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1、辽宁科技大学,高等岩石力学,Adwanced Rock Mechanics,岩石力学实验,岩体?,岩石?,岩石力学实验研究对象,试 验 标 准 1、工程岩体试验方法标准GB/T 50266-99 2、公路工程岩石试验规程 JTG E41-2005 3、水电工程岩石试验规程 DL/T5368-2007 4、 铁路工程岩石试验规程TB10115-98 5、岩石试验规程（ 冶金行业标准）YBJ 46-1993,岩石力学实验研究标准,一、岩石物理性质实验,Vs,Vv,ms,mw,mass,water,gas,岩石含：固相、液相、气相。 三相比例不同而密度不同。,Vw,岩石物理性质,1.比重 岩石的比重
2、是岩石固体部分的质量和4时同体积纯水质量的比值（颗粒密度：岩石固相的质量与固相体积之比。它不包括孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量）,:岩石固相的质量 :固相的体积 :4水的密度,岩石比重实验,试验方法: 比重瓶法 步骤: 粉碎过筛烘干称重 放入比重瓶 排气 读数(计算),0.25mm,105-110 ,50g,岩石比重实验,比重瓶,岩石比重实验,m1瓶和装满的试液质量 ms岩粉质量 m2瓶、试液、岩粉质量 0试验温度下试液的密度,岩石比重实验,2.岩石的密度 岩石试件的质量与体积之比，即单位体积的岩石质量(T/m3 、 g/cm3 )。 岩石的重度 岩石试件的重力与体积之
3、比，即单位体积岩石产生的重力(KN/m3 )。,岩石密度实验,(1)、天然密度 岩石在天然条件下，单位体积的质量,W:岩石试件总质量 V:试件总体积,岩石密度实验,(2)、饱和密度 岩石中的孔隙都被水填充时单位体积的质量,:孔隙体积,岩石密度实验,(3)、干密度 岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固相和气相的状态下，单位体积的质量,密度测定法：量积法；水中称重法；蜡封法。,岩石密度实验,岩石密度测定方法一：量积法 凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其密度。 量积法测定岩石密度时，需测定规则试样的平均断面积A，平均高度h以及试样的质量W，可得岩石的密度。 当试样在105一110温度下
4、烘干24小时称重，可测定岩石的干密度（d）：,式中，d为岩石的干密度（gcm3）；gs为被测岩样在105一110的温度下烘干24 小时的质量（g）；A为被测岩样的平均断面积（cm2）；h为被测岩样平均高度（cm）。,岩石密度实验,岩石密度测定方法二：水中称重法 首先称量不规则岩样的质量（gs），再浸入水中称其质量（gw） ，根据阿基米德原理计算出不规则岩样的体积（V），即可计算出岩样密度（）。 遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此法测其密度。,岩石密度实验,岩石密度测定方法三：蜡封法 蜡封法适于不能用量积法或水中称重法测定密度的岩石。 首先选取有代表性岩样在105110温度下烘干24小时。取
5、出，系上细线，称岩样质量（gs），持线将岩样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中，浸后立即提出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针刺破，再用蜡液补平，冷却后称蜡封岩样的质量（g1），然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其质量（g2），则岩石的干密度（d）为 ：,式中，n为蜡的密度。,岩石密度实验,天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构待征之一，通称为岩石的孔隙性。 孔隙率 n：孔隙的体积与总体积的比值 孔隙比 e：孔隙的体积与固体的体积之比,岩石孔隙性实验,二、岩石水理性质实验,1、含水量W 岩石孔隙中含水的质量与岩石总质量之比的百分数,:孔隙中含水的质量,岩石与水相互作用时所表现的性质
