1、巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)主講：付 小 敏成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院 一、引言一、引言 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 提提 綱綱一、引一、引 言言巖石的力學(xué)性質(zhì)巖塊在力的作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)。 巖石同其它固體材料一樣，在不大的力的作用下，首先發(fā)生變形；增大作用力，變形量隨之增加；當(dāng)力和變形量超過(guò)一定的限度以后，即發(fā)生破壞。 巖石的力學(xué)性質(zhì)承受力的作用而發(fā)生變形的性能（變形性）抵抗力的作用而保持其自身完整的抗破壞性能（抗破壞性） 在作用力不斷增大的過(guò)程中，巖石的變形和破壞是一個(gè)統(tǒng)一的連續(xù)過(guò)程，破壞的累進(jìn)性的。 一、引言一、引言 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)

2、 提提 綱綱 試件在軸向壓力下產(chǎn)生軸向壓縮、橫向膨脹，最后導(dǎo)致破壞單軸壓縮試驗(yàn)?？蓽y(cè)定試件的抗壓強(qiáng)度和彈性常數(shù)一）基本原理二）儀器設(shè)備三）試驗(yàn)方法四）成果整理二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 一）基本原理 1、巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 巖石的抗壓強(qiáng)度巖石抵抗單軸壓力破壞的最大能力。即標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣在壓力作用下破壞時(shí)的最大荷載與垂直于加荷方向的截面積之比。 巖樣飽水后，其強(qiáng)度降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為軟化，用軟化系數(shù)表示。 軟化系數(shù)飽水試樣的抗壓強(qiáng)度與干燥試樣的抗壓強(qiáng)度之比。 一般情況要求測(cè)定巖樣的干抗壓強(qiáng)度和飽水抗壓強(qiáng)度并計(jì)算巖樣的軟化系數(shù)。 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形

3、試驗(yàn) 2、巖石變形試驗(yàn) 巖石在彈性極限以?xún)?nèi)的單軸壓力作用下，其應(yīng)力和應(yīng)變之比近于常數(shù)，此比值稱(chēng)為彈性模量。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比稱(chēng)為泊松比。 在縱向壓力作用下測(cè)定試樣的縱向變形和橫向變形，并據(jù)以計(jì)算巖石的彈性模量和泊松比。通常用抗壓強(qiáng)度的50的應(yīng)力和相應(yīng)的縱向應(yīng)變值計(jì)算彈性模量，用該應(yīng)力下的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值計(jì)算泊松比。也可根據(jù)需要計(jì)算任何應(yīng)力下的彈性模量和泊松比。 根據(jù)要求，可對(duì)不同含水狀態(tài)的巖樣進(jìn)行試驗(yàn)。二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二）儀器設(shè)備二）儀器設(shè)備 硬件硬件1 1、伺服控制剛性試驗(yàn)機(jī)、伺服控制剛性試驗(yàn)機(jī) a、用巖石試件的變形（縱向、橫向變形）控制加載速度

4、； b、剛度大。（5MN/mm)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備 當(dāng)巖石因破裂擴(kuò)展發(fā)生大應(yīng)變時(shí)，通過(guò)傳感器把這一信號(hào)輸入伺服控制器中，伺服控制器給伺服閥信號(hào)，使伺服閥打開(kāi)，壓力降低，使試件保持恒定的變形速率，從而控制了巖石的破壞，并得到峰值后的變形曲線?？?制 子 系 統(tǒng)液 壓 源 子 系統(tǒng)主 機(jī) 子 系 統(tǒng)伺 服 閥電 源電 源圖 2-1 MTS單 軸 試 驗(yàn) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 圖二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備傳感器信號(hào)伺服循環(huán)伺服控制控制通道

5、輸出通道輸出通道誤差對(duì)比程序命令反饋信號(hào)激勵(lì)定位控制函數(shù)發(fā)生器 或伺服控制剛性試驗(yàn)機(jī)原理圖伺服控制剛性試驗(yàn)機(jī)原理圖 2 2、 TeststarTeststar 控制柜控制柜 顯 示 器計(jì) 算 機(jī) 主 機(jī)TESTSTAR 控 制 器鍵 盤(pán) 和 鼠 標(biāo) 輸 入 設(shè) 置 參 數(shù)MTS伺 服 閥MTS液壓 源MTS主 機(jī) MTS手控 面 板二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備3 3、縱向（、縱向（Strain Strain 應(yīng)變）應(yīng)變） 環(huán)向引伸儀（環(huán)向引伸儀（CIRC CIRC 位移）位移）測(cè)量范圍：Strain0.1、0.02 mm/mm（縱向應(yīng)變）CIRC8、4

