岩石力学实验指导书

岩石力学实验指导书

王宝学

修订版

杨 同 张 磊

北京科技大学

土木与环境工程学院

2008 年 3 月

编前 言

试验是岩石力学课程教学的重要环节，目的在于辅助课堂教学，直观培养学生的知识结构和动手能力。本指导书是根据我校“2005年教学大纲”，并结合我校的实验条件而编写，主要内容有：1、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验；2、岩石比重试验；3、岩石密度试验；4、岩石耐崩解试验5、岩石膨胀试验；6、岩石冻融试验；7、岩石单轴抗压强度试验，8、岩石压缩变形试验，9、岩石抗拉强度试验(巴西法)，10、岩石抗剪强度试验(变角剪法)，11、岩石三轴压缩及变形试验，12、岩石弱面抗剪强度试验，13、岩石点载荷指数测定试验，14、岩石纵波速度测定试验，15、岩石力学伺服控制刚性试验；16、岩石声发射试验。

本指导书的内容主要参照《水利水电工程岩石试验规程》〔SL2-2001〕；《水利电力工程岩石试验规程》DLJ204-81，SLJ2-81；同时参考了国际岩石力学会《岩石力学试验建议方法》，中华人民共和国国家标准《岩石试验方法标准》以及《露天采矿手册》等，由于我们水平有限，文中如有不当之处，欢送读者批评指正。

编者：王宝学、杨同、张磊

2007年12月

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目 录

岩石物理性质试验 ...................................................................................................... 1 一、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验 .................................................. 1 二、岩石比重(颗粒密度)试验 .................................................................................... 3 三、岩石密度试验 ...................................................................................................... 6 四、岩石耐崩解试验 ................................................................................................ 10 五、岩石膨胀试验 .................................................................................................... 12 六、岩石冻融试验 .................................................................................................... 15 岩石力学性质试验 .................................................................................................... 18 七、岩石单轴抗压强度试验 .................................................................................... 18 八、岩石压缩变形试验 ............................................................................................ 20 九、岩石抗拉强度试验〔巴西法〕 ........................................................................ 24 十、岩石抗剪强度试验(变角剪切) .......................................................................... 27 十一、岩石三轴压缩及变形试验 ............................................................................ 29 十二、岩石弱面剪切强度试验 ................................................................................ 37 十三、点载荷指数的测定 ........................................................................................ 40 十四、岩石纵波速度测定 ........................................................................................ 42 十五、岩石力学伺服控制刚性试验 ........................................................................ 43 十六、岩石声发射试验 ............................................................................................ 46

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岩石物理性质试验

一、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验

岩石的天然含水率是指试样在大气压力和室温条件下，天然条件下岩石自身所含有的水的质量与试样固体质量比的百分率。

岩石吸水率是试样在大气压力和室温条件下，岩石吸入水的质量与试样固体质量比的百分率。本规程采用自由浸水方式求岩石吸水率。

岩石饱和吸水率，是试样在强制状态下，岩石的最大吸水质量与试样固体质量比的百分率。本规程采用煮沸法或真空抽气法求岩石饱和吸水率。

〔1〕规则试样的形态，可以用圆柱体、立方体或方柱体，根据密度试验后的其他实验要求选择。

〔2〕不规则试样采用边长4～6cm近似立方体的块体，凸出的边棱部分必须进行处理；试样数量，每组取3个。

试样描述

〔1〕岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小、胶结物质等特征。 〔2〕节理裂隙的发育程度及其分布。 〔3〕试样形态及缺角，掉棱角等现象。

主要仪器设备

〔1〕钻石机、切石机、磨石机或其他制样设备。 〔2〕烘箱和干燥器。

〔3〕称量大于500g，感量为的天平。 〔4〕真空抽气机和煮沸设备。

试验程序

岩石天然含水率试验

〔1〕在天然状态下制备试件，清除试样上的尘土和松动颗粒，称其质量。

〔2〕将试样置于烘箱中，在105～110C的温度下烘24h，取出后，即放入干燥器内，冷却至室温后称重。

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岩石的吸水率及饱和吸水率

〔1〕清除试样上的尘土和松动颗粒。

〔2〕将试样置于烘箱中，在105～110C的温度下烘24h，取出后，即放入干燥器内，冷却至室温后称重。

〔3〕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1/2和3/4处，6h后全部浸没试样。

〔4〕试样在水下自由吸水48h，取出后擦去外表水分，称重。 〔5〕用煮沸法或真空抽气法对试样进行强制饱和。

〔6〕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，煮沸时间不应少于6h。

〔7〕采用真空抽气法饱和试样时，抽气的真空度须到达740mm以上的水银柱负压力，抽气时间不得少于4h，或者抽至不再发生气泡为止。

〔8〕经过煮沸法或真空抽气的试样，应放置在原容器中冷却至室温或在正常压力下静置4h，然后擦去外表水分，称重。

1.6成果整理和计算

〔1〕按以下诸式计算岩石天然含水率、吸水率、饱和吸水率和开型空隙率

oamomd100 mdmamd100 mdmsmd100 mds式中：

〔〕；、、 o、a、s——岩石天然含水率、吸水率、饱和吸水率，

mo、md、ma、ms——岩石天然质量、烘干质量、浸水48h质量和强制饱和质量，

〔g〕；

〔2〕计算值取小数点以后两位。

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表1-1 岩石天然含水率、吸水率和饱和吸水率记录表

工程名称 ____ ______

烘干 岩石名称 试样编号 质量 天然 质量 试 样全部浸水48小时后质量 试样煮沸或真空抽气后质量 天然 含水率 饱 和 吸 水 率 备注 吸水率 md〔g〕 mo〔g〕 ma〔g〕 ms〔g〕 o〔%〕 a〔%〕 s〔%〕 班 级 组 别 日 期

