巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)一、巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)概述當(dāng)無(wú)側(cè)限巖石試樣在縱向壓力作用下消滅壓縮破壞時(shí)石的單軸抗壓強(qiáng)度，即試樣破壞時(shí)的最大載荷與垂直于加載方向的截面積之比。在測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，也可同時(shí)進(jìn)展變形試驗(yàn)。不同含水狀態(tài)的試樣均可按本規(guī)定進(jìn)展測(cè)定，試樣的含水狀態(tài)用以下方法處理：105～1100C24h。飽和狀態(tài)的試樣，使試樣逐步浸水，首先漂移試樣高度的1/42h分別1/31/2處，6h48h；承受煮沸法飽和試樣時(shí)，煮沸箱內(nèi)水面應(yīng)常常保持高于試樣面，煮沸時(shí)間不少于6h。試樣備制。按規(guī)程要求標(biāo)準(zhǔn)試件為圓柱體，直徑為5cm，允許變化范圍為4.8～5.2cm。高度為10cm，允許變化范圍為9.5～10.5cm。對(duì)于非均質(zhì)的粗粒構(gòu)造巖石，或取樣尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸者，允許承受非標(biāo)準(zhǔn)試樣，但高徑比必需保持=2:1～2.5:1。試樣數(shù)量，視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，一般狀況下必需制備3個(gè)。試樣制備的精度，在試樣整個(gè)高度上，直徑誤差不得超過(guò)0.3mm。兩端面的不平0.05mm。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不超過(guò)0.25度。試樣描述試驗(yàn)前的描述，應(yīng)包括如下內(nèi)容：巖石名稱、顏色、構(gòu)造、礦物成分、顆粒大小，膠結(jié)物性質(zhì)等特征。節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及其分布，并記錄受載方向與層理、片理及節(jié)理裂隙之間的關(guān)系。測(cè)量試樣尺寸，并記錄試樣加工過(guò)程中的缺陷。主要儀器設(shè)備試樣加工設(shè)備鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)或其他制樣設(shè)備。量測(cè)工具與有關(guān)檢查儀器游標(biāo)卡尺、天平〔稱量大于，感量g，烘箱和枯燥箱，水槽、煮沸設(shè)備。加載設(shè)備壓力試驗(yàn)機(jī)。壓力機(jī)應(yīng)滿足以下要求：有足夠的噸位，即能在總噸位的10%～90%之間進(jìn)展試驗(yàn)，并能連續(xù)加載且無(wú)沖擊。承壓板面平坦光滑且有足夠的剛度，其中之一須具有球形座。承壓板直徑不小于關(guān)心承壓板的剛度和平坦光滑度應(yīng)滿足壓力機(jī)承壓板的要求。壓力機(jī)的校正與檢驗(yàn)應(yīng)符合國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。試驗(yàn)程序依據(jù)所要求的試樣狀態(tài)預(yù)備試樣。將試樣置于壓力機(jī)承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受力。依每秒0.5～0.8MPa的加載速度對(duì)試樣加荷，直到試樣破壞為止，記錄最大破壞載荷。描述試樣破壞形態(tài)，并登記有關(guān)狀況。成果整理和計(jì)算按下式計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度P c A式中：c——巖石單軸抗壓強(qiáng)度；P——最大破壞載荷N；A——垂直于加載方向的試樣橫截面積1-1記錄。表1-1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)記錄表試樣描述工程名稱 試驗(yàn)時(shí)間 年 試樣描述巖石名試樣編受力方含水狀試樣 尺寸最大破壞載單軸抗稱號(hào)向態(tài)直 徑(mm)高 度(mm)橫截面積(mm2)荷(N)壓強(qiáng) 備度(MPa)注班 級(jí) 組別試驗(yàn)者 計(jì)算者二、巖石壓縮變形試驗(yàn)概述巖石變形試驗(yàn)，是在縱向壓力作用下測(cè)定試樣的縱向〔軸向〕和橫向〔徑向〕變形，據(jù)此計(jì)算巖石的彈性模量和泊松比。彈性模量是縱向單軸應(yīng)力與縱向應(yīng)變之比50%作為應(yīng)力和該應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值進(jìn)展計(jì)算。依據(jù)需要也可以確定任何應(yīng)力下的彈性模量。