岩石的几种试验法

实验一 岩石的抗拉强度实验

一、原理

抗拉强度是岩石力学性质的重要指标之一。由于岩石的抗接强度远小于其抗压强度，故在受载时，岩石往往首先发生拉伸破坏，这一点在地下工程中有着重要意义。

由于直接拉伸试验受夹持条件等限制，岩石的抗拉强度一般均由间接试验得出。在此采用国际岩石学会实验室委员会推荐并为普遍采用的间接拉伸法（劈裂法，又舟巴西法）测定岩样的抗拉强度。由弹性理论可以证明，圆柱或立方形试件劈裂时的抗拉强度由下式确定

DtPubt2

式中：Pu—试件破坏时的荷载；

D—圆柱体试件的直径或立方体试件高度；

t—圆柱体试件厚度或立方体试件宽度。

止式认为在试件破裂面上的应力为均匀拉应力，实际上在试件受压接触点处，压应力值大于均匀拉应力值的12倍以上，然后迅速下降，以圆柱试件为例，在距圆柱试件中心大约0.8r（半径）处，应力值变为零，然后变为拉应力，至圆板中心附近拉应力取最大值，因此做劈裂试验时常在圆柱样中心附近首先产生拉伸断裂，圆柱体试件受压直径面上的应力分布如图1－1所示。

图1－1

二、仪器设备

1．压力机，规格10吨；

2．试样加工设备：钻石机、切石机、磨光机、卡尺、角尺、测量平台、放大镜、金刚砂、玻璃板、烘箱、干燥器等；

3．垫条：直径为1.5mm或为2.0mm的钢丝。

三、操作步骤

1．试样制备

规格为φ5厘米或5×5厘米的岩样，每组3个，加工允许尺寸误差小于⊕ r

r

P P 0.2mm，两端面平行度小于0.1mm，端面应垂直于试样轴线，最大偏差小于0.25度。对于非均质粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比应满足标准试样的要求。

2．试样安装

将准备好的试样连同垫条按图1－1所示的形式旋转在压力机上下压板间，然后调整压力机的横梁或活塞，使试样固定，应注意使试样上、下两垫条刚好位于包含压力机加荷板中心线的垂直面内，以避免荷载的偏心作用。

3．施加荷载

以每秒3~5kg/cm2的加荷速率加压，直至试样破坏，记录最大破坏荷载，并描述试样破坏情况。

四、成果计算

按上式计算岩石抗拉强度，计算值取至小数点后一位。

五、记录试验数据，分析试验结果

岩石劈裂法试验记录表

工程名称

试验者

试验日期 校核者

岩石名称 试样编号 受力方向 含水状态 试样尺寸

破坏的

最大荷载

（kg） 抗拉

强度

（kg/cm2） 平均抗

拉强度

（kg/cm2） 备

注 平均

直径

或边长

（mm） 平均

高度

（mm） 劈裂

面积

（mm2）

实验二 岩石的抗剪强度实验

一、原理

岩石的抗剪断强度，是岩石在外部剪切力作用下，抵抗剪切破坏的能力。通过岩石剪切试验，确定岩石剪切破坏时剪切面上的正应力σ与剪应力τ之间的关系，确定岩石的内摩擦角φ和凝聚力C，从而获得岩石的抗剪断强度。

岩石抗剪断试验方法包括单剪法、双剪法、变角板法、斜角压切法和扭转剪切法等。本次试验采用变角板法，将岩石试样置于特制的夹具中，放在压力机的上、下压板之间，利用压力机施加垂直荷载，使整体试样沿所限定的剪切角剪断（图2－1），根据静力平衡条件分析剪断面上所受的法向应力和剪应力，绘制法向应力和抗剪断强度关系曲线，求得岩石的凝聚力和内摩擦角。

图2－1 变角板法装置示意图

二、仪器设备

1．试样加工器具，锯石机、磨光机、卡尺、角尺、金钢砂、玻璃板、烘箱等；

2．100~200吨压力机；

3．专门夹具一套，夹具倾角α＝30°、40°、50°、60°、70°。

三、操作步骤

1．试样制备

试样为岩芯或岩块，用锯石机锯取，并做一定的磨光处理，尺寸为7×7×7厘米或5×5×5厘米，试样每组不少于6个，描述试样特征，并用色笔在试样上划出中心线，注明试样的切剪角。用卡尺逐个测量试样尺寸，计算剪切面积。

2．安装试样

将夹具连同试样放在压力机下压板上，以压力机轴为准对准中心，并在夹具周围放置防护罩。调整压力表指针至零点。

3．加荷观测

关上压力机回油阀，打开送油阀，接上电源，以每秒钟1~2kg/cm2的速度加荷。观察压力表指针的移动。当试样发生初裂时，记下当时的荷重，直至试样破坏为止。由此荷重便可确定岩石的极限抗剪强度。