试验者 计算者

二、岩石比重(颗粒密度)试验

岩石比重试验是试样干重与同体积4C时的蒸馏水重量的比值〔岩石颗粒密度是岩石固相物质的质量与体积的比值，在数值上与比重相同〕。本指导书主要介绍采用比重瓶法测定岩石比重。除含有水溶性矿物的岩石用煤油测定外，其余岩石均采用蒸馏水测定，采用煤油测定时的方法与采用蒸馏水测定的方法一致。

〔1〕用于测定比重的试样需破碎成岩粉，使之全部通过筛孔。

〔2〕对于非磁性岩石，采用高强度耐磨的优质钢磨盘粉碎，并用磁铁块吸去铁屑。 〔3〕对于磁性岩石，根据岩石的坚硬程度，分别采用磁研体或玛瑙研体粉碎样品。

试样粉碎前的描述，包括：岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小和胶结物性质。

主要仪器设备

〔1〕粉碎机，研体，孔径为mm筛。

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〔2〕称重为200g，感量的天平。 〔3〕烘箱和干燥器。

〔4〕真空抽气机和煮沸设备。 〔5〕恒温水槽和砂浴。

〔6〕容积100ml或50ml的比重瓶。

试验程序

〔1〕将制备好的试样，置于105～110C下烘12h，然后放在干燥器内冷却至室温。 〔2〕将比重瓶置于105～110C下烘12h，然后放在干燥器内冷却至室温。 〔3〕将比重瓶编号，并称其质量。

〔4〕用四分法取两个试样，每个试样15g左右〔用100ml比重瓶〕或10g左右〔用50ml比重瓶〕。

〔5〕将取好的试样通过漏斗倒入编好号码的比重瓶内，然后称比重瓶和试样的质量。 〔6〕向比重瓶内注入蒸馏水至比重瓶容积的一半处。 〔7〕采用煮沸法或真空抽气法排除气体。

〔8〕采用煮沸法排除气体时，煮沸时间在加热沸腾以后，不得少于1h。 〔9〕采用真空抽气法排除气体时，抽气的真空度须到达740mm以上的水银柱负压力，抽气时间维持1～2h，或抽至不再发生气泡为止。

〔10〕不管采用煮沸法或真空抽气法排除试样气体时，均按同样的方法配制未放试样的蒸馏水。

〔11〕试样排气之后，把煮沸或经真空抽气的蒸馏水注入比重瓶至近满，然后置于恒温水槽内，使瓶内温度保持稳定并使上部悬液澄清。

〔12〕塞好瓶塞，使多余水分自瓶塞毛细孔中溢出，将瓶外擦干，称瓶、水、试样合重。

〔13〕倒掉试液，洗净比重瓶。注入与〔11〕项中同温度的蒸馏水至满，按〔11〕、〔12〕两款称瓶、水合重。

〔14〕本试验称重精度，要求准确至。

成果整理和计算

按下式计算岩石比重

s式中：

gso

g1gsg2s—— 岩石比重；

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； gs——试样干重〔g〕

g1——瓶、水合重〔g〕;

； g2——瓶、水、试样合重〔g〕

o——与试验温度同温的蒸馏水的比重。 2.6.2蒸馏水的比重，按以下方法求得：

表2-1 tC下蒸馏水的比重0值

tC 4 5 6 7 8 9 10 0 1．000000 0．999992 0．999968 0．999930 0．999876 0．999809 0．999728 tC 11 12 13 14 15 16 17 0 0．999633 0．999525 0．999404 0．999271 0．999127 0．9970 0．998802 tC 18 19 20 21 22 23 24 0 0．998623 0．998433 0．998232 0．998021 0．997799 0．997567 0．997326 tC 25 26 27 28 29 30 31 0 0．997074 0．996813 0．9962 0．996262 0．995974 0．995676 0．995369 tC 32 33 34 35 0 0．9950 0．994731 0．994399 0．994059 注 ： 一般试验计算时采用小数点以后三位数，第四位四舍五入。

表2-2 岩 石 比 重 试 验 记 录 表

试样质量 试样 瓶号 编号 瓶质量 样质量 瓶+试瓶+水+试样质量 瓶+水质量 水温 蒸馏水的比重(℃) 比重 gs (g) g2 (g) g1 (g) o s

班 级 组 别 日 期

试验者 计算者

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三、岩石密度试验

岩石密度，即单位体积的岩石质量，是试样质量与试样体积之比。

根据试样的含水量情况，岩石密度可分为烘干密度、饱和密度和天然密度。一般未说明含水情况时，即指烘干密度。

根据岩石类型和试样形态，分别采用下述方法测定其密度： 〔1〕凡能制备成规则试样的岩石，宜采用量积法。

〔2〕除遇水崩解、溶解和干缩湿胀性岩石外，可采用水中称重法。 〔3〕不能用量积法或水中称重法进行测定的岩石，可采用腊封法。

用水中称重法测定岩石密度时，一般用测定岩石吸水率和饱和吸水率的同一试样同时进行测定。

量积法

〔1〕试样的形态，可以用圆柱体、立方体或方柱体，根据密度试验后的其他实验要求选择。

〔2〕制备的试样，应具有一定的精度，其精度要求应满足其他试验项目的规定。 〔3〕每组试验须制备3个试样，它们须具有充分的代表性。

腊封法

〔1〕试样取边长为4～6cm的近似立方体的岩块。

〔2〕如需测定天然密度时，拆除密封后立即称试样重。

〔3〕每组试验须制备3个试样，它们须具有充分的代表性。

〔1〕岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小、胶结物质等特征。 〔2〕节理裂隙的发育程度及其分布。 〔3〕试样形态及缺角，掉棱角等现象。