50%時(shí)的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值進(jìn)展計(jì)算。依據(jù)需要也可以求任何應(yīng)力下的泊松比。試樣備制試樣備制方法和精度要求見(jiàn)7.2。試樣描述7.3。主要儀器設(shè)備制樣設(shè)備、檢查儀器和壓力機(jī)要求見(jiàn)7.4。電阻應(yīng)變片、粘結(jié)劑、萬(wàn)用表等。電阻應(yīng)變儀〔或數(shù)據(jù)采集器、壓力傳感器、引伸儀等。巖石試件軸向應(yīng)變片橫向應(yīng)變片除用電阻應(yīng)變儀外，也可用精度能到達(dá)巖石試件軸向應(yīng)變片橫向應(yīng)變片圖4 巖石試件貼電阻應(yīng)變片示意圖 圖5 試件連接靜態(tài)應(yīng)變儀示意圖試驗(yàn)程序選擇電阻片，電阻片質(zhì)量應(yīng)符合產(chǎn)品要求，電阻絲的長(zhǎng)度應(yīng)大于組成試樣的礦物10倍以上。同一試樣用的工作片和補(bǔ)償片的電阻值應(yīng)不超過(guò)±0.2歐姆。電阻片應(yīng)貼在試樣高度的中部，每個(gè)試樣貼縱向〔軸向〕2片，零號(hào)砂紙打磨，用丙酮或酒精將貼片處擦洗干凈，防止污染〔如圖4所示。502快速粘結(jié)劑，914粘結(jié)劑等脆性膠；飽和試樣還需配置防潮膠液。將貼好片的試樣置于壓力機(jī)上，對(duì)準(zhǔn)中心，以全橋或半橋的方式聯(lián)入應(yīng)變儀〔或數(shù)據(jù)采集器，如圖5所示，接通電源。以每秒a的加載速度對(duì)試樣加載，直至破壞。在施加載荷的過(guò)程中，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄各級(jí)應(yīng)力及其相應(yīng)的縱向和橫向~10組數(shù)據(jù)。描述試樣的破壞形式，并登記與試驗(yàn)有關(guān)的的狀況。試驗(yàn)記錄格式見(jiàn)表8-1。試驗(yàn)成果整理和計(jì)算計(jì)算各級(jí)應(yīng)力下的應(yīng)變值二片串聯(lián)，直接測(cè)得縱向、橫向應(yīng)變值。用下式計(jì)算體積應(yīng)變值： 2v h d式中： ——某一應(yīng)力下的體積應(yīng)變值；v——某一應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值；h——某一應(yīng)力下的橫向應(yīng)變值。d繪制應(yīng)力～應(yīng)變曲線圖，如圖6所示。圖6 巖石壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線計(jì)算彈性模量和泊松比在縱向應(yīng)變曲線上，做通過(guò)原點(diǎn)與應(yīng)力相當(dāng)于50%抗壓強(qiáng)度處的應(yīng)變點(diǎn)的連線，其斜率即為所求的彈性模量〔或稱割線模量。E 5050 h50式中：E ——彈性模量；50 ——相當(dāng)于抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力值；50 50%時(shí)的縱向應(yīng)變值。h50取應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值計(jì)算泊松比。 d50h50式中：——泊松比； 50%時(shí)的橫向應(yīng)變值；d50 50%時(shí)的縱向應(yīng)變值。h50計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度Pc A式中：——巖石單軸抗壓強(qiáng)度；cP——最大破壞載荷N；A——垂直于加載方向的試樣橫截面積。計(jì)算值取值彈性模量取至百位數(shù)；泊松比取至小數(shù)點(diǎn)以后兩位；單軸抗壓強(qiáng)度取至整數(shù)位。表2-1 巖石變形試驗(yàn)記錄表工程名稱 試樣直徑〔mm〕巖石名稱 試樣高度〔mm〕試樣編號(hào)

E = 〔MPa〕50=50c= 〔MPa〕c縱向應(yīng)變橫向應(yīng)變體積應(yīng)變備注班級(jí) 組別 日期試驗(yàn)者 計(jì)算者三、巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)概述巴西法〔劈裂法〕徑方向破壞的試驗(yàn)〔如圖7。本方法可用于測(cè)烘干、自然枯燥、飽和的試樣。本方法不適用于脆弱巖石。試樣備制試樣可用鉆孔巖芯或巖塊，在取樣和試樣制備過(guò)程中，不允許人為裂隙消滅。承受圓柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，直徑為5cm，高度為直徑的0.5～1.0倍。試樣尺寸的5%。，但高徑比必需滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣的要求。