验记录表
工程名称______________实验时刻_____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
实验者计算者
二、岩石紧缩变形实验
概述
岩石变形实验,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。
依照需要也能够确信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。
依照需要也能够求任何应力下的泊松比。
试样备制
试样备制方式和精度要求见。
试样描述
试样描述见。
要紧仪器设备
(1)制样设备、检查仪器和压力机要求见。
(2)电阻应变片、粘结剂、万用表等。
(3)电阻应变仪(或数据搜集器)、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%和量程能知足变形测定需要的其他仪表。
图4岩石试件贴电阻应变片示用意图5试件连接静态应变仪示用意
实验程序
(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±欧姆。
(2)电阻片应贴在试样高度的中部,每一个试样贴纵向(轴向)和圆周向电阻片各2片,沿圆周向对称布置,贴片处应尽可能躲开显著的裂隙、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,避免污染(如图4所示)。
(3)贴片用的胶,一样情形下可用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(或数据搜集器,如图5所示),接通电源。
以每秒~的加载速度对试样加载,直至破坏。
(5)在施加载荷的进程中,由数据搜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,通常很多于10组数据。
(6)描述试样的破坏形式,并记下与实验有关的的情形。
实验记录格式见表8-1。
实验功效整理和计算
计算各级应力下的应变值
(1)别离将纵向、横向各二片的数值进行平均,求得纵向、横向应变,(也可实验前将二片串联,直接测得纵向、横向应变值)。
(2)用下式计算体积应变值:
式中:
——某一应力下的体积应变值;
——某一应力下的纵向应变值;
——某一应力下的横向应变值。
(3)绘制应力~应变曲线图,如图6所示。
图6岩石紧缩应力应变关系曲线
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)。
式中:
——弹性模量(MPa);
——相当于50%抗压强度的应力值(MPa);
——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。
式中:
——泊松比;
——应力为抗压强度50%时的横向应变值;
——应力为抗压强度50%时的纵向应变值。
计算岩石单轴抗压强度
式中:
——岩石单轴抗压强度(MPa);
——最大破坏载荷(N);
——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岩石变形实验记录表
工程名称试样直径(mm)
=(MPa)
岩石名称试样高度(mm)
=
试样编号试样面积(mm2)
=(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
实验者计算者
三、岩石抗拉强度实验
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实验(如图7)。
本方式可用于测烘干、自然干燥、饱和的试样。
本方式不适用于软弱岩石。
试样备制
(1)试样可用钻孔岩芯或岩块,在取样和试样制备进程中,不许诺人为裂隙显现。
(2)采纳圆柱体作为标准试样,直径为5cm,高度为直径的~倍。
试样尺寸的许诺转变范围不宜超过5%。
(3)关于非均质的粗粒结构岩石,或取样尺寸小于标准尺寸者,许诺利用非标准试样,但高径比必需知足标准试样的要求。
(4)试样个数视所要求的受力方向或含水状态而定,一样情形下至少制备3个。
(5)试样制备精度。
整个厚度上,直径最大误差不该超过0.1mm。
两头不平行度不宜超过0.1mm。
端面应垂直于试样轴线,最大误差不该超过度。
试样描述
试样描述同
要紧仪器设备
(1)试样加工设备、量测工具与有关仪器详见。