量积法

〔1〕钻石机、切石机、磨石机或其他制样设备。 〔2〕烘箱和干燥器。

〔3〕称量大于500g，感量为的天平。

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〔4〕精度为的测量平台或其他仪表。

腊封法

〔1〕烘箱和干燥器。 〔2〕石蜡和熔蜡用具。

〔3〕称量大于500g，感量为的天平。 〔4〕水中称重装置。

量积法

〔1〕试样两端和中间三个断面，测量其互相垂直的两个直径或边长，计算平均值。 〔2〕测量均匀分布于周边的四点和中间点的五个高度，计算平均值。

〔3〕将试样置于烘箱中，在105～110C的温度下烘24h，取出后，即放入干燥器内，冷却至室温后称重。

〔4〕本试验要求量测准确至，称重准确至。

腊封法

〔1〕将试样置于烘箱中，在105～110C的温度下烘24h，取出后，即放入干燥器内，冷却至室温后称重。

〔2〕用丝线缚住试样，置于温度60C左右的熔化石蜡中1～2s，使试样外表均匀涂上一层腊膜，其厚度约1mm左右。蜡封好后，发现有气泡时，用热针刺穿并用腊涂平孔口，然后称试样重。

〔3〕将蜡封试样置于水中称重，然后取出擦干外表水分，在空气中称重。如蜡封试样浸水后的重量大于浸水前的重量，应重做试验。

〔4〕本试验所有称重均准确至。

成果整理和计算

〔1〕用量积法测定试样密度，按下式计算

d式中：

； d——岩石烘干密度〔g/cm3〕； md——试样烘干重量〔g〕

md AHA——平均面积〔cm2〕； H——平均高度〔cm〕。

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〔2〕用腊封法测定试样容重，按下式计算：

dmd

(m1md)(m1m2)n式中：

； d——岩石烘干密度〔g/cm3〕； md——试样烘干重量〔g〕

； m1——蜡封试样在空气中重量〔g〕； m2——蜡封试样在水中重量〔g〕

〔石蜡容重可用水中称重法测定，参见11节〕。 n——石蜡密度〔g/cm3〕

〔3〕如需天然密度时，可按下式计算：

od(10.01)

式中：

o——岩石天然密度〔g/cm3〕

。 ——岩石的天然含水量〔〕

〔4〕根据实测岩石比重和容重，按下式计算总孔隙率：

n(1式中：

； n——岩石总孔隙率〔〕

〔5〕计算值取小数点以后两位。

ds)100

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表3-1 密度试验记录表〔量积法〕

工程名称___________ 岩石名称 试 样 编 号 试 样 尺 寸 〔cm〕 直 径 或 边 长 平均值 高 度 平均值 试样 体积 (cm3) 烘干试 样重量 〔g〕 岩石 密度 (g/cm3) 备 注 班 级 组 别 日 期 试验者 计算者

表3-2 密度试验记录表〔腊封法〕

工程名称___________ 封蜡试样重量岩 石 名 称 试 样 含水量 编 号 天然含水状态 烘干 状态 (%) 空气中 水中 样体积 (cm3) 积 (cm3) 体 积(cm3) 密度 (g/cm3) 试样重量〔g〕 天然 〔g〕 蜡封试 蜡体试 样岩石 岩石天然密度 (g/cm3) 备注 班 级 组 别 日 期 试验者 计算者

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四、岩石耐崩解试验

岩石耐崩解试验是测定试样在经过干燥和浸水两个标准循环后，试样残留的质量与原质量之比，以百分数表示。

4.2试样备制

〔1〕在现场采取保持天然含水量的试样并密封。

〔2〕试样制成每块质量为40～60g的浑圆形岩块，每组试验试样数量10个。

岩石名称、颜色、矿物成分、结构、构造、风化程度、胶结物性质等。

4.4仪器设备

〔1〕烘箱及干燥器。

〔2〕天平，称量大于1000g，感量0.01g。

〔3〕耐崩解试验仪，见图1〔仪器主要由筛筒、水槽、马达三部分组成，筛筒是一个净长100mm，直径140mm，标准筛孔的圆柱体，筛筒有足够的强度且耐温105C；水槽装有由水平轴支撑并能自由旋转的试验圆筒；马达传动能使圆筒按20r/min的速度旋转〕。

图1 岩石耐崩解试验装置示意图

试验程序

〔1〕将试样装入试验仪的圆柱状筛筒内，在105～110C的温度下烘24h后，在干燥器内冷却至室温。

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〔2〕将装有试样的圆柱状筛筒放在水槽上，向水槽内注入清水，使水位在转动轴下约20mm，在10min内圆筒旋转200次。而后将筛筒和残留的试样在105～110C的温度下烘24h,在干燥器内冷却至室温称量。

