岩石实验培训讲学

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1、第 一 篇 岩 石 试 验,岩土工程类(岩石、土工 、土工合成材料)培训,第一章 绪论 第二章 岩石的种类与组成 第三章 岩石的力学性质 第四章 岩石的物理性质试验 第五章 岩石的力学性质试验 第六章 工程实例,内容提要,第一章 绪 论,一、岩石力学的定义与分支学科 二、研究内容与研究方法 三、岩石力学的形成与发展,一、岩石力学的定义与分支学科 1.定义 岩石力学(Rock Mechanics) 是力学的一个分支学科，是研究岩石在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。 岩石力学(Rock Mechanics) 国际岩石力学学会（ISRM） 中国岩石力学与工

2、程学会（CSRME）,第一章 绪 论,工程岩石力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。 构造岩石力学为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。 破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。,2.分支学科,第一章 绪 论,边坡岩体力学研究框图,边坡岩体地质特征（地层、岩性、结构面特征及分布、地下水等）

3、,岩块、结构面力学性质（室内试验：求变形、强度参数）,应力条件（建筑物作用力、天然应力、水压力、地震力等）,地质模型建立 （平、剖面图）,岩体力学性质，力学参数（现场试验、模拟试验）,开挖后的重分布应力、大小,力学模型建立（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理.）,稳定性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元.）,综合评价,工程设计要求,工程设计,处理方案或修改角,施工,安全系数,稳定、合理,不稳定、不合理,工程地质研究方法,试验法,数学、力学分析法,综合评价法,岩体的地质特征 岩块、结构面的力学性质 岩体的力学性质 岩体中天然应力 岩体中重分布应力 稳定性计算与评价 工程处理与加固,研 究

4、 内 容,第一章 绪 论,2.研究方法 工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料 试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数 数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计和施工提供定量依据 综合分析法 采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论,第一章 绪 论,四、岩石力学的形成与发展,1.形成历史 1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。 同年，国际大坝会议设立了岩石力学分

5、会。 1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。 1957年，第一本岩石力学专著出版。 1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。 1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。 1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。,第一章 绪 论,2.发展动态 岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学 机理问题 裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题 岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题 软岩的力学特性及其岩体力学问题 水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题 高地应力岩体力学问题 岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术 岩体动力学、水力学与热力学问题

6、岩体流变与长期强度问题 岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。,第一章 绪 论,第二章 岩石的种类与组成,一、岩石的种类 二、岩石的组成,岩浆岩（火成岩） 沉积岩 变质岩,一、岩石的种类,地核,上地幔(上地函),下地幔 (下地函),地壳,地球可分为三层。地核、地幔和地壳。,地球的内部结构,岩浆,地球內部結构温度分布图,二、岩石的组成,石英、长石和云母都是自然界的矿物; 所有的岩石都是由一种或几种矿物组成的,花岗岩,长石,水晶,云母,放大了30倍的花岗岩。,石英长石,石英,石英是花岗岩 中常见的矿物， 色淡，硬度大。,长石,花岗岩有两种 长石，它们都 发育成良好的 晶体。,云母,在花岗岩中，

7、云母呈小而发光的晶体，有深色的黑云母和浅色的白云母两种。,大水晶,方解石,黄铁矿,辉铜矿,常见的矿物,赤铁矿,黄铜矿,铁矿石,铜矿石,金刚石,蓝晶石,水 晶,蓝铜矿,铜水晶,莹石,云母,石墨,岩石的力学性质,变形特征 强度特征,第三章 岩石的力学性质,一、应力应变曲线,二、强度(简单应力),主要内容,三、强度(复杂应力),四、弹性,外力性质 动载荷 静载荷 外力方式 拉伸 压缩 剪切 应力状态 单向 双向 三向,岩石强度与外力有关,应力应变曲线,BC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，

8、曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。,CD段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。CD段以脆性形态为其特征。,点B：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，S称为屈服应力。,二、简单应力条件下岩石的强度,岩石的强度,抗压强度 抗拉强度 抗压强度 抗弯曲强度,通常情况下： 抗压抗剪抗弯抗拉强度,强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验,岩石的强度,岩石抗压缩强度,指岩石抵抗外力压缩的能力其大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获得。,岩石抗拉伸强度,*设计恰当的夹紧机构； *制备一定形状的岩样； *确保

9、加载方向严格平行于岩样轴线。,实验要求,测量方法,间接抗拉伸强度试验,直接抗拉伸强度试验,破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。 岩石的抗张强度可按下式计算：,巴西劈裂实验,复杂应力条件下的岩石强度,常规三轴试验,(a)液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）,1,2 = 3,(c)液压作用下的压扭试验,(b)三个液缸的柱塞进行三面压缩试验（真三轴试验）,1,2,3,(d)液压作用下的两面柱塞压缩试验,1,P=2 = 3,3,P=1 = 2,（a）压缩试验,（b）拉伸试验,库仑剪切强度曲线,三轴应力下岩石的强度和变形的特点,O,A,B,库仑-莫尔强度理论,岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切