6、称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。,岩石含水量实验,2、含水率 岩石孔隙中含水的质量与固相质量之比的百分数,:孔隙中含水的质量,含水量较为常用，有天然含水量、饱和含水量等。,岩石含水量实验,3、吸水率（自然吸水率） 烘干岩石自由浸水48小时后吸入水的质量与固相质量之比的百分数 m0烘干岩石浸水48小时后的质量,岩石吸水率的大小取决于岩石中孔隙的多少及其连通情况，岩石的吸水率愈大，表明岩石中的孔隙大，数量多，并且连通性好，岩石的力学性质差。,岩石吸水率实验,4、饱水率（饱和或强制吸水率） 烘干岩石经高压、煮沸或真空抽气饱和后吸入水的质量与试件固体的质量之比的百分数。,岩
7、石吸水率实验,4、饱水系数kW 岩石饱水系数是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分率表示。,在高压条件下，通常认为水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中，国外采用高压设备，测定岩石的饱和吸水率；国内常用真空抽气法或沸煮法测定饱和吸水率。饱水率反映岩石中总的张开型孔隙和裂隙的发育程度，对岩石的抗冻性和抗风化能力具有较大影响,岩石吸水率实验,5、岩石的渗透性 岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能力。水只能沿连通孔隙渗透，岩石透水的大小可用渗透系数衡量，它主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其相互连通情况。,:沿x方向水的流量 h :水头的高度 A :垂直x方向的截面面积 K :岩石的渗透系数(cm/s
8、),岩石渗透系数实验,岩石渗透系数实验,6、岩石的软化性 岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数（）表示。 定义为岩石试件的饱和抗压强度与干抗压强度的比值，即：,岩石软化性实验,岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。 当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物、且含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。如粘土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩和泥灰岩等岩石，软化性较强，软化系数一般为0.40.6，甚至更低。,岩石软化性实验,7、 岩石的抗冻性 岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。岩石的抗冻性，常用抗冻系数、冻融系数和质量损失率表示。 岩石的抗冻系数Cf是指岩样在25的温度区间内
9、，反复降温、冻结、升温、融解的过程中，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度的比值，即为抗冻系数，用百分率表示。,岩石抗冻性实验,冻融系数,质量损失率,岩石抗冻性实验,岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因： 构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀、缩不均而导致岩石结构的破坏； 当温度降到0以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。,岩石抗冻性实验,三、岩石强度实验,单轴抗压强度实验,（一）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。 国际上通常把单轴抗压强度表示为UCS，我国
10、习惯于将单轴抗压强度表示为C，其值等于达到破坏时的最大轴向压力P除以试件的横截面积A。,单轴抗压强度实验,(二) 实验方法 1. 标准试件 (1)通常为圆柱体（或立方体） (2)试件直径必须大于矿物颗粒最大直径10倍，一般试件直径或边长为50mm。,单轴抗压强度实验,2. 试件加工精度 (1)试件直径或边长4.85.4 cm，高度为直径的2.02.5倍 (2)试件两端面的不平整度0.05mm，在试件高度上直径或边长的误差0.3mm (3)两端面应垂直于试件轴线，最大偏差0.25,单轴抗压强度实验,单轴抗压强度实验,3. 加载速率要求 0.51.0 MPa/s；510分钟发生破坏。,单轴抗压强度