〔3〕重复第二款的程序，求得第二循环后的筛筒和残留物的质量。 〔4〕必要时按第二款的程序进行五个循环。

〔5〕试验过程中，水温应保持在202C范围内。

〔6〕试验结束后，应对残留试样和水的颜色及水中沉积物进行描述。 〔7〕本试验称量精确至。

4.6试验成果整理

〔1〕按下式计算岩石耐崩解性指数

Id2式中：

mr100 md； Id2——岩石〔二次循环〕耐崩解性指数〔%〕； md——原试样烘干质量〔g〕。 mr——残留试样烘干质量〔g〕

〔2〕计算精确至0.1%。

〔3〕耐崩解试验的记录，应包括岩石名称、试样编号、试样描述、水的温度、试样试验前后的烘干质量。见表4-1。

表4-1 岩石耐崩解试验记录表

工程名称___________ 岩石名称 试样编号 循环次数 试样描述 试验前 试验后 烘干质量〔g〕 试验前 试验后 水温〔C〕 班 级 组 别 日期 试验者 计算者

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五、岩石膨胀试验

概述

〔1〕岩石膨胀试验包括岩石自由膨胀率试验、岩石膨胀率试验和岩石膨胀压力试验。 〔2〕岩石自由膨胀率是不易崩解的岩石试样在浸水后产生的径向和轴向变形与试样的原直径和高度之比。以百分数表示。

〔3〕岩石膨胀率是岩石试样在有侧限条件下，轴向受有限荷载时，浸水后产生的轴向变形与试样的原高度之比。以百分数表示。

〔4〕岩石膨胀压力是岩石试样在浸水后保持原形体积不变所需要的压力。

5.2试样备制

5取样

试样应在现场采取，并保持天然含水状态。严禁用爆破或湿钻法取样。

5试样尺寸

〔1〕自由膨胀率试验的试样，圆柱形，直径50mm或61.8mm，高等于直径；正方形试样的边长50～60mm，两端面不平行度不大于。

〔2〕膨胀率和膨胀压力试验的试样直径61.8mm，高度20，两端面不平行度不大于。

5其它要求

〔1〕干法制样时，天然含水量的变化不得超过1%。 〔2〕每组试样的数量不得少于3件。

5.3试样描述

〔1〕岩石名称、颜色、矿物成分、结构、构造、风化程度、胶结物性质等。 〔2〕膨胀变形和加载方向分别与层理、片理、节理裂隙之间的关系。 〔3〕试样加工方法。

5.4仪器和设备

〔1〕钻石机、切石机、磨石机。 〔2〕测量平台。

〔3〕膨胀试验仪〔自由膨胀率仪如图2、膨胀率仪、膨胀压力试验仪如图3〕。

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图2 自由膨胀试验装置示意图 图3 膨胀压力试验装置示意图

5.5试验程序

5自由膨胀率试验

1、仪器安装

〔1〕将试样放入自由膨胀率仪内，在试样的上下分别放置透水板，顶部放置一块金属板。

〔2〕在试样的上部和四侧对称的中心部位分别安装千分表，四侧千分表与试样接触处，宜放一块薄铜片。

2、试验及稳定标准

〔1〕读计千分表读数，每10min读计一次，直至三次读数不变。 〔2〕缓慢的向盛水器内注入纯水，直至淹没上部透水板。

〔3〕在第一小时内每隔10min测读变形一次，以后每隔1h测读变形一次，直至三次读数差不大于为止。浸水后试验时间不得少于48h。

〔4〕试验过程中，应保持水位不变。水温变化不得大于2C。

3、试验过程中及试验结束后，应详细描述试样的崩解、掉块、外表泥化或软化等现象。

5膨胀率试验

1、仪器安装

〔1〕将试样放入涂有凡士林的金属套环内，在试样的上下分别放置薄型滤纸和透水板。

〔2〕顶部放置固定金属荷载块并安装垂直千分表。 2、试验及稳定标准同5中的第2条。

3、试验结束后应详细描述试样的泥化或软化等现象。

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5膨胀压力试验

1、仪器安装

〔1〕将试样放入涂有凡士林的金属套环内，在试样的上下分别放置薄型滤纸和金属透水板，其上放置金属压板。

〔2〕安装压力传感器，并装上中心杠杆千分表。

〔3〕应使仪器各部位和试样在同一轴线上，不得出现偏心荷载。 2、试验及稳定标准

〔1〕对试样施加的压力，测千分表的读数，每10min读数一次，直至三次读数值不变，并记录千分表读数。

〔2〕缓慢的向盛水器内注入纯水，直至淹没上部透水板。观测中心杠杆千分表的变化，当变形量大于时，调节所施加的压力，保持中心杠杆千分表读数值在整个试验过程中始终不变。

〔3〕稳定标准为：开始每隔10min读数一次，连续三次读数差小于时，改为每1h读数一次，当每1h读数连续三次读数差小于时，可改为每2h读数一次，当连续三次读数差小于时，可认为稳定，浸水后总试验时间不得少于48h。

