岩石的几种实验室试验方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2PO=ub兀Dt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u5厘米或5X5厘米的岩样，每组3个，加工允许尺寸误差小于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)平均咼度(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O与剪应力T之间的关系，确定岩石的内摩擦角U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2．100~200吨压力机；3.专门夹具一套，夹具倾角a=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7X7X7厘米或5X5X5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a角的夹具重复2、3、4步骤进行试验，取得不同a角时岩石剪断时的荷重6．试验结果整理（1）计算不同a角的夹具下试样剪断时所受正应力和剪应力:P—（c（onsfsianAPt=（sa-nfcoaSA式中：a—剪断面上的法向压应力（公斤/厘米2）；T—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：b34326以每一a角剪断面上的正应力o为横座标，剪应力t为纵座标，连接各点得曲线3）由o-t关系曲线计算抗剪断强度指标C和①值；a、按曲线整理如图所示，内摩擦角为凝聚力为C'抗剪断强度为t=o^tg0'+CZb、按直线整理按最小二乘法求得直线方程t=o设tge〃+cMr06〈浪j/匚兄)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状态面积(cm2)与理关放置角度初裂时破裂时初裂时破裂时初裂时破裂时(度)(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3尹图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①=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(1) 准确地目测并读出摆球第一次回弹角(0)；(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：N=(8+|5)n11式中N――修正后的摆球硬度，次；N]――大于或小于e40mm直径岩样测试硬度值，次;D]受测岩样的直径，mm四、记录测定数据，计算分析试验结果实验四静压法测定岩石的硬度一、原理岩石的硬度是指岩石抵抗其他物体压入的能力衡量硬度的单位通常采用MPa对于钻进碎岩来讲，用岩石的硬度比用岩石的强度更能反映孔底岩石破碎情况。
岩石的硬度，是确定岩石可钻性的重要指标测定岩石硬度的方法很多，本次试验采用静压法测定岩石的硬度首先，将岩石试样置于压力机的活塞托盘上（图4-1），利用高压油推动活塞上行，使岩样2与压模3及压力机上梁5接触，并继续加压，直至岩石发生完全破碎为止压模与岩石的接触面积是事先确定的，在压入过程中保持接触面积不变，直到处于压模下的岩石完全破碎为止，以此时的荷载除以压模与岩石的接触面积，即为岩石的压入硬度6JPl450TV'.2图4-1活塞式压力机工作原理图1.活塞；2.岩样；3.压模；4.百分表；5.压力机上梁；6.压力表二、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．WYY型压入硬度仪（活塞式压力机）；3．压模(底面积S=1±0.2mm2)4．百分表三、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、直径±30mm的岩心制作首先用锯石机将岩心锯成长度为50—60mm的毛坯，再用磨光机和抛光机加两端面，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(相当于^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．测量压模直径(1)将压模倒置于测量显微镜工作台上，调节推动螺丝，使其处于十字丝的一角(图4-2)，记下读数y1；(2)转动纵推动螺丝，使压模移至左下角，与x轴相切(如图4-3)，记下图4-3y2这时压模之直径dy=y1-y2同理，调节横轴x即可测得dx；，再依次上法测压模直径dy1，dx1y1x1(4)取上述四次所测直径之平均值，即为压模之直径do3．安放岩样及调整压力机将岩样放置在活塞托盘中央，在岩样上选择测定位置并摆放压模，使压模对准压力机上梁；利用高压油推动活塞上行，使岩样2与压模3及压力机上梁5接触；调整百分表4，使其读数为零4．加荷观测PkS压模的底面积，mm22）岩石压入硬度修正压模的标准变形量（£）的变化；（2）当压模边缘的岩石局部破裂时，记下卩和£值；当听到一声脆响，压模突然压入岩石，压力表指针回跳，这时压模底部的岩石完全破碎记下P和£值5．测量破碎面积（F）（1）从压力机上取下岩样，用大头针拨掉岩样破碎穴中的碎屑，将透明纸放在破碎穴。