实验三 岩石的剪切强度试验

实验三 岩石的剪切强度试验

一、实验目的与要求

岩石在剪切载荷作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度，是反映岩石力学性质的重要参数之一。剪切实验根据剪切面上有无正应力分为直剪实验和压剪实验。通过采用压剪实验即角模压剪实验测得岩石的内摩擦角和黏聚集力。

通过本实验要了解标准试件的加工机械、加工过程及检测程序了解岩石抗剪实验所用模具的结构组成、掌握实验过程及实验数据处理的方法。 二、实验仪器 （一）设备

1. 材料实验机。

2. 岩石试样加工机械：锯石机、磨石机或磨床。

3. 变角剪切夹具。 （二）量具

1. 游标卡尺，精度0.02mm 。

2. 钢板尺。

3. 直角尺。

4. 百分表架。

5. 百分表。

6. 水平检测台。

三、试件规格、加工精度、数量 (一) 标准试件

采用5cm ×5cm ×5cm 的正方形试件。 (二) 加工精度

1. 试件各边长公差不得超过+0.3

−0.1

mm

2. 两端面不平行度不大于0.1mm 。

3. 相邻两平面的不垂直度：将试件放在水平检测台上，用直角尺紧贴试件垂直边侧，要求

两者之间无明显缝隙 (三) 试件数量

应根据实验方式确定，当取5个以上的剪切角度，每个角度下做一个试件的剪切试验时，所需试件最低数量为5个；当取3个角度，每个角度下做3个试件的剪切实验，取其算术平均值时，所需试件最低数量为9个。当采取第二种实验方式时，在计算平均值的同时，应计算偏离度。若偏离度超过20%，则应增补试件数量，使偏离度不大于20%。 四、实验原理

通过变角剪切夹具作用在试块上的力P 可分解为与剪切面垂直的正应力和与剪切面平行的剪应力。当P 大到某一值时，剪应力大于岩石的黏聚力与因正应力而产生的摩擦力之和时，岩石即被剪切破坏。此时，可通过已知的α值和破坏载荷P ，计算得到几组正应力σ和剪应力τ，最终通过绘图和计算求得岩石的黏聚力C 与内摩擦角ψ。 五、实验内容

1. 了解标准试件的加工机械、检测机具，规程对尺寸和精度的要求及检测方法；

2. 学会材料实验机的操作方法及变角剪切模具的使用方法；

3. 学会变角剪切实验方法，岩石的内摩擦角及黏聚力的计算方法。

六、实验步骤

1. 对岩石进行分组编号，记为1组（1,2,3号），2组（4,5,6号），3组（7,8,9号）填入表1

内；

2. 1组试件剪切角均为70°，2组试件剪切角均为60°，3组试件剪切角均为50°，在试

件上画出剪切线；

3. 检查试件加工精度，测量试件尺寸，并填入表1内；

4. 选择压力机度盘值时，一般满足下式：0.2P0

5. 调整材料试验机度盘指针为零，使材料试验机处于工作状态。将已调好角度的变角剪切

夹具下座放在材料实验机上，使中心线与承压板中心线重合，装上试件并安好夹具上座，调整承压板球形座，使变角剪切夹具受力均匀。按操作规程开动材料试验机，施加数百牛载荷，检查试件及变角夹具放置是否良好，若产生偏载需卸载重调。

6. 夹具与试件调整好后，以0.5~1.0MPa/s 的速度加载直至试件破坏。加载时，人员应离

开工作台，并采取适当的保护措施。 7. 对试件破坏情况进行描述或者拍摄。 七、实验数据处理 表1

(注：为方便剪切面积取其截面积) (一) 剪切破坏面上正应力和剪应力

σ1=

10c F

P 1

⨯αos =0.625MPa σ3=

10c F

P 2

⨯αos =1.29MPa 同理 σ4=1.798MPa σ5=1.648MPa σ6=2.664MPa

σ7=3.173MPa σ8=2.666MPa σ9=5.087MPa

τ1=

10sin F

P 1

⨯α=1.68MPa

τ3=

10sin F

P 2

⨯α=3.547 MPa 同理τ4=3.115MPa τ5=2.854MPa τ6=4.615MPa

τ7=5.496MPa τ8=4.617MPa τ9=8.811MPa 平均正应力：σp1=

⨯21

(σ1+σ3)=0.958MPa σp2=⨯31(σ4+σ5+σ6)= 2.036 MPa

σp3=⨯3

1(σ7+σ8+σ9)=3.642MPa

平均剪切力：τp 1=

⨯21

(τ1+τ3)= 2.614MPa τp 2=⨯31(τ4+τ5+τ6)= 3.528MPa

τp 3=⨯3

1(τ7+τ8+τ9)= 6.308MPa (二) 偏离度的计算

M σ1=1

)(1

2

--∑=n n

i p i σσ=0.47MPa M σ2=0.548MPa M σ3=1.267MPa

M τ1=

1

)(1

2

--∑=n n

i p i

ττ

=1.302MPa M τ2=0.950MPa M τ3=2.212MPa

V σ1=

%100M ⨯p

σσ

=49.1% V σ2=26.9% V σ3=34.8%

V τ1=

%100M ⨯p

ττ

=50.5% V τ2 =26.9% V τ2 =35.15%

(三) 绘制岩石强度曲线

分析：由于此次实验数据不符合要求，其主要原因是试件不标准，故不处理实现数据，仅将方法罗列如下

1. 将各测定角度下的平均正应力和平均剪应力画在σ—τ直角坐标系中，用曲线板连成曲

线。