〔4〕试验过程中，应保持水位不变。水温变化不得大于2C。 3、同5中的第3条。

5.6试验成果整理

〔1〕按下式计算岩石自由膨胀率、膨胀率、膨胀压力

h100 hdVd100

dVhVhphph100

Ps式中：

； Vh—— 岩石轴向自由膨胀率〔%〕； Vd——岩石径向自由膨胀率〔%〕； Vhp——岩石侧向约束轴向膨胀率〔%〕

F A学习文档 仅供参考

； Ps——岩石膨胀压力〔MPa〕

h——试样轴向变形(mm)；

h——试样原高度(mm)；

d——试样径向平均变形(mm)； d——试样原平均直径或边长(mm)；

； hp——侧向约束试样轴向变形〔mm〕

F——轴向膨胀力〔N〕；

A——试样截面积〔mm2〕。

〔2〕计算值取三位有效数字。

〔3〕膨胀性试验的记录应包括：工程名称、试样编号、试样描述、试样尺寸、温度。 〔4〕此外还应包括：

自由膨胀率试验的记录还应包括试验的时间、轴向与径向变形；膨胀率试验的记录还应包括试验的时间、轴向变形；膨胀力试验的记录还应包括试验的时间、轴向变形，应变仪读数及压力传感器率定系数。

六、岩石冻融试验

岩石的冻融试验是指岩石在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩石试件冻融前的抗压强度与冻融后的抗压强度的比值，即为抗冻系数。

〔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，最大偏差不超过度。

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

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的关系。

〔3〕测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。

〔1〕钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。 〔2〕游标卡尺、天平〔称量大于500g，感量g〕，烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。 〔3〕低温试验箱。

〔1〕岩石试件的干燥、吸水、饱和处理应符合条款规定。 〔2〕取三块饱和试件进行冻融前的单轴抗压强度试验。

〔3〕将另外三块试件放入铁皮盒内，一起放入低温试验箱中，在-20±2℃温度下冷冻4h，然后取出铁皮盒，望盒内注入水浸没试件，水温应保持在20±2℃，融解4h，即为一个循环。

〔4〕根据工程需要确定冻融的次数，以20次为宜，严寒地区不少于25次。

〔5〕冻融结束后，从水中取出岩石试件，擦开外表水分并称量，进行单轴抗压强度试验。

〔1〕冻融质量损失率、冻融系数计算公式：

LfmsmfmsRs100

Ps ARfPfARfRs

Kf式中：

〔%〕； Lf——冻融质量损失率，

〔MPa〕; Rs——冻融前的饱和单轴抗压强度，

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〔MPa〕; Rf——冻融后的饱和单轴抗压强度，

Kf——冻融系数；

〔g〕； ms——冻融试验前试件的饱和质量，〔g〕； mf——冻融试验后试件的饱和质量，〔N〕； Ps——冻融前饱和试件破坏载荷，〔N〕； Pf——冻融后饱和试件破坏载荷，

〔MPa〕； Rf——冻融试验后饱和单轴抗压强度，〔MPa〕； Rs——冻融试验前饱和单轴抗压强度，

〔2〕计算结果保留三位有效数字。

〔3〕试验记录应包括工程名称、岩石名称、取样地点、试验人员、试验日期等信息。

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岩石力学性质试验

七、岩石单轴抗压强度试验

7.1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。

7.2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，最大偏差不超过度。

7.3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。

7.4主要仪器设备

7试样加工设备

钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。

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量测工具与有关检查仪器

游标卡尺、天平〔称量大于500g，感量g〕，烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。

7加载设备

压力试验机。压力机应满足以下要求：

〔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。

7.5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～MPa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。

7.6成果整理和计算

按下式计算岩石单轴抗压强度

c式中：

； c——岩石单轴抗压强度〔MPa〕

P AP——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7-1记录。

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表7-1 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 度(MPa) 备 注 试 样 描 述 班 级 组 别 试验者 计算者

八、岩石压缩变形试验

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。

8.2试样备制

试样备制方法和精度要求见7.2。

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8.3试样描述

试样描述见7.3。

8.4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，也可用精度能到达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

8.5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±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～MPa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。

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8.6试验成果整理和计算

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

8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，

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其斜率即为所求的弹性模量〔或称割线模量〕。

E50式中：

； E50——弹性模量〔MPa〕

50 h50； 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。

8计算岩石单轴抗压强度

c式中：

； c——岩石单轴抗压强度〔MPa〕

P AP——最大破坏载荷〔N〕；

A——垂直于加载方向的试样横截面积〔mm2〕。

8 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。

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表8-1 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〔mm2〕 载荷〔N〕 应力〔MPa〕 纵向应变 横向应变 E50= 〔MPa〕

=

c= 〔MPa〕

备 注 体积应变 班 级 组 别 日期 试验者 计算者

九、岩石抗拉强度试验〔巴西法〕

9.1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。

9.2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～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mm。两端不平行度不宜超过mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不应超过0.25度。

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9.3试样描述

试样描述同7.3

9.4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～；《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

9.5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～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。

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表9-1 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 劈裂面积(mm) 〔mm2〕 破坏最大岩石抗拉备 注 载 荷 强 度(N) (MPa) 试 样 描 述 班 级 组 别 日期 试验者 计算者

9.6成果整理和计算

〔1〕按下式计算岩石的抗拉强度

t式中：

； t——岩石的抗拉强度〔MPa〕

2P

DHP——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。

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十、岩石抗剪强度试验(变角剪切)

10.1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。

10.2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mm，四面凸起小于mm。

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

10.3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。

10.4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5mm，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～MPa 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。

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10.5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 APcos

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〕

〔度〕； ——抗剪夹具的角度〔剪力与竖直方向〕

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

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表10-1 岩石抗剪强度试验记录表 试 样 尺 寸 岩 石名 称 试 样编 号 岩 石特 征 长 (mm) 宽 (mm) 高 (mm) 面积破坏 夹具 载荷 角度 (mm2) 〔N〕 (MPa) (MPa) 剪应力正应力备 注 试 样 描 述 班 级 组 别 日期 试验者 计算者