6、、1.6、0.8mm測(cè)量試件的環(huán)向位移。 巖樣軸向引伸儀環(huán)向引伸儀二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備 軟件軟件1 1、系統(tǒng)程序、系統(tǒng)程序 a、定義（Edit） 輸入信號(hào)（Input Signals)；控制通道（Control Channals)；手動(dòng)模板顯示（LUCP Display) ；計(jì)數(shù)器（Meters）；示波器。 b、調(diào)節(jié)（Adjust ) Input Signals: Force3000、1200、450KN LVDT50、5mm Strain0.1、0.02 mm/mm CIRC8、4、1.6、0.8mm 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)

7、度和變形試驗(yàn) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備 2 2、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)程序 a、控制方式 位移：LVDT、Strain、CIRC。 荷載：Force。 幾種方式可任意互換。 b、加載方式 加載、卸載、保持、振動(dòng)；可任意互換。 c、數(shù)據(jù)采集 主控信號(hào)： LVDT、Strain、CIRC、 Force、Time。 采集方式：連續(xù)、間隔。二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 儀器設(shè)備儀器設(shè)備 三）試驗(yàn)方法三）試驗(yàn)方法（一）試件制備（一）試件制備 1、試件可用巖芯或巖塊加工制成。試件在采取、運(yùn)輸和制備過(guò)程中，應(yīng)避免產(chǎn)生裂縫。 2、試件尺寸、大小和高徑比對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大，采取標(biāo)準(zhǔn)試樣。 標(biāo)準(zhǔn)試件的選擇

8、原則： a、圓形試樣具有軸對(duì)的特點(diǎn)，應(yīng)力分布較均勻，優(yōu)先選用； b、試樣尺寸大于礦物顆粒10倍，考慮充分利用鉆孔巖芯； c、試樣高徑比要考慮減少端部效應(yīng)，在受力時(shí)不發(fā)生彎曲。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圓柱體：=4854mm高徑比：2.02.5試件直徑大于巖石最大顆粒尺寸的10倍 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法3、水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程： 2872/PRRReAD HRMPaeRMPaPNAmmDmmHmm標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度（）任意高徑比的抗壓強(qiáng)度 （）；破壞荷載 （ ） ；試件截面面積（）；試件直徑（）；試件高（）。二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 試驗(yàn)

9、方法試驗(yàn)方法4、精度要求： a、試件兩端面不平整度誤差不得大于0.05mm； b、沿試件高度，直徑的誤差不得大于0.3mm； c、端面應(yīng)垂直于試件軸線，最大偏差不得大于0.250。 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法 5、試件含水狀態(tài)： 天然含水狀態(tài)、烘干狀態(tài)、飽和狀態(tài)。 1） 烘干狀態(tài) 將試件置于烘箱內(nèi)，在1051100C溫度下烘24h，取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱(chēng)重。 2）飽水狀態(tài) a、自由水法飽和試件 將試件放入水槽，先注水至試件高度的1/4處，以后每隔2h分別注水至試件高度的1/2和3/4處，6h后全部淹沒(méi)試件 。試件在水中自由吸水48h后，取出試

10、件并沾去表面水分稱(chēng)重。 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法b、真空抽氣法飽和試件 飽和器內(nèi)的水面高于試件； 真空壓力100kPa； 總抽氣時(shí)間4h； 在大氣壓力下靜置4h，取出并沾去表面水分稱(chēng)重。 稱(chēng)量精確至0.01g。二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法 （二）試驗(yàn)過(guò)程二）試驗(yàn)過(guò)程 1、安裝傳感器 利用橡皮筋把兩個(gè)縱向引伸儀固定在沿試件軸向的兩側(cè)； 用鏈條環(huán)繞試件中部四周，將環(huán)向引伸儀的兩支點(diǎn)插入鏈條端口。 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法2、設(shè)計(jì)試驗(yàn)控制程序 1）按照試驗(yàn)規(guī)程：加載速

11、率為0.51.0MPa/s， 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法 2）國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)推薦加載速度 軟巖（頁(yè)巖、砂巖、泥巖等） LVDT控制：0.1mm/min 0.001mm/min 0.1mm/min； 硬巖（花崗巖、閃長(zhǎng)巖、灰?guī)r等） 0.1mm/min （ LVDT控制）0.001mm/min（ CIRC控制） 0.1mm/min （ LVDT控制） 。 破壞強(qiáng)度的7080%峰值后3、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序 a、以Force （軸向荷載）作為主控通道，每間隔一定值連續(xù)采集一組數(shù)據(jù)，包括： LVDT（軸向位移） 、Strain（軸向應(yīng)變）、CIRC（環(huán)向位移）

12、。 b、以LVDT（軸向位移） 作為主控通道，每間隔一定值連續(xù)采集一組數(shù)據(jù)，包括： Force （軸向荷載）、Strain（軸向應(yīng)變）、CIRC（環(huán)向位移）。 c、以Force （軸向荷載）作為主控通道，靈敏系數(shù)為 某一值（大于破壞值），采集破壞時(shí)的峰值荷載。 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法 三）、成果整理三）、成果整理 FORCELVDTSTRAINCIRCkNmmmm/mmmm3.019198 0.008415 4.24E-06 1.3651836.027303 0.029088 2.22E-05 1.3646319.004396 0.044766