10、滑动面)的垂直(法向)压应力的增加而增大的。,三轴应力作用下岩石机械性质的变化,两方面显著变化,一：随着围压的增大，岩石强度极限增大。 （）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的； （）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力范围内都相同。,二：随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。,第四章 岩石物理性质试验,岩石含水率试验 岩石吸水性试验 岩石颗粒密度试验 岩石块体密度试验 岩石膨胀性试验 岩石耐崩解性试验 岩石抗冻性试验 岩石（体）声波测试试验,岩石物理性质试验,岩石含水率是岩石试件在105110度,烘干至恒量时所失去水的质量与试件干质

11、量的比值，以百分数表示。 影响岩石试件天然含水率因素很多。 烘干标准对岩石试件天然含水率测定的影响比较明显。关于试件的烘干标准，一种是时间控制，另一种是称量控制。,一 岩石含水率试验,二 岩石吸水性试验,岩石吸水性采用自然吸水率、饱和吸水率和饱水系数等指标表示。 岩石吸水性对岩石的风化程度比较敏感，在国外常作为风化指标。 岩石吸水性试验每组试件块数不少于3块。自然吸水率采用在大气压力和室温条件下自然吸水法测定，试件全部浸入在水中自由吸水48h。岩石饱和吸水率采用煮沸或真空抽气法测定，煮沸法煮沸时间不少于6h。 岩石吸水性试验的吸水时间对其成果的影响不能忽视，从大量的试验资料分析，采用自由吸水进

12、行吸水性试验时，当浸水时间为24h，岩石试块平均吸水量一般可达到绝对吸水量的85%,三 岩石颗粒密度试验,岩石颗粒密度是岩石固相物质的质量与体积的比值，采用比重瓶法或水中称量法测定 。 比重瓶法测定岩石的颗粒密度，又分为土工试验方法、岩石试验方法和建筑材料试验方法三种。 试验方法 样品 影响因素,四 岩石块体密度试验,岩石的块体密度是指单位体积的岩石质量，是岩石试件的质量与其体积之比。 岩石的块体密度试验量积法适用于能制备成规则试件的岩石；水中称量法适用于除遇水不崩解、不溶解和不干缩湿胀的其他各类岩石；密封法适用于不能用量积法或直接在水中称量进行试验的岩石。,五 岩石膨胀性试验,岩石膨胀特性的

13、指标有岩石自由膨胀率、侧向约束膨胀率和体积不变条件下膨胀压力。 测定岩石膨胀压力的试验方法有平衡-加压法、膨胀-加压恢复法和加压-膨胀法三种试验方法。 岩石试件的含水率对测试成果的影响尤为明显，因为具有膨胀特性的岩石，吸水膨胀。试验前试件的含水率应尽量接近天然含水状态，实行干法加工。 岩石膨胀特性稳定时间： 膨胀试验时间一般在48h以内，膨胀压力试验则往往超过48h。,六 岩石耐崩解性试验,岩石的耐崩解性是指岩石在干湿交替作用下抵抗崩解的能力。 岩石耐崩解性试验适用于黏土类岩石和风化岩石。 胶结较好的岩石，并不是一次干燥浸水循环便能达到浸水崩解的，而往往需要2次以上的循环才能满足，所以规定岩石

14、的耐崩解性由第二次循环的崩解指数来表示。烘干时间规定不少于24h 采用烘干的岩块作为耐崩解性试验的标准试件是合适的。 试验方法 影响因素,七 岩石抗冻性试验,岩石抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，以冻融质量损失率和冻融系数表示，通常采用直接冻融法测定。 冻融循环次数根据工程需要确定，一般为20次，严寒地区不应少于25次。 冻融试验方法 当岩石的吸水率小于0.05%时，不必进行冻融试验。 岩石冻融系数的一个指标为强度损失系数。 岩石冻融系数另一指标为质量损失系数。 影响因素,八 岩石（体）声波测试试验,岩石声波测试 样品 试验方法 岩体声波测试 钻孔声波测试 岩体表面声波测试 注意事项 耦合介质

15、 样品长度 换能器,第五章 岩石的力学性质试验,一、岩石单轴抗压强度 二、岩石单轴抗拉强度 三、岩石抗剪强度 四、岩石三轴抗压强度 五、岩石压缩变形试验,1）定义 岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度，或称为非限制性抗压强度。 2）计算公式： c=P/A,一、岩石的单轴抗压强度,3）岩石的单轴抗压强度试验的4种破坏形式： 1. X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式 2. 单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏 3. 塑性流动变形，线应变10 4. 拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石

16、抗拉极限所引起的,4)实验方法 a.试件标准 立方体505050mm或 707070mm 圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一般不小于50mm。 L/D=2.53.0（国际岩石力学委员会ISRM建议的 尺寸） 要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm；两端面垂直于轴线误差0.25度。 加载速率：0.50.8MPa/s,b.非标准试件的对试验结果的影响及其修正,c.压缩实验设备示意图(500t压力机),d. 端部效应及其消除方法 端部效应:,消除方法: 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件,5) 水对单轴抗压强度的影响软化系数 岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度b与干燥岩石抗压强度c之比 =b/ c1,1）定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类,二、岩石单轴抗拉强度,2)直接