十一、岩石三轴压缩及变形试验

11.1概述

岩石三轴试验，是在三向应力状态下测定岩石的强度和变形的一种方法。本指导书介绍的是侧向等压的三轴试验。

本规定可用于测定烘干和饱和状态的的试样，试样的含水状态用以下方法处理： 〔1〕烘干状态的试样，在105～110C下烘24h。 〔2〕饱和状态的试样，按7.1规定的进行饱和。

为了便于资料分析，在进行三轴试验的同时，应制样测定岩石的抗拉强度和单轴抗压强度。

11.2试样备制

〔1〕试样可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块，试样备制中不允许人为裂隙出现。 〔2〕试样为圆柱体，直径不小于5cm，高度为直径的2～倍。试样的大小可根据三轴试验机的性能和试验研究要求选择。

〔3〕试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，每种情况下必须制备5～7个。 〔4〕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，最大偏差不超过度。

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11.3试样描述

试样描述见7.3。

11.4主要仪器设备

〔1〕试样加工设备，量测工具与有关检查仪器见7，7.4.2。 〔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，也可用精度能到达0.1 %和量程能满足变形测定需要的其它仪表。

〔4〕三轴应力试验机〔见图11〕。

轴向应力控制台 三轴试验机加载架 侧向应力控制台 三轴压力室

图11 TYS-500岩石三轴试验机

11.5试验程序

11试样的防油处理

首先在准备好的试样外表上涂上薄层胶液〔如聚乙烯醇缩醛胶等〕，待胶液凝固后，再

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在试样上套上耐油的薄橡皮保护套或塑料套，与试样两端的密封件配合，以防止试样试验中进油及试样破坏后碎屑落入压力室。

11安装试样

把密封好的试样放置于保护筒中，将压力室顶部的螺旋压帽组件卸下并吊装在横梁上升起，然后将放置于保护筒中的试样，用卡杆吊放入三轴试验机的压力室内。保护筒的下端有一凸出的球柱，此时要注意使球柱对准压力室底部中心的圆销孔，并放置平稳。试样在压力室中安置好后，即可向压力室内注油，直至油液到达预定的位置为止，然后用螺旋压帽组件封闭压力室。

11安装测量变形仪表

〔1〕用测微表或位移传感器适用于测定试样的纵向变形，测表可按装在压力室顶部，三轴试验机压力室构件的变形，应在试验前率定，在计算变形时予以扣除。

〔2〕用电阻应变仪可测定试样的纵向和横向应变。试验前在试样上贴上电阻应变片，将试样上焊接好的导线从压力室的导线孔中引出，与应变仪连接。

图12 三轴试件示意图

11侧向应力选择

须考虑下述条件：

〔1〕所选定的侧向应力须使所求的莫尔包络线能明显的反映出所需要的应力区。〔工程试验中，岩样所在位置的侧向应力一般由实测而确定，也可由计算而给出〕。

〔2〕应适当地照顾到莫尔包络线的各个阶段。

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〔3〕最小侧压力的选定，应考虑试验机的精度。

11选择轴向载荷量程

根据已选定的侧向应力值，按下述经验公式选择轴向载荷量程：

Pmax(ck3)A

式中：

； Pmax—— 可能的轴向破坏载荷〔N〕； c——试样的单轴抗压强度〔MPa〕； 3——侧向应力〔MPa〕

k——系数，其值为4～7；

A——试样的横截面积〔mm2〕。

11加载速度

试验时，先施加侧向压力到预定值，其加载速度宜控制在每秒MPa左右，以保持侧向压力稳定性，整个试验过程中侧向压力的变化范围不得超过预定值的2%，然后以每秒MPa的加载速度施加轴向荷载，直至破坏，并记录破坏时的最大载荷及相应的侧向压力值。

11变形记录

在施加轴向荷载的过程中，同步记录下各级应力下的纵向和横向应变〔采用电阻应变仪〕或纵向变形值〔采用测微表〕。为了绘制应力～应变曲线〔如图15〕，测点应尽量多一些，一个试样通常不少于10组测值，记录表格见表11-1。

11破裂形式描述

试验结束后，取出试样，进行破坏形式描述。

11.6成果整理和计算

11计算不同侧向应力下的轴向应力值

1式中：

P A； 1——不同侧向应力时的轴向应力值〔MPa〕

P——轴向破坏载荷〔N〕；

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A——试样的横截面积〔mm2〕。

11根据轴向应力σ1和侧向应力σ3求岩石的内摩擦角和粘聚力C

σ1(MPa)3503002502001501005000204060σ3(MPa)

图13

τ(MPa)1～3最正确关系曲线

20017515012510075502500255075100125150175200225σ(MPa)250 图14 莫尔应力圆

〔1〕以1为纵坐标，3为横坐标绘制1～3最正确关系曲线〔直线〕，如图13所

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示，按下式直接求C，值：

Cc1sin 2cosk1 k1arcsin式中：

C——岩石的粘聚力〔MPa〕；  ——岩石的内摩擦角〔度〕；

； c——1～3最正确关系曲线纵坐标的应力截距〔MPa〕

k——1～3最正确关系曲线的斜率。

〔2〕在1～3最正确关系曲线〔直线〕上选定假设干组对应的值，在剪应力与正应力坐标图上以(13)/2为圆心，以(13)/2为半径绘制莫尔应力圆〔如图14〕，根据莫尔～库仑强度理论确定三轴应力状态下岩石的抗剪强度参数。