11、实验,(三) 试件破坏形态 1、劈裂破坏； 2、单斜面剪切破坏； 3、X状共轭斜面剪切破坏。,单轴抗压强度实验,单轴抗拉强度实验,（一）、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，或简称为抗拉强度。 通常以T或t表示抗拉强度， 其值等于达到破坏时的最大轴 向拉伸荷载Pt除以试件的横截 面积A。,（二）、试验分类 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。,单轴抗拉强度实验,（三）、直接拉伸试验 直接进行拉伸试验是很困难的，因为不可能像压缩试验那样将拉伸荷载直接施加到试件的两个端面上，而只能将两端固
12、定在材料机的拉伸夹具内。 图示夹具内所产生的应力过于集中，往往引起试件两端破裂。若夹具施加夹持力不够大，试件就会从夹具中拉出。,单轴抗拉强度实验,（三）、间接拉伸试验 由于进行直接拉伸试验在准备试件方面要花费大量的人力、物力和时间，因此取而代之的一些间接拉伸试验方法涌现出来，在间接试验方法中，最著名的是巴西试验法，俗称劈裂试验法，另外还有三点加载弯曲试验等。,单轴抗拉强度实验,1、巴西劈裂试验法： 试件为一岩石圆盘，施加荷载P劈裂试件。,单轴抗拉强度实验,压力P作用下，圆盘边缘沿y方向y和x均为压应力，而离开边缘后y仍为压应力，但应力值比边缘处显著减小并趋于均匀化；x变成拉应力并在沿y很长一段
13、距离上均匀分布，虽然拉应力值比压应力低很多，但因岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏。,单轴抗拉强度实验,2、三点加载弯曲试验 试件可以是园柱梁，也可以是长方形截面棱柱梁。,园柱梁,棱柱梁,R0为岩石的弯曲强度，一般为直接拉伸试验 抗拉强度的23倍。,单轴抗拉强度实验,点荷载强度试验,点荷载强度指标试验是布鲁克和弗兰克林1972年发明的，是一种最简单的岩石强度试验。其试验所获得的强度指标值可用做岩石分级的一个指标，有时可代替单轴抗压强度。,点荷载强度试验的设备比较简单，小型点荷载试验装置由一个手动液压泵、一个液压干斤顶和一对圆锥形加压头组成。,点荷载强度试验,小
14、型点荷载试验装置是便携式的，可带到现场试验，这是点荷载试验能够广泛采用的重要原因。大型点荷载试验装置的原理和小型点荷载试验装置的原理是相同的，只是能提供更大的压力，适合于大尺寸的试件。 点荷载试验的另一个重要优点是对试件的要求不严格，不需要像做抗压强度试验那样精心准备试件，最好的试件就是直径为25100 mm的岩芯，没有岩芯时，不规则岩块也可以。,点荷载强度试验,点荷载强度指标： ISRM将直径为50 mm的圆柱体试件径向加裁点荷载试验的强度指标值IS(50)确定为标准试验值，其他尺寸试件的试验结果需据进行修正。,点荷载强度试验,点荷载强度标准值Is(50)可用于岩体质量分级、岩体强度空间变异
15、性研究等。 Is(50)可由下式转换为单轴抗压强度和抗拉强度：,点荷载强度试验,变角剪试验（角模压剪）,变角剪是利用压力机施加垂直荷载，通过一套特制的夹具使试件沿某一剪切面产生剪切破坏，然后通过静力平衡条件解析剪切面上的法向压应力和剪应力，从而绘制法向压应力（）与剪应力（）之关系曲线，求得岩石的内聚力c和内摩擦角。,岩石变角剪试验,(1)、试验所需仪器设备,岩石变角剪试验,(2)、试件制备 试件为直径50mm、高、50mm的圆柱体试件或50 5050mm立方体，每组加工6-9块。 试件加工精度要求：相邻面间应互相垂直，偏差不超过0.25；相对两面须互相平行，不平行度不得大于0.005cm。 卡
16、尺：精度为0.002cm。,岩石变角剪试验,(3)、试件描述 试件描述内容为：岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等； 加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题。,岩石变角剪试验,(4)、安装试件 将变角板剪切夹具用绳子栓在压力机承压板间，应注意使夹具的中心与压力机的中心线相重合，然后调整夹具上的夹板螺丝，使刻度达到所要求的角度，将试件安装于变角板内。,岩石变角剪试验,(5)、施加载荷 开动压力机，同时降下压力机横梁，使剪切夹具与压力机承压板接触上，然后调整压力表指针到零点，以每秒0.5-0.8MPa的加荷速度加荷，直至试件破坏，记录破坏荷载（P）。 (6)、破坏试件描述 升起压力机横梁，取出被剪破的试件进行描述，内容包括破坏面的形态及破坏情况等。,岩石变角剪试验,(7)、重复试验 变换变角板夹具的角度，一般在4570内选择，取得不同角度下的破坏荷载。,岩石变角剪试验,(8)、成果整理 计算作用在剪切面上的剪应力和正应力：,根据不同倾角下