(2)加载设备:
压力实验机应符合的规定,因岩石的抗拉强度远低于抗压强度,为了提高实验精度,因此选择压力实验机的吨位不宜过大。
半球座
(3)垫条:
在岩石劈裂实验中,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》建议采纳电工用的胶木板或硬纸板,其宽度与试样直径之比为~;《国际岩石力学学会》建议采纳压模,压模圆弧直径为试样直径的倍(如图7);日本、美国等矿业规程建议采纳不加垫条,使试样与承压板直接接触。
三种方式相较,最后一种比较简单因此用的较普遍。
下加载鄂
图7岩石抗拉强度测定示用意
实验程序
(1)依照所要求的试样状态预备试样。
(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~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)观看试样在受载进程中的破坏进展进程,并记录试样的破坏形态。
表3-1岩石劈裂法实验记录表
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
实验者计算者
功效整理和计算
(1)按下式计算岩石的抗拉强度
式中:
——岩石的抗拉强度(MPa);
——试样破坏时的最大载荷(N);
——试样直径(mm);
——试样厚度(mm)。
计算值取至小数点以后一名。
四、岩石抗剪强度实验(变角剪切)
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实验,得出试样沿剪断面破坏的正应力和剪应力之间的关系,以确信岩石抗剪强度曲线的一部份。
试样备制
试样为50⨯50⨯50mm或70⨯70⨯70mm的立方体,误差小于~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。
每组实验至少3个角度,每一个剪切角度的试样数量应很多于2~3个,因此一组实验的试样数量至少应有6~9个以上。
图8岩石变角剪示用意图9岩石变角剪加载示用意
实验设备、用具
压力实验机,抗剪夹具(20︒、30︒、40︒三个),卡尺及其它辅助设备。
实验程序
(1)描述试样的颜色、颗粒、层理方向、加工精度等情形,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,精准到0.05mm,并计算剪切面的面积。
(3)把试样和抗剪夹具一路放在压力实验机的承压板上,夹具与垫板之间放滚轴以排除摩擦力,试样和抗剪夹具周围放防护罩。
(4)以每秒~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10-1。
(5)按20︒、30︒、45︒不同夹具,别离逐个进行实验,每一个角度做3件。
实验功效整理和计算
(1)试样受力状态如图八、9所示,依照下式计算试样所受的正应力和剪应力。
式中:
——抗剪断面上平均正应力(Mpa);
——抗剪断面上平均剪应力(MPa);
——抗剪夹具的角度(剪力与竖直方向)(度);
——试样破坏时的载荷(N);
——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,关于每一个角度能够确信试样的一对剪应力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,即可取得如图10所示的岩石抗剪强度曲线。
图10岩石抗剪强度部份曲线图
表4-1岩石抗剪强度实验记录表
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
实验者计算者
五、岩石弱面剪切强度实验
概述
岩石软弱结构面包括夹泥和不夹泥的层面,节理裂隙面和断层带等,岩石弱面剪切强度实验的目的是确信这些不持续面的摩擦强度。
试样备制
(1)试样应尽可能维持原状结构,避免结构面被扰动。
(2)试样的断面尺寸采纳15⨯15~30⨯30cm,在室内小型剪力仪上做时一样采纳岩芯级(7⨯7~10⨯10cm)试样。
(3)对天然含水量的试样,在试样备制时,应尽可能减少含水量的损失。
水泥浇筑试件
(4)将搜集的试样用绳索捆紧,放入下模具中,使弱面与模具的上边缘平行且高出3~5mm,然后倒入水泥或石膏,震实抹平。
下模具中的水泥或石膏凝固后,翻转模具180度(连同试样一路),以便浇注上模。