試樣個(gè)數(shù)視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，一般狀況下至少制備3個(gè)。試樣制備精度。整個(gè)厚度上，直徑最大誤差不應(yīng)超過(guò)0.1mm。兩端不平行度不宜0.1mm。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不應(yīng)超過(guò)0.25度。試樣描述7.3主要儀器設(shè)備試樣加工設(shè)備、量測(cè)工具與有關(guān)儀器詳見(jiàn)7.4。加載設(shè)備：壓力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)符合7.4的規(guī)定，因巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，為了提高試驗(yàn)精度，所以選擇壓力試驗(yàn)機(jī)的噸位不宜過(guò)大。墊條：在巖石劈裂試驗(yàn)中，目前國(guó)內(nèi)外規(guī)程中，有加墊條、劈裂壓模、不加墊條三種0.08～15倍〔如圖；日種比較簡(jiǎn)潔所以用的較廣泛。圖7 巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)定示意圖試驗(yàn)程序依據(jù)所要求的試樣狀態(tài)預(yù)備試樣。將試樣平置于壓力機(jī)承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板使試樣均勻受載。以每秒0.3～0.5MPa的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，并記錄最大破壞載荷。觀看試樣在受載過(guò)程中的破壞進(jìn)展過(guò)程，并記錄試樣的破壞形態(tài)。表3-1 巖石劈裂法試驗(yàn)記錄表試樣試樣尺 寸破壞最巖石抗拉強(qiáng)備注試樣描述巖石名試樣編受力方含水狀平均直平均厚劈裂面大載稱號(hào)向態(tài)徑〔mm〕度(mm)積〔mm2〕荷(N)班級(jí) 組別 日期試驗(yàn)者 計(jì)算者成果整理和計(jì)算〔1〕按下式計(jì)算巖石的抗拉強(qiáng)度t式中：t——巖石的抗拉強(qiáng)度；

2PDHP——試樣破壞時(shí)的最大載荷D——試樣直徑(mm)；H——試樣厚度(mm)。計(jì)算值取至小數(shù)點(diǎn)以后一位。四、巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)(變角剪切)概述標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣在有正應(yīng)力的條件下斷面積之比，稱為巖石試樣的抗剪強(qiáng)度。利用幾個(gè)不同角度的抗剪夾具做試驗(yàn)關(guān)系，以確定巖石抗剪強(qiáng)度曲線的一局部。試樣備制505050mm707070mm0.2～0.3mm，試樣各端面嚴(yán)0.07mm0.03mm。3個(gè)角度，每個(gè)剪切角度的試樣數(shù)目應(yīng)不少于2～3個(gè)，所以一組試驗(yàn)的6～9個(gè)以上。圖8 巖石變角剪示意圖 圖9 巖石變角剪加載示意圖試驗(yàn)設(shè)備、用具壓力試驗(yàn)機(jī)，抗剪夾具三個(gè)，卡尺及其它關(guān)心設(shè)備。試驗(yàn)程序描述試樣的顏色、顆粒、層理方向、加工精度等狀況，在試樣上劃出剪切線。用游標(biāo)卡尺量測(cè)試樣的高、寬、長(zhǎng)的尺寸，準(zhǔn)確到0.05mm，并計(jì)算剪切面的面積。把試樣和抗剪夾具一起放在壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板上，夾具與墊板之間放滾軸以消退摩擦力，試樣和抗剪夾具四周放防護(hù)罩。0.5～1.0MPa的速度加載，直到試樣剪斷為止，記錄下破壞時(shí)的載荷，格10-1。20、30、45不同夾具，分別逐個(gè)進(jìn)展試驗(yàn)，每個(gè)角度做3件。試驗(yàn)成果整理和計(jì)算試樣受力狀態(tài)如圖8、9所示，依據(jù)下式計(jì)算試樣所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。PsinAPcosA式中：——抗剪斷面上平均正應(yīng)力；——抗剪斷面上平均剪應(yīng)力；——抗剪夾具的角度〔剪力與豎直方向〔度；P——試樣破壞時(shí)的載荷A——剪斷面積。繪制巖石抗剪強(qiáng)度曲線圖。通過(guò)轉(zhuǎn)變夾具的剪切角剪切試樣，對(duì)于每一個(gè)角度可以確定試樣的一對(duì)剪應(yīng)力、正應(yīng)力值，把這些值標(biāo)在～坐標(biāo)圖中，連接求得的各點(diǎn)，即可得到如圖10所示的巖石抗剪強(qiáng)度曲線。