巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系數(shù)。六、巖石凍融試驗(yàn) 概述巖石的凍融試驗(yàn)是指巖石在177。25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、升溫、融解，其抗壓強(qiáng)度有所下降，巖石試件凍融前的抗壓強(qiáng)度與凍融后的抗壓強(qiáng)度的比值，即為抗凍系數(shù)。 試樣 制 備（1 ）試樣可用鉆孔巖芯或坑、槽探中采取的巖塊，試件備制中不允許有人為裂隙出現(xiàn)。按規(guī)程要求標(biāo)準(zhǔn)試件為圓柱體，直徑為 5cm，允許變化范圍為 ～。高度為10cm，允許變化范圍為 ～。對(duì)于非均質(zhì)的粗粒結(jié)構(gòu)巖石，或取樣尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸者，允許采用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，但高徑比必須保持=2:1～ :1。（2 ）試樣數(shù)量，視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，一般情況下必須制備 3 個(gè)。（3 ）試樣制備的精度，在試樣整個(gè)高度上，直徑誤差不得超過(guò) 。兩端面的不平行度最大不超過(guò) 。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不超過(guò) 度。 試樣 描述試驗(yàn)前的描述，應(yīng)包括如下內(nèi)容：（1 ）巖石名稱、顏色、結(jié)構(gòu)、礦物成分、顆粒大小，膠結(jié)物性質(zhì)等特征。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)16（2 ）節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及其分布，并記錄受載方向與層理、片理及節(jié)理裂隙之間的關(guān)系。（3 ）測(cè)量試樣尺寸，并記錄試樣加工過(guò)程中的缺陷。 主要 儀 器設(shè)備（1 ）鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)或其他制樣設(shè)備。（2 ）游標(biāo)卡尺、天平（稱量大于 500g，感量 ） ，烘箱和干燥箱，水槽、煮沸設(shè)備。（3 ）低溫試驗(yàn)箱。 試驗(yàn) 程序（1 ）巖石試件的干燥、吸水、飽和處理應(yīng)符合 條款規(guī)定。（2 ）取三塊飽和試件進(jìn)行凍融前的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。（3 ）將另外三塊試件放入鐵皮盒內(nèi)，一起放入低溫試驗(yàn)箱中，在20177。2 ℃溫度下冷凍 4h，然后取出鐵皮盒，望盒內(nèi)注入水浸沒(méi)試件，水溫應(yīng)保持在 20177。2℃，融解 4h，即為一個(gè)循環(huán)。（4 ）根據(jù)工程需要確定凍融的次數(shù)，以 20 次為宜，嚴(yán)寒地區(qū)不少于 25 次。（5 ）凍融結(jié)束后，從水中取出巖石試件，擦開(kāi)表面水分并稱量，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。 成果整理和計(jì)算（1 ）凍融質(zhì)量損失率、凍融系數(shù)計(jì)算公式： 10???sffmLAPRsff?sffRK式中：——凍融質(zhì)量損失率， （%） ；fL巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)17——凍融前的飽和單軸抗壓強(qiáng)度， （MPa）。sR——凍融后的飽和單軸抗壓強(qiáng)度， （MPa）。f——凍融系數(shù)；fK——凍融試驗(yàn)前試件的飽和質(zhì)量， （g） ；sm——凍融試驗(yàn)后試件的飽和質(zhì)量， （g） ；f——凍融前飽和試件破壞載荷， （N） ；sP——凍融后飽和試件破壞載荷， （N） ；f——凍融試驗(yàn)后飽和單軸抗壓強(qiáng)度， （MPa） ；fR——凍融試驗(yàn)前飽和單軸抗壓強(qiáng)度， （MPa） ；s（2 ）計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字。（3 ）試驗(yàn)記錄應(yīng)包括工程名稱、巖石名稱、取樣地點(diǎn)、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)日期等信息。