岩石力学性质试验

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

1.4.1试样加工设备

钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。

1.4.2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。

1.4.3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

c式中：

P Ac——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（mm2）

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

工程名称______________ 试验时间_____年___月___日 试 样 尺 寸 岩石名称 试样编号 受力方向 含水状态 直 径 (mm) 高 度 (mm) 横截面积(mm2) 最大破坏载 荷 (N) 单轴抗压强 备 注 度(MPa) 试 样 描 述 班 级 组 别

试验者 计算者

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7.2。

2.3试样描述

试样描述见7.3。

2.4主要仪器设备

（1）制样设备、检查仪器和压力机要求见7.4。 （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4 岩石试件贴电阻应变片示意图 图5 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4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5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8-1。

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：

vh2d

式中：

v——某一应力下的体积应变值；

h——某一应力下的纵向应变值； d——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）。

E5050 h50式中：

E50——弹性模量（MPa）；

50——相当于50%抗压强度的应力值（MPa）； h50——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；

d50 h50d50——应力为抗压强度50%时的横向应变值； h50——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

c式中：

P Ac——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（mm2）

2.6.4 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） 岩石名称 试样高度（mm） 试样编号 试样面积（mm） 载荷（N） 应力（MPa） 纵向应变 横向应变 2

E50= （MPa）

=

c= （MPa）

备 注 体积应变 班 级 组 别 日期 试验者 计算者

三、岩石抗拉强度试验

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7）。

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7.3

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7.4。

（2）加载设备：压力试验机应符合7.4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7）；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7 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

工程名称________ 试 样 尺 寸 岩石名称 试样编号 受力方向 含水状态 平均直径（mm） 平均厚度 (mm) 劈裂面积（mm） 2破坏最大载 荷 (N) 岩石抗拉强 备 注 度(MPa) 试 样 描 述 班 级 组 别 日期 试验者 计算者

3.6成果整理和计算

（1）按下式计算岩石的抗拉强度

t式中：

2P

DHt——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。

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8 岩石变角剪示意图 图9 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10-1。

（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8、9所示，根据下式计算试样所受的正应力和剪应力。

Psin APcos A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）；

； 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、正应力值，把这些值标在～坐标图中，连接求得的各点，即可得到如图10所示的岩石抗剪强度曲线。

图10 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 长 (mm) 宽 (mm) 高 (mm) 面积(mm) 2夹具 角度 破坏 载荷 （N） 剪应力(MPa) 正应力(MPa) 备 注 试 样 描 述 班 级 组 别 日期 试验者 计算者

五、岩石弱面剪切强度试验

5.1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，岩石弱面剪切强度试验的目的是确定这些不连续面的摩擦强度。

5.2试样备制

（1）试样应尽量保持原状结构，防止结构面被扰动。

（2）试样的断面尺寸采用1515～3030cm，在室内小型剪力仪上做时一般采用岩芯级（77～1010cm）试样。

（3）对天然含水量的试样，在试样备制时，应尽量减少含水量的损失。 （4）将采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（连同试样一起），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，即可用来做试验（见图11）。 水泥浇筑试件 弱面试件 水泥浇筑试件

图11 弱面试件制备示意图

5.3试样描述

重点描述结构面的充填物质，充填程度以及取样和制样过程的扰动情况；另要描述结构面的起伏、粗糙度。

5.4主要仪器设备

（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。

5.5试验程序

（1）试验装置如图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 弱面剪切试验示意图

（2）选择法向应力，除充填夹泥的结构面试验外，一般应大于或等于设计应力，对于充填夹泥的结构面试验，法向应力的选择，以不挤出夹泥为原则。

（3）按试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，并注意剪切过程中通过伺服系统控制法向应力的恒定和稳定性。

（4）控制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0.2～0.5mm记录一次相应的剪应力值和法向位移量（如用位移传感器、函数记录仪等可连续记录），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，推试样复原位，施加第二级法向应力，开始第二次摩擦。一般情况下，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，取出试样测量其摩擦面积，测定剪切面的起伏差。对于充填夹泥的试样，要记述夹泥的性质、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。

5.6成果整理和计算

（1）按下式计算各级法向载荷下的法向应力和剪应力

P AQ

A式中：

（N）； P——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）

——作用于剪切面上的法向应力（MPa）；

； A——剪切面积（mm2）

——作用于剪切面上的剪向应力（MPa）；

Q——作用于剪切面上的剪切载荷（Ｎ）。

τ(KPa)35030025020015010050002468σσσσ=200Kpa=400Kpa=600Kpa=800KpaD（mm）10

图13 剪应力与剪位移（～D）关系曲线图

（２）绘制各法向应力下的剪应力与剪位移（～D）关系曲线（如图13所示），根据（～D）曲线取每次摩擦的峰值做剪应力与法向应力（～）关系曲线（如图14所示），从而图解求的岩石弱面的摩擦角，粘聚力Ｃ。

500450400350300250200150100500050100150200250300350400450500τ(KPa)

图14 剪应力与法向应力（～）关系曲线图

（３）修正爬坡角，可根据法向位移和剪切位移的比值，对图解出的进行修正，如爬坡，则j＝—i；反之，j＝＋i 式中： i——岩石弱面起伏角； j——修正后的弱面摩擦角（度）； ——修正前图解出的弱面摩擦角（度）。

σ（KPa）六、点载荷指数的测定

6.1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，试验成本低廉、时间短等优点，所以此法精度虽然较常规试验低，但仍有其使用价值。尤其对于严重风化的低强度岩石，易于测出点载荷指数，此法更有实际意义。

6.2试样备制

岩石点载荷指数试验（如图15所示），试样有圆柱形或不规则形两种，前者加载有轴向与径向两种，而以径向加载常用，其加载点离自由端的距离，不应小于试样直径的0.7倍。不规则形须将试样修整成椭圆型或卵状。为保证数据的精度，圆柱形试样一般不少于10件，不规则形不少于15件。

图15 岩石点载荷指数测定示意图

（a）径向加载 （b）轴向加载 （c）不规则试样加载

6.3设备仪器

点载荷仪（如图16），游标卡尺等。

加载架 数显表头 千斤顶

图16 点荷载试验装置

6.4试验方法

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。岩石断裂面经过两压点处，试验有效。如果岩石断裂面未经过两压点处或压头陷入岩石中，则认为试验数据无效。

6.5试验数据分析整理

（1）点载荷指数按下式计算

Is式中：

P 2DIs——点载荷指数（Mpa）；

； P——试样断裂载荷（N）

。 D——上下压头间距（mm）

（2）点载荷指数和抗拉强度T的关系如下：

tk1Is

式中：k1 为比例系数，对于岩心试样，k1 = 0.79，球形试样，k1 = 0.95，不规则样，

k1 = 0.9～0.96。

（3）点载荷指数和抗压强度c的关系如下：

ck2Is

式中：比例系数k2 和试样尺寸有关，当D等于、50、42、和21.5mm时，k2 相应的等于24、23.5、21和18。