两模具的间隙6~10mm,即注意不要把弱面浇注在水泥或石膏中。
待水泥或石膏养护3~4周后,即可用来做实验(见图11)。
弱面试件
水泥浇筑试件
图11弱面试件制备示用意
试样描述
重点描述结构面的充填物质,充填程度和取样和制样进程的扰动情形;另要描述结构面的起伏、粗糙度。
要紧仪器设备
(1)制备试样设备:
模具,灰铲,捣棒等。
(2)岩石弱面直剪仪,包括法向恒压和剪切向加载设备。
(3)测量、记录设备,包括游标卡尺、测量法向和剪切位移的测微表或位移传感器、函数记录仪等。
实验程序
(1)实验装置如图12所示,将试样置于岩石弱面直剪仪上,安装测法向和剪切向位移的仪表。
图12弱面剪切实验示用意
(2)选择法向应力,除充填夹泥的结构面实验外,一样应大于或等于设计应力,关于充填夹泥的结构面实验,法向应力的选择,以不挤出夹泥为原那么。
(3)按实验要求施加第一级法向应力,剪断捆绑试样的绳索,当法向应力达到一预定的值后,再施加剪力向载荷,并注意剪切进程中通过伺服系统操纵法向应力的恒定和稳固性。
(4)操纵剪力向载荷的加载速度,试样相对位移每分钟不超过2mm,每位移~0.5mm记录一次相应的剪应力值和法向位移量(如用位移传感器、函数记录仪等可持续记录),当随剪位移增加而剪应力降至近似某一常数值时(或剪力向总位移量超过15~20mm时),本次摩擦即可停止。
(5)先卸掉剪力向载荷,再卸掉法向力载荷,推试样恢复位,施加第二级法向应力,开始第二次摩擦。
一样情形下,法向应力需施加3~5级,每变一次法向应力,进行一次摩擦。
(6)摩擦完毕,拆除仪表,掏出试样测量其摩擦面积,测定剪切面的起伏差。
关于充填夹泥的试样,要记叙夹泥的性质、厚度、组织结构,并取样测定其含水量、容重、流塑性和颗粒分析、矿物鉴定等。
功效整理和计算
(1)按下式计算各级法向载荷下的法向应力和剪应力
式中:
——作用于剪切面上的总法向载荷(含施加的载荷,设备、试样重量)(N);
——作用于剪切面上的法向应力(MPa);
——剪切面积(mm2);
——作用于剪切面上的剪向应力(MPa);
——作用于剪切面上的剪切载荷(N)。
图13剪应力与剪位移(τ~D)关系曲线图
(2)绘制各法向应力下的剪应力与剪位移(τ~D)关系曲线(如图13所示),依照(τ~D)曲线取每次摩擦的峰值做剪应力与法向应力(τ~σ)关系曲线(如图14所示),从而图解求的岩石弱面的摩擦角ϕ,粘聚力C。
图14剪应力与法向应力(τ~σ)关系曲线图
(3)修正爬坡角,可依照法向位移和剪切位移的比值,对图解出的ϕ进行修正,如爬坡,那么ϕj=ϕ—i;反之,ϕj=ϕ+i
式中:
i——岩石弱面起伏角;
ϕj——修正后的弱面摩擦角(度);
ϕ——修正前图解出的弱面摩擦角(度)。
六、点载荷指数的测定
概述
岩石的点载荷指数,可换算成抗拉或抗压强度。
由于测点载荷指数的设备轻巧,便于现场工作,实验本钱低廉、时刻短等优势,因此此法精度尽管较常规实验低,但仍有其利用价值。
尤其关于严峻风化的低强度岩石,易于测出点载荷指数,此法更有实际意义。
试样备制
岩石点载荷指数实验(如图15所示),试样有圆柱形或不规那么形两种,前者加载有轴向与径向两种,而以径向加载经常使用,其加载点离自由端的距离,不该小于试样直径的倍。
不规那么形须将试样修整成椭圆型或卵状。
为保证数据的精度,圆柱形试样一样很多于10件,不规那么形很多于15件。
图15岩石点载荷指数测定示用意
(a)径向加载(b)轴向加载(c)不规那么试样加载
设备仪器
点载荷仪(如图16),游标卡尺等。
数显表头
千斤顶
加载架
图16点荷载实验装置
实验方式
将试样放在点载荷仪的两压头之间,启动油泵加载,直到试样断裂为止,同时记录下岩石断裂时的载荷。
岩石断裂面通过两压点处,实验有效。
若是岩石断裂面未通过两压点处或压头陷入岩石中,那么以为实验数据无效。
实验数据分析整理
(1)点载荷指数按下式计算
式中:
——点载荷指数(Mpa);
——试样断裂载荷(N);
——上下压头间距(mm)。
(2)点载荷指数和抗拉强度σT的关系如下:
式中:
为比例系数,关于岩心试样,
=,球形试样,
=,不规那么样,
=~。
(3)点载荷指数和抗压强度σc的关系如下:
式中:
比例系数
和试样尺寸有关,当
等于54、50、4二、和21.5mm时,
相应的等于24、、21和18。
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- 岩石 力学 性质 实验