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)18巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)七、巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 概述當(dāng)無(wú)側(cè)限巖石試樣在縱向壓力作用下出現(xiàn)壓縮破壞時(shí)，單位面積上所承受的載荷稱為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，即試樣破壞時(shí)的最大載荷與垂直于加載方向的截面積之比。在測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，也可同時(shí)進(jìn)行變形試驗(yàn)。不同含水狀態(tài)的試樣均可按本規(guī)定進(jìn)行測(cè)定，試樣的含水狀態(tài)用以下方法處理：（1 ）烘干狀態(tài)的試樣，在 105～110 0C 下烘 24h。（2 ）飽和狀態(tài)的試樣，使試樣逐步浸水，首先淹沒(méi)試樣高度的 1/4，然后每隔 2h 分別升高水面至試樣的 1/3 和 1/2 處，6h 后全部浸沒(méi)試樣，試樣在水下自由吸水 48h；采用煮沸法飽和試樣時(shí)，煮沸箱內(nèi)水面應(yīng)經(jīng)常保持高于試樣面，煮沸時(shí)間不少于 6h。 試樣備制（1 ）試樣可用鉆孔巖芯或坑、槽探中采取的巖塊，試件備制中不允許有人為裂隙出現(xiàn)。按規(guī)程要求標(biāo)準(zhǔn)試件為圓柱體，直徑為 5cm，允許變化范圍為 ～。高度為10cm，允許變化范圍為 ～。對(duì)于非均質(zhì)的粗粒結(jié)構(gòu)巖石，或取樣尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸者，允許采用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，但高徑比必須保持=2:1～ :1。（2 ）試樣數(shù)量，視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，一般情況下必須制備 3 個(gè)。（3 ）試樣制備的精度，在試樣整個(gè)高度上，直徑誤差不得超過(guò) 。兩端面的不平行度最大不超過(guò) 。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不超過(guò) 度。 試樣 描述試驗(yàn)前的描述，應(yīng)包括如下內(nèi)容：（1 ）巖石名稱、顏色、結(jié)構(gòu)、礦物成分、顆粒大小，膠結(jié)物性質(zhì)等特征。（2 ）節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及其分布，并記錄受載方向與層理、片理及節(jié)理裂隙之間的關(guān)系。（3 ）測(cè)量試樣尺寸，并記錄試樣加工過(guò)程中的缺陷。 主要 儀 器設(shè)備 試樣加工設(shè)備鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)或其他制樣設(shè)備。 量測(cè)工具與有關(guān)檢查儀器游標(biāo)卡尺、天平（稱量大于 500g，感量 ） ，烘箱和干燥箱，水槽、煮沸設(shè)備。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)19 加載設(shè)備壓力試驗(yàn)機(jī)。壓力機(jī)應(yīng)滿足下列要求：（1 ）有足夠的噸位，即能在總噸位的 10%～90%之間進(jìn)行試驗(yàn)，并能連續(xù)加載且無(wú)沖擊。（2 ）承壓板面平整光滑且有足夠的剛度，其中之一須具有球形座。承壓板直徑不小于試樣直徑，且也不宜大于試樣直徑的兩倍。如大于兩倍以上時(shí)需在試樣上下端加輔助承壓板，輔助承壓板的剛度和平整光滑度應(yīng)滿足壓力機(jī)承壓板的要求。（3 ）壓力機(jī)的校正與檢驗(yàn)應(yīng)符合國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。 試驗(yàn) 程序（1 ）根據(jù)所要求的試樣狀態(tài)準(zhǔn)備試樣。（2 ）將試樣置于壓力機(jī)承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受力。（3 ）依每秒 ～ 的加載速度對(duì)試樣加荷，直到試樣破壞為止，記錄最大破壞載荷。（4 ）描述試樣破壞形態(tài)，并記下有關(guān)情況。 成果整理和計(jì)算按下式計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度 APc??式中：——巖石單軸抗壓強(qiáng)度（MPa） ；c?——最大破壞載荷（N） ；P——垂直于加載方向的試樣橫截面積（mm 2） 。A試驗(yàn)結(jié)果按表 71 記錄。