13、4.56E-05 1.36545812.0125 0.061649 7.04E-05 1.36545815.05162 0.077154 9.18E-051.3660118.02871 0.091625 0.000118 1.36628521.021310.10334 0.000138 1.36711224.01391 0.115916 0.000166 1.36766327.02202 0.127286 0.000191 1.36904230.06113 0.137623 0.000216 1.36959333.007210.14796 0.0002441.3704236.01532 0.1

14、58296 0.000263 1.37179839.03893 0.167255 0.000292 1.37290142.00052 0.175869 0.000315 1.374003LVDTFORCESTRAINCIRCmmNmm/mmmm0.050106 9547.096 4.70E-05 1.3651830.100411 19641.31 0.000139 1.3671120.150027 32914.18 0.000244 1.3706950.20016 50203.03 0.000386 1.3773110.25012 70050.31 0.0005511.385580.30008

15、1 89416.93 0.000732 1.3963290.350041 107651.6 0.000925 1.4114890.4000021236690.00114 1.4371230.450135 135623.90.00142 1.5013460.500095 116986.1 0.001662 1.9068020.55005640310.4 0.000806 2.9258180.600016 37550.38 0.000848 3.1204150.650149 28479.550.000843.344230.700109 24417.06 0.000984 3.5151220.750

16、07 22199.74 0.001173 3.6639640.80003 19486.25 0.001223 3.8128060.850163 17889.16 0.001192 3.9418030.900124 16927.81 0.0011824.062530.950084 16462.64 0.001193 4.1758151.000045 15175.66 0.001172 4.3133561.050005 14586.45 0.001199 4.4459361.100138 14214.310.00123 4.5832011.150098 14043.750.00125 4.7334

17、211.200231 13873.19 0.001243 4.899628FORCELVDTSTRAINCIRCkNmmmm/mmmm138.8956 0.468913 0.001553 1.551511二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 成果整理成果整理 （一）計(jì)算各級(jí)應(yīng)力及單軸抗壓強(qiáng)度（一）計(jì)算各級(jí)應(yīng)力及單軸抗壓強(qiáng)度 1、各級(jí)應(yīng)力 = P/A式中: 各級(jí)應(yīng)力(MPa)； P與所測(cè)各組應(yīng)變值相應(yīng)的荷載(N)； A試件的截面積(mm2)。 2、巖石單軸抗壓強(qiáng)度 R=Pf/A式中: R 巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)； Pf試樣破壞荷載(N)； A試件的截面積(mm2) 。二、單軸

18、壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 成果整理成果整理（二）繪制應(yīng)力與縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變關(guān)系曲線（二）繪制應(yīng)力與縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變關(guān)系曲線 二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 成果整理成果整理()分析縱向應(yīng)變與軸向應(yīng)力關(guān)系曲線分析縱向應(yīng)變與軸向應(yīng)力關(guān)系曲線 ()二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn) 成果整理成果整理 oa階段：壓密階段，曲線呈上凹階段：壓密階段，曲線呈上凹型，巖石內(nèi)微裂隙在外力作用下發(fā)型，巖石內(nèi)微裂隙在外力作用下發(fā)生閉合；生閉合； ab階段：彈性階段，曲線呈近直階段：彈性階段，曲線呈近直線（近似彈性介質(zhì)），線（近似彈性介質(zhì)），b點(diǎn)為屈服

19、點(diǎn)。點(diǎn)為屈服點(diǎn)。用用E和和描述其變形特性。描述其變形特性。 bc階段：塑性階段，曲線呈下凹階段：塑性階段，曲線呈下凹型，巖石產(chǎn)生不可逆的塑性變形。型，巖石產(chǎn)生不可逆的塑性變形。c為巖石破壞點(diǎn)。為巖石破壞點(diǎn)。 cd階段：應(yīng)變軟化階段，峰值應(yīng)階段：應(yīng)變軟化階段，峰值應(yīng)力后，巖石仍有一定的承載能力，力后，巖石仍有一定的承載能力，并隨著應(yīng)變?cè)龃蠖鴾p小。并隨著應(yīng)變?cè)龃蠖鴾p小。 d點(diǎn)以后為摩擦階段，巖石產(chǎn)生點(diǎn)以后為摩擦階段，巖石產(chǎn)生宏觀斷裂面后，其摩擦具有宏觀斷裂面后，其摩擦具有 抵抗外抵抗外力的能力。力的能力。 （三）計(jì)算巖石平均彈性模量和巖石平均泊松比（三）計(jì)算巖石平均彈性模量和巖石平均泊松比 ()badbdaavavlblalblaavavablaalbbdaadbbEEMPa式中：巖石平均彈