11绘制应力--应变曲线

〔1〕用测微表测定变形时，轴向应变按下式计算：

hL LLL1L2

式中：

h——轴向应变值；

L——试样高度〔mm〕；

L——试样压缩变形值〔mm〕；

； L1——测定的总变形值〔mm〕

。 L2——三轴压力室构件的变形值〔mm〕

〔2〕用电阻应变仪测定应变时，按下式计算试样的体积应变值

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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--应变关系曲线，如图15所示。

图15 三轴抗压强度应力～应变曲线图

〔4〕根据应力--应变关系曲线，分别计算弹性模量，泊松比:

E50式中：

； E50——弹性模量〔MPa〕

(13)50h50

； (13)50——相当于50%主应力差的应力值〔MPa〕

h50——应力为抗压强度50%时的纵向应变值。

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〔5〕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——应力为主应力差50%时的横向应变值； h50——应力为主应力差50%时的纵向应变值。

表11-1 岩石三轴试验记录表

工程名称____________ 试 样 尺 寸 岩石 试样 名称 编号 受力 方向 含水直径状态 (mm) (mm) (mm2) 高度横截面积 3(MPa) (N) 侧向应力坏载荷 1(MPa) E(MPa)  最大破轴向应力 弹性模量 泊松比 备注 粘聚力C= 摩擦角φ= 试 样 描 述 班 级 组 别 日期 试验者 计算者

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十二、岩石弱面剪切强度试验

12.1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。

12.2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16〕。 水泥浇筑试件 弱面试件 水泥浇筑试件

图16 弱面试件制备示意图

12.3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。

12.4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。

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12.5试验程序

〔1〕试验装置如图17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17 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，当法向应力到达一预定的值后，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～0.5mm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。

12.6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 A学习文档 仅供参考

Q A式中：

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〕〔N〕；

； ——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)35030025020015010050002468σ=200Kpaσ=400Kpaσ=600Kpaσ=800KpaD（mm）10

图18 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18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19所示〕，从而图解求的岩石弱面的摩擦角，粘聚力Ｃ。

τ(KPa)500450400350300250200150100500050100150200250300350400450500

图19 剪应力与法向应力〔～〕关系曲线图

学习文档 仅供参考 σ（KPa）〔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〕。

十三、点载荷指数的测定

13.1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。

13.2试样备制

岩石点载荷指数试验〔如图20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20 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

13.3设备仪器

点载荷仪〔如图21〕，游标卡尺等。

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加载架 数显表头 千斤顶

图21 点荷载试验装置

13.4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。

13.5试验数据分析整理

〔1〕点载荷指数按下式计算

Is式中：

； Is——点载荷指数〔Mpa〕

P 2DP——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 = ，球形试样，k1 = ，不规则样，k1 = ～。 〔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

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应的等于24、、21和18。

十四、岩石纵波速度测定

14.1概述

弹性波在介质中的传播速度与其致密程度有关，一般情况下，完整岩块的纵波速度大于存有各种结构面的岩体纵波速度。测定纵波在岩石试样中的传播速度，一般利用柱形试样，试样端部磨平，探头与试样之间用黄油或凡士林偶合，在其一端用发射探头向岩石发射脉冲信号，在另一端接收这个信号，以所经历的时间除试样长度，便得纵波速度。

图22 岩石超声波试验装置

14.2试验数据分析整理

〔1〕按下式计算纵波速：

Vp式中：

L103

tpto； Vp——岩石试样中的纵波速度〔m/s〕

L——岩石试样长度，即发射和接收探头之间的距离〔mm〕；

； tp——由起始讯号到初至波的时间〔s〕

to——仪器的对零读数，即发射和接收探头直接偶合时起始讯号到初至波的时间读值

〔s〕。

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〔2〕按下式计算岩石的动弹性模量：

E动Vp103

式中：

2E动——岩石的动弹性模量〔Mpa〕;

； Vp——岩石的纵波速度〔m/s〕

——岩石容重〔g/cm3〕；

十五、岩石力学伺服控制刚性试验

普通的力学试验机是由加载架、液压系统和测量系统组成，长期以来大多数岩块的变

形与强度性质的试验都靠普通试验机来完成。但在实践中发现，在进行岩石力学试验时，当到达岩石峰值强度的瞬间，往往会发生岩石试件“爆裂”现象，以至于很难测得接近或到达峰值时的应力与应变关系，更无法获得峰值以后的信息。

岩石试件发生“爆裂”现象主要是：1〕试验机的刚度比岩石试件的刚度小；2〕当岩石发生破裂承载力下降时试验机不能主动“让压”。

目前岩石力学试验克服岩石试件发生“爆裂”的途径是：1〕提高试验机的刚度；2〕伺服控制试件的变形。

刚度是指材料抵抗外力变形的能力：

KPEA lL式中：

K——材料刚度；〔MN/mm〕 P——外力，〔Ｎ〕； l——位移，〔mm〕； E——材料弹性模量，〔MPa〕； A——材料有效面积，〔mm2〕； L——材料有效长度，〔mm〕。

一般岩石的刚度都大于0.5MN/mm，而普通的试验机的刚度只有0. MN/mm，在加载过程中，试验机和试件都储存弹性势能：

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11P2试验机的弹性势能：EmPum

22Km11P2岩石试件的弹性势能：ErPur

22Kr在普通试验机上进行岩石力学试验时可以看出Em＞Er，在岩石试件破裂的瞬间，岩石试件的承载能力降低，同时其弹性势能也伴随裂纹的扩张、声响、震动和热能而消耗掉；

