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、引言二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)提綱一、引言巖石的力學(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、引言二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)提綱

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)

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)

2、巖石變形試驗(yàn)巖石在彈性極限以內(nèi)的單軸壓力作用下，其應(yīng)力和應(yīng)變之比近于常數(shù)，此比值稱為彈性模量。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比稱為泊松比。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）儀器設(shè)備硬件1、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；

b、剛度大。（5MN/mm)二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—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。二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—儀器設(shè)備二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—儀器設(shè)備伺服控制剛性試驗(yàn)機(jī)原理圖

2、Teststar

控制柜

二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—儀器設(shè)備3、縱向（Strain應(yīng)變）環(huán)向引伸儀（CIRC位移）測(cè)量范圍：Strain－0.1、0.02mm/mm（縱向應(yīng)變）CIRC－8、4、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)—儀器設(shè)備軟件1、系統(tǒng)程序

a、定義（Edit）

輸入信號(hào)（InputSignals)；控制通道（ControlChannals)；手動(dòng)模板顯示（LUCPDisplay)；計(jì)數(shù)器（Meters）；示波器。b、調(diào)節(jié)（Adjust)InputSignals:Force－3000、1200、450KN

LVDT－50、5mmStrain－0.1、0.02mm/mmCIRC－8、4、1.6、0.8mm二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—儀器設(shè)備

2、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)—儀器設(shè)備三）試驗(yàn)方法（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：φ=48~54mm高徑比：2.0~2.5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)—試驗(yàn)方法3、水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程：

二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—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)—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105～1100C溫度下烘24h，取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱重。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，取出試件并沾去表面水分稱重。

二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—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重。稱量精確至0.01g。二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—試驗(yàn)方法

（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)—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：加載速率為0.5～1.0MPa/s，

二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—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70～80%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）。

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)—試驗(yàn)方法

三）、成果整理

二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—成果整理

（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

σ=P/A式中:

σ—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、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—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、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—成果整理分析縱向應(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)—成果整理

oa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)生閉合；

ab階段：彈性階段，曲線呈近直線（近似彈性介質(zhì)），b點(diǎn)為屈服點(diǎn)。用E和μ描述其變形特性。

bc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。c為巖石破壞點(diǎn)。

cd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，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)生宏觀斷裂面后，其摩擦具有

抵抗外力的能力。

（三）計(jì)算巖石平均彈性模量和巖石平均泊松比

水電：彈性模量水電：彈性泊松比二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—成果整理（四）計(jì)算巖石割線彈性模量及相應(yīng)的巖石泊松比

巖石彈性模量值取3位有效數(shù)字；泊松比——0.01初始彈性模量（初始模量）、切線彈性模量（直線模量）水電：變形模量二、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)—成果整理

試件在峰值后所儲(chǔ)存的變形能不能使破裂繼續(xù)