圖10 巖石抗剪強(qiáng)度局部曲線圖表4-1 巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)記錄表巖巖石 試樣 巖石試樣 尺 寸夾具破壞剪應(yīng)正應(yīng)備名稱編號(hào)特征長(zhǎng)寬高面積角度載荷力力注(mm)(mm)(mm)(mm2)〔N〕(MPa)(MPa)試樣描 述班級(jí) 組試樣描 述試驗(yàn)者 計(jì)算者五、巖石弱面剪切強(qiáng)度試驗(yàn)概述試驗(yàn)的目的是確定這些不連續(xù)面的摩擦強(qiáng)度。試樣備制試樣應(yīng)盡量保持原狀構(gòu)造，防止構(gòu)造面被擾動(dòng)。試樣的斷面尺寸承受1515～3030cm，在室內(nèi)小型剪力儀上做時(shí)一般承受巖芯級(jí)〔77～1010cm〕試樣。對(duì)自然含水量的試樣，在試樣備制時(shí)，應(yīng)盡量削減含水量的損失。3～5mm180度水泥澆筑試件弱面試件水泥澆筑試件〔連同試樣一起6或石膏中。待水泥或石膏養(yǎng)護(hù)34周后，即可用來(lái)做試驗(yàn)〔見(jiàn)圖水泥澆筑試件弱面試件水泥澆筑試件圖11 弱面試件制備示意圖試樣描述面的起伏、粗糙度。主要儀器設(shè)備制備試樣設(shè)備：模具，灰鏟，搗棒等。巖石弱面直剪儀，包括法向恒壓和剪切向加載設(shè)備。測(cè)量、記錄設(shè)備，包括游標(biāo)卡尺、測(cè)量法向和剪切位移的測(cè)微表或位移傳感器、函數(shù)記錄儀等。試驗(yàn)程序試驗(yàn)裝置如圖12的儀表。圖12 弱面剪切試驗(yàn)示意圖選擇法向應(yīng)力，除充填?yuàn)A泥的構(gòu)造面試驗(yàn)外，一般應(yīng)大于或等于設(shè)計(jì)應(yīng)力，對(duì)于充填?yuàn)A泥的構(gòu)造面試驗(yàn)，法向應(yīng)力的選擇，以不擠出夾泥為原則。按試驗(yàn)要求施加第一級(jí)法向應(yīng)力，剪斷捆綁試樣的繩索，當(dāng)法向應(yīng)力到達(dá)一預(yù)定把握剪力向載荷的加載速度0.2～0.5mm記錄一次相應(yīng)的剪應(yīng)力值和法向位移量〔如用位移傳感器、函數(shù)記錄儀等可連續(xù)記錄，當(dāng)隨剪位移增加而剪應(yīng)力降至近似某一常數(shù)值時(shí)〔或剪力向總位移量超過(guò)m時(shí)先卸掉剪力向載荷，再卸掉法向力載荷，推試樣復(fù)原位，施加其次級(jí)法向應(yīng)力，開(kāi)頭其次次摩擦。一般狀況下，法向應(yīng)力需施加3～5級(jí)，每變一次法向應(yīng)力，進(jìn)展一次摩擦。摩擦完畢，撤除儀表，取出試樣測(cè)量其摩擦面積，測(cè)定剪切面的起伏差。對(duì)于充填?yuàn)A泥的試樣，要記述夾泥的性質(zhì)、厚度、組織構(gòu)造，并取樣測(cè)定其含水量、容重、流塑性和顆粒分析、礦物鑒定等。成果整理和計(jì)算〔1〕按下式計(jì)算各級(jí)法向載荷下的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力PAQA式中：P——作用于剪切面上的總法向載荷〔含施加的載荷，設(shè)備、試樣重量〔N；——作用于剪切面上的法向應(yīng)力；A——剪切面積；——作用于剪切面上的剪向應(yīng)力；Q——作用于剪切面上的剪切載荷〔Ｎ。τ(KPa)50τ(KPa)500050σ=200Kpaσ=400Kpaσ=600Kpaσ=800Kpa00500050002468D〔mm〕1032211圖13 剪應(yīng)力與剪位移〔～D〕關(guān)系曲線圖〔２〕繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力與剪位移〕關(guān)系曲線〔如圖3所示，依據(jù)τ(KPa)5004504003503002502001501005000 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500σ〔KPa〕～〕曲線取每次摩擦的峰值做剪應(yīng)力與法向應(yīng)力τ(KPa)5004504003503002502001501005000 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500σ〔KPa〕圖14 剪應(yīng)力與法向應(yīng)力〔～〕關(guān)系曲線圖〔３〕進(jìn)展修正，如爬j 坡，則＝—i；反之，＝＋i式中：ij ——修正后的弱面摩擦角〔度；j——修正前圖解出的弱面摩擦角〔度。六、點(diǎn)載荷指數(shù)的測(cè)定概述值。尤其對(duì)于嚴(yán)峻風(fēng)化的低強(qiáng)度巖石，易于測(cè)出點(diǎn)載荷指數(shù)，此法更有實(shí)際意義。試樣備制〔15所示與徑向兩種，而以徑向加載常用，其加載點(diǎn)離自由端的距離，不應(yīng)小于試樣直徑的0.7倍。10件，15件。圖15 巖石點(diǎn)載荷指數(shù)測(cè)定示意圖〔a〕徑向加載 〔b〕軸向加載 〔c〕不規(guī)章試