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)20表 71 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)記錄表 工程名稱______________ 試驗(yàn)時(shí)間_____年___ 月___日試 樣 尺 寸巖石名稱 試樣編號(hào) 受力方向 含水狀態(tài) 直 徑 (mm)高 度 (mm)橫截面積(mm2)最大破壞載 荷(N)單軸抗壓強(qiáng) 度(MPa)備 注試 樣 描 述 班 級(jí) 組 別 試驗(yàn)者 計(jì)算者 八、巖石壓縮變形試驗(yàn) 概述巖石變形試驗(yàn)，是在縱向壓力作用下測(cè)定試樣的縱向（軸向）和橫向（徑向）變形，據(jù)此計(jì)算巖石的彈性模量和泊松比。彈性模量是縱向單軸應(yīng)力與縱向應(yīng)變之比，規(guī)程規(guī)定用單軸抗壓強(qiáng)度的 50%作為應(yīng)力和該應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)需要也可以確定任何應(yīng)力下的彈性模量。泊松比是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比，規(guī)程規(guī)定用單軸抗壓強(qiáng)度 50%時(shí)的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)需要也可以求任何應(yīng)力下的泊松比。 試樣備制試樣備制方法和精度要求見(jiàn) 。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)21 試樣 描述試樣描述見(jiàn) 。 主要 儀 器設(shè)備（1 ）制樣設(shè)備、檢查儀器和壓力機(jī)要求見(jiàn) 。（2 ）電阻應(yīng)變片、粘結(jié)劑、萬(wàn)用表等。（3 ）電阻應(yīng)變儀（或數(shù)據(jù)采集器） 、壓力傳感器、引伸儀等。除用電阻應(yīng)變儀外，也可用精度能達(dá)到 %和量程能滿足變形測(cè)定需要的其他儀表。 巖石試件軸向應(yīng)變片橫向應(yīng)變片圖 4 巖石試件貼電阻應(yīng)變片示意圖 圖 5 試件連接靜態(tài)應(yīng)變儀示意圖 試驗(yàn) 程序（1 ）選擇電阻片，電阻片質(zhì)量應(yīng)符合產(chǎn)品要求，電阻絲的長(zhǎng)度應(yīng)大于組成試樣的礦物最大粒徑或斑晶的 10 倍以上。同一試樣用的工作片和補(bǔ)償片的電阻值應(yīng)不超過(guò) 177。 歐姆。（2 ）電阻片應(yīng)貼在試樣高度的中部，每個(gè)試樣貼縱向（軸向）和圓周向電阻片各 2片，沿圓周向?qū)ΨQ布置，貼片處應(yīng)盡量避開(kāi)顯著的裂隙、特大的礦物顆粒或斑晶。試樣貼片前用零號(hào)砂紙打磨，用丙酮或酒精將貼片處擦洗干凈，防止污染（如圖 4 所示） 。（3 ）貼片用的膠，一般情況下可用 502 快速粘結(jié)劑，914 粘結(jié)劑等脆性膠；飽和試樣還需配置防潮膠液。（4 ）將貼好片的試樣置于壓力機(jī)上，對(duì)準(zhǔn)中心，以全橋或半橋的方式聯(lián)入應(yīng)變儀（或數(shù)據(jù)采集器，如圖 5 所示） ，接通電源。以每秒 ～ 的加載速度對(duì)試樣加載，直至破壞。（5 ）在施加載荷的過(guò)程中，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄各級(jí)應(yīng)力及其相應(yīng)的縱向和橫向應(yīng)變值。為了繪制應(yīng)力~ 應(yīng)變關(guān)系曲線，記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能多一些，通常不少于 10 組數(shù)據(jù)。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)22（6 ）描述試樣的破壞形式，并記下與試驗(yàn)有關(guān)的的情況。試驗(yàn)記錄格式見(jiàn)表 81。 試驗(yàn) 成果整理和 計(jì)算 計(jì)算各級(jí)應(yīng)力下的應(yīng)變值（1 ）分別將縱向、橫向各二片的數(shù)值進(jìn)行平均，求得縱向、橫向應(yīng)變， （也可試驗(yàn)前將二片串聯(lián)，直接測(cè)得縱向、橫向應(yīng)變值） 。（2 ）用下式計(jì)算體積應(yīng)變值： dhv?2??式中：——某一應(yīng)力下的體積應(yīng)變值；v?——某一應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值；h——某一應(yīng)力下的橫向應(yīng)變值。d?（3 ）繪制應(yīng)力～應(yīng)變曲線圖，如圖 6 所示。圖 6 巖石壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)23 計(jì)算彈性模量和泊松比（1 ）在縱向應(yīng)變曲線上，做通過(guò)原點(diǎn)與應(yīng)力相當(dāng)于 50%抗壓強(qiáng)度處的應(yīng)變點(diǎn)的連線，其斜率即為所求的彈性模量（或稱割線模量） 。 