但试验机的弹性势能并没有消散，它会完全释放给岩石试件，那么使得岩石试件吸收比自身的弹性势能大出很多倍的势能，使得岩石试件不能承受这么大的弹性势能，因此发生“爆裂”现象。

如果提高试验机的刚度，即Km，那么试验机在加载的过程中自身储存的弹性势

1P2能就很小，即limEmlim0，在岩石试件破裂的瞬间，试验机不会释放弹性

KmKm2Km势能或释放很少的弹性势能给岩石试件，这时岩石试件就不会发生“爆裂”现象。

图23 电液伺服控制系统示意图

电液伺服控制系统其控制方式如图23：由自控系统发出的指令信号，在伺服控制器中

与油缸的实际位置信号相比较，成为误差的信号放大后，送入电液伺服阀。伺服阀按一定的比例将电流信号转变成液压油量推动油缸运动。位置传感器监测活塞所在位置是否符合指令信号，同时发出的反馈信号到伺服控制器，直至于指令信号相等时，油缸停止运动。油缸停在指定的位置上，使伺服阀稳定在一定的开度上，这种控制方式称为闭环控制方式〔Closed loop〕。

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在岩石力学试验过程中，当岩石试件反馈的变形速率信号与预定的的信号不一致的时候，伺服控制器会产生相应的比较信号，推动伺服阀动作，加大或是减小加载装置的油源供应量，使岩石试件的变形速率始终控制在适当的范围内。当岩石试件发生破裂的瞬间，其承载能力减低，变形速率加大，这时伺服控制器会主动闭合伺服阀门，减少油源的供应量，起到主动“让压”的作用，使得岩石试件克服“爆裂”现象，因此能够得出岩石试件峰值以及峰值以后的变形信息〔见图24〕。图中阶段A为微裂隙与孔隙闭合，非线性变形；阶段B为可恢复弹性变形；阶段C是微裂隙处于单个稳定传播阶段，在该阶段，岩石从弹性变为塑性的转折点称为屈服点，岩石体积不变的点所对应的强度称为长期强度 ，其值大约为峰值强度的80％左右，从图中可以看出在该点曲线的切线斜率发生了改变；阶段D是破裂事件加速增加，体积变化也加速增加，开始发生扩容，形成拉伸或剪切破坏面的阶段。从图中可以得出，B、C阶段应力应变曲线近似直线，当岩石试件的强度到达长期强度时，岩石开始发生扩容，从曲线上可以看出其切线〔割线〕模量发生了变化，随着时间增加其切线模量逐渐变小，当到达峰值强度时，其切线模量为零。

图24 岩石三轴压缩全应力应变图 目前，国内外生产的电液伺服刚性试验机的厂家有很多，如美国MTS公司、日本岛津公司以及长春朝阳试验机。北京科技大学土木与环境学院引进了长春朝阳试验机的两台套电液伺服岩石三轴试验机和电液伺服刚性压力试验机。该试验机的刚度可达10MN/mm，可实现应力、变形、位移、围压、水压等伺服控制。

图25 电液伺服岩石三轴试验机和电液伺服刚性压力试验机

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十六、岩石声发射试验

材料或结构受力作用时会发生变形或断裂，其以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射(acoustic emission，AE)。同其他材料一样，受力的岩石因储存在其结构内部的应变能的释放而诱发产生脉冲，这种脉冲以弹性波的形式出现，一个声发射信号可定义为一个瞬态弹性波。此现象早在1937年就由美国矿山局的L. Obert 和W. Duvall 发现，并于1940 年在阿米克铜矿监测到爆发性声发射，预报岩爆的来临。此后，声发射技术广泛应用于金属矿山、煤矿及隧道工程的岩体稳定性与安全性问题的监测与预报，并逐渐扩大到边坡稳定等领域。岩石声发射作为岩石破坏过程中的一种伴生现象，蕴含着岩石内部破坏过程的许多信息。声发射方法作为岩石微裂纹及扩展的预报手段，监视岩石或岩体破坏的发生及地震预报具有重要价值

岩石声发射试验装置

岩石声发射试验装置是由岩石力学试验加载系统和声发射监测系统两部分组成，在试验中，将声发射探头涂耦合剂固定于岩石试件外表，然后将试件置于试验机的加载板上。调整试验机和声发射监测系统的初始时间为零，然后开始加载，同时记录其声发射信号。

图26 声发射试验装置示意图

岩石声发射试验

当岩石受力变形时,岩石中原有的或新产生的裂隙周围应力集中,应变能较高;当外力增加到一定大小时,有裂缝缺陷部位会发生微观屈服或变形,裂缝扩展,从而使得应力松弛,贮藏的部分能量将以弹性波的形式释放出来,这就是声发射现象。由此可知,声发射是在岩石受力和发生变形过程中产生的,可以根据岩石声发射的多少、大小、频率等参数了解到岩石的变形破坏过程。岩石的声发射特性与其变形过程有很多内在联系〔见图27〕,在岩石的声发射

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特性与应力——应变全过程曲线模型中蕴含有大量的信息，可以得到很多有价值的科学结论。

60应力-应变曲线振铃计数率-应变曲线应力（MPa）振铃计数率（×1000）5040302010000.20.40.60.811.2位移应变（%） 图27 应力/振铃计数率与应变的关系曲线

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