4．描述试样

升起压力机上压板，取出被剪断的试样进行破裂外貌描述，并保留试样。

5．重复试验

分别以不同α角的夹具重复2、3、4步骤进行试验，取得不同α角时岩石剪断时的荷重。

6．试验结果整理

（1）计算不同α角的夹具下试样剪断时所受正应力和剪应力：

)cos(sin)sin(cosfAPfAP

式中：—剪断面上的法向压应力（公斤／厘米2）；

—剪断面上极限剪应力（公斤／厘米2）；

P—压力机加在夹具中试样上的最大铅直荷重（公斤）；

A—剪断面面积（厘米2）；

f—滚珠的摩擦系数，由摩擦校正试验决定；

—用夹具固定的剪断面与水平面的夹角（度）。

（2）绘制岩石极限强度曲线：

以每一α角剪断面上的正应力σ为横座标，剪应力τ为纵座标，连接各点得σ-τ曲线。

（3）由σ-τ关系曲线计算抗剪断强度指标C和Φ值；

a、按曲线整理

如图所示，内摩擦角为Φ′凝聚力为C′抗剪断强度为

τ=σ设tgΦ′+C′

b、按直线整理

按最小二乘法求得直线方程

τ=σ设tgΦ″+C″

四、记录试验数据，分析试验结果

试样 剪断面 荷重(kg) 正应力

(kg/cm2) 剪应力

(kg/cm2) 平均抗剪断强度值

编

号 状

态 面积

(cm2) 与

层

理

关

系 放

置

角

度 初

裂

时 破

裂

时 初

裂

时 破

裂

时 初

裂

时 破

裂

时 Φ

(度) C

(kg/cm2)

实验三动力法测定岩石的硬度

一、原理

动力法测定岩石硬度包括肖氏法和摆球法等。本次试验采用北京地质仪器厂生产的摆球硬度仪（图3-1），进行摆球硬度法测定岩石硬度。

一定重量的钢球，从一定高度自由下落冲击到抛光的岩样面上，摆球在冲击岩石的过程中，由于能量的转化与消耗，在回跳一定的次数后，每次的回弹角逐渐减小，直至为零。用摆球的回弹次数表征岩石硬度，以回弹角表征岩石的塑性和弹性恢复系数。

二、仪器设备

1．岩样加工机具，锯石机、磨光机、抛光机、金刚砂、玻璃板、卡尺、烘箱等；

2．摆球式硬度仪。

图3-1摆球硬度仪

1．底盘；2.岩样；3.刻度盘；4.摆球；5.水平调节螺钉

三、操作步骤

1．岩样制备

岩样可选用有代表性、完整、无明显裂隙的岩心制作。用锯石机将岩心切成直径Φ=40mm，长度L=50mm，再用磨光机和抛光机加工岩样两端面，一端抛光面粗糙度为0.1（相当于▽10），另一端磨光面粗糙度为0.8（相当▽7）。岩样两端面不平行度不大于0.15mm，端面与轴向不垂直度不大于1°。描述岩样特征及岩性。

2．调试仪器 （1）调整水平调节螺丝5，使仪器底座1处于水平状态；

（2）调整摆球牵引线长度，使摆球自然下垂，对准岩样中心；

（3）调整并固紧支柱，使摆球自然下垂，摆线对准支柱中心线；

（4）调整刻度盘3，使摆球自然下垂，摆线对准角度零。

3．安装岩样

（1）在离岩样中心点1—2cm处布置5个点（图3-2），并用彩色笔标注编号；

（2）将岩样摆放在测定台上，转动螺旋手轮，顶紧岩样；

（3）使摆球自然下垂，调整岩样，使摆球对准第一个测点；

（4）将摆球夹在摆球夹中，作好测定准备。

4．测定

（1）左手按下摆球夹，使摆球自由下落冲击岩样；

（2）准确地目测并读出摆球第一次回弹角（θ）；

（3）跟随摆球回跳，数着摆球回跳次数，直到摆球停止摆动为止，记下摆球回跳次数（N）。岩样第一测点硬度测定完毕。

（4）转动螺旋手轮，调整岩样，使摆球对准第二个测点，重复（1）—（3）动作，完成第二测点的测定。

（5）再依次重复（1）—（4）动作，完成一个岩样5个点的硬度测定。取5个点的平均值，即为该岩样的硬度值。

5．对比试验

选择不同岩性、硬度的岩样，重复1—4操作步骤，再测定一个岩样。将两种岩样的测定结果进行对比，分别确定它们的摆球硬度值。

6．差异修正

摆球法测定岩样的标准直径应为40mm，如果大于或小于40mm直径的岩样，测定结果须进行尺寸效应修正，公式如下：

11)3581(NDN

图3－2 1

2

3 4 5 式中N——修正后的摆球硬度，次；

N1——大于或小于Φ40mm直径岩样测试硬度值，次；

D1——受测岩样的直径，mm。

四、记录测定数据，计算分析试验结果

岩样编号 摆球第一次回弹角（θ） 摆球回跳次数（N）

1 2 3 4 5 平均 1 2 3 4 5 平均