50hE???式中：——彈性模量（MPa） ；50E——相當(dāng)于 50%抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力值（MPa） ；?——應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度 50%時(shí)的縱向應(yīng)變值。50h?（2 ）取應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度 50%時(shí)的橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值計(jì)算泊松比。 50hd???式中：——泊松比；?——應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度 50%時(shí)的橫向應(yīng)變值；50d?——應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度 50%時(shí)的縱向應(yīng)變值。h 計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度 APc??式中：——巖石單軸抗壓強(qiáng)度（MPa） ；c?——最大破壞載荷（N） ；P——垂直于加載方向的試樣橫截面積（mm 2） 。A 計(jì)算值取值彈性模量取至百位數(shù)；泊松比取至小數(shù)點(diǎn)以后兩位；單軸抗壓強(qiáng)度取至整數(shù)位。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)24表 81 巖石變形試驗(yàn)記錄表 工程名稱 試樣直徑（mm） = 50E（MPa） 巖石名稱 試樣高度（mm） =? 試樣編號(hào) 試樣面積（mm 2） = （MPa）c?載荷（N） 應(yīng)力（MPa ） 縱向應(yīng)變 橫向應(yīng)變 體積應(yīng)變 備 注班 級(jí) 組 別 日期 試驗(yàn)者 計(jì)算者 九、巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（巴西法） 概述巴西法（劈裂法）是在圓柱體試樣的直徑方向上，施加相對(duì)的線性載荷，使之沿試樣直徑方向破壞的試驗(yàn)（如圖 7） 。本方法可用于測(cè)烘干、自然干燥、飽和的試樣。本方法不適用于軟弱巖石。 試樣備制（1 ）試樣可用鉆孔巖芯或巖塊，在取樣和試樣制備過(guò)程中，不允許人為裂隙出現(xiàn)。（2 ）采用圓柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，直徑為 5cm，高度為直徑的 ～ 倍。試樣尺寸的允許變化范圍不宜超過(guò) 5%。（3 ）對(duì)于非均質(zhì)的粗粒結(jié)構(gòu)巖石，或取樣尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸者，允許使用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，但高徑比必需滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣的要求。（4 ）試樣個(gè)數(shù)視所要求的受力方向或含水狀態(tài)而定，一般情況下至少制備 3 個(gè)。（5 ）試樣制備精度。整個(gè)厚度上，直徑最大誤差不應(yīng)超過(guò) 。兩端不平行度不宜超過(guò) 。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不應(yīng)超過(guò) 度。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)25 試樣 描述試樣描述同 主要 儀 器設(shè)備（1 ）試樣加工設(shè)備、量測(cè)工具與有關(guān)儀器詳見(jiàn) 。（2 ）加載設(shè)備：壓力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)符合 的規(guī)定，因巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，為了提高試驗(yàn)精度，所以選擇壓力試驗(yàn)機(jī)的噸位不宜過(guò)大。（3 ）墊條：在巖石劈裂試驗(yàn)中，目前國(guó)內(nèi)外規(guī)程中，有加墊條、劈裂壓模、不加墊條三種， 《水利電力規(guī)程》建議采用電工用的膠木板或硬紙板，其寬度與試樣直徑之比為～；《國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)》建議采用壓模，壓模圓弧直徑為試樣直徑的 倍（如圖 7） ；日本、美國(guó)等礦業(yè)規(guī)程建議采用不加墊條，使試