岩石力学实验指导书2014年5月
岩石力学实验指导书 2014 年 5 月
岩石力学试验指导书一、岩石密度试验1.1概述岩石密度，即单位体积的岩石质量，是试样质量与试样体积之比。根据试样的含水量情况，岩石密度可分为烘干密度、饱和密度和天然密度。一般未说明含水情况时，即指烘干密度。根据岩石类型和试样形态，分别采用下述方法测定其密度：（1）凡能制备成规则试样的岩石，宜采用量积法。（2）除遇水崩解、溶解和干缩湿胀性岩石外，可采用水中称重法。（3）不能用量积法或水中称重法进行测定的岩石，可采用腊封法。用水中称重法测定岩石密度时，一般用测定岩石吸水率和饱和吸水率的同一试样同时进行测定。1.2试样制备1.2.1量积法（1）试样的形态，可以用圆柱体、立方体或方柱体，根据密度试验后的其他实验要求选择。（2）制备的试样，应具有一定的精度，其精度要求应满足其他试验项目的规定。（3）每组试验须制备3个试样，它们须具有充分的代表性。1.2.2腊封法（1）试样取边长为46cm的近似立方体的岩块。（2）如需测定天然密度时，拆除密封后立即称试样重。（3）每组试验须制备3个试样，它们须具有充分的代表性。1.3试样描述（1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小、胶结物质等特征。（2）节理裂隙的发育程度及其分布。（3）试样形态及缺角，掉棱角等现象。1.4主要仪器设备1.4.1量积法（1）钻石机、切石机、磨石机或其他制样设备。（2）烘箱和干燥器。（3）称量大于500g，感量为0.01g的天平。1
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 1 一、岩石密度试验 1.1 概述 岩石密度，即单位体积的岩石质量，是试样质量与试样体积之比。 根据试样的含水量情况，岩石密度可分为烘干密度、饱和密度和天然密度。一般未说 明含水情况时，即指烘干密度。 根据岩石类型和试样形态，分别采用下述方法测定其密度： （1）凡能制备成规则试样的岩石，宜采用量积法。 （2）除遇水崩解、溶解和干缩湿胀性岩石外，可采用水中称重法。 （3）不能用量积法或水中称重法进行测定的岩石，可采用腊封法。 用水中称重法测定岩石密度时，一般用测定岩石吸水率和饱和吸水率的同一试样同时 进行测定。 1.2 试样制备 1.2.1 量积法 （1）试样的形态，可以用圆柱体、立方体或方柱体，根据密度试验后的其他实验要 求选择。 （2）制备的试样，应具有一定的精度，其精度要求应满足其他试验项目的规定。 （3）每组试验须制备 3 个试样，它们须具有充分的代表性。 1.2.2 腊封法 （1）试样取边长为 4～6cm 的近似立方体的岩块。 （2）如需测定天然密度时，拆除密封后立即称试样重。 （3）每组试验须制备 3 个试样，它们须具有充分的代表性。 1.3 试样描述 （1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小、胶结物质等特征。 （2）节理裂隙的发育程度及其分布。 （3）试样形态及缺角，掉棱角等现象。 1.4 主要仪器设备 1.4.1 量积法 （1）钻石机、切石机、磨石机或其他制样设备。 （2）烘箱和干燥器。 （3）称量大于 500g，感量为 0.01g 的天平
岩石力学试验指导书（4）精度为0.01mm的测量平台或其他仪表。1.4.2腊封法（1）烘箱和干燥器。（2）石蜡和熔蜡用具。（3）称量大于500g，感量为0.01g的天平。（4）水中称重装置。1.5试验程序1.5.1量积法（1）试样两端和中间三个断面，测量其互相垂直的两个直径或边长，计算平均值。（2）测量均匀分布于周边的四点和中间点的五个高度，计算平均值。（3）将试样置于烘箱中，在105～110°C的温度下烘24h，取出后，即放入于燥器内冷却至室温后称重。（4）本试验要求量测准确至0.01mm，称重准确至0.01g。1.5.2腊封法（1）将试样置于烘箱中，在105110°C的温度下烘24h，取出后，即放入干燥器内，冷却至室温后称重。（2）用丝线缚住试样，置于温度60℃左右的熔化石蜡中1～2s，使试样表面均匀涂上一层腊膜，其厚度约1mm左右。蜡封好后，发现有气泡时，用热针刺穿并用腊涂平孔口，然后称试样重。（3）将蜡封试样置于水中称重，然后取出擦干表面水分，在空气中称重。如蜡封试样浸水后的重量大于浸水前的重量，应重做试验。（4）本试验所有称重均准确至0.01g。1.6成果整理和计算（1）用量积法测定试样密度，按下式计算maPa=-AxH式中：Pa一一岩石烘干密度（g/cm2）；ma——试样烘干重量（g);A一一平均面积（cm2）：H一一平均高度（cm）。2
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 2 （4）精度为 0.01mm 的测量平台或其他仪表。 1.4.2 腊封法 （1）烘箱和干燥器。 （2）石蜡和熔蜡用具。 （3）称量大于 500g，感量为 0.01g 的天平。 （4）水中称重装置。 1.5 试验程序 1.5.1 量积法 （1）试样两端和中间三个断面，测量其互相垂直的两个直径或边长，计算平均值。 （2）测量均匀分布于周边的四点和中间点的五个高度，计算平均值。 （3）将试样置于烘箱中，在 105～110C 的温度下烘 24h，取出后，即放入干燥器内， 冷却至室温后称重。 （4）本试验要求量测准确至 0.01mm，称重准确至 0.01g。 1.5.2 腊封法 （1）将试样置于烘箱中，在 105～110C 的温度下烘 24h，取出后，即放入干燥器内， 冷却至室温后称重。 （2）用丝线缚住试样，置于温度 60C 左右的熔化石蜡中 1～2s，使试样表面均匀涂 上一层腊膜，其厚度约 1mm 左右。蜡封好后，发现有气泡时，用热针刺穿并用腊涂平孔 口，然后称试样重。 （3）将蜡封试样置于水中称重，然后取出擦干表面水分，在空气中称重。如蜡封试 样浸水后的重量大于浸水前的重量，应重做试验。 （4）本试验所有称重均准确至 0.01g。 1.6 成果整理和计算 （1）用量积法测定试样密度，按下式计算 A H md d 式中： d ——岩石烘干密度（g/cm3）； md ——试样烘干重量（g）； A ——平均面积（cm 2）； H ——平均高度（cm）
岩石力学试验指导书（2）用腊封法测定试样容重，按下式计算：mdPa =(m,-ma)(m, -m,)-Pn式中：Pa——岩石烘干密度（g/cm）；ma—一试样烘干重量（g);m——蜡封试样在空气中重量（g);m2一一蜡封试样在水中重量（g);P，一一石蜡密度（g/cm2）（石蜡容重可用水中称重法测定，参见11节）。（3）如需天然密度时，可按下式计算：P。=pa×(1+0.01x0)式中：P。——岩石天然密度（g/cm2）の一一岩石的天然含水量（%）。（4）根据实测岩石比重和容重，按下式计算总孔隙率：n=(1-P4)x100V式中：n一一岩石总孔隙率（%)；（5）计算值取小数点以后两位。m
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 3 （2）用腊封法测定试样容重，按下式计算： n d d d m m m m m ( ) ( ) 1 1 2 式中： d ——岩石烘干密度（g/cm3）； md ——试样烘干重量（g）； m1 ——蜡封试样在空气中重量（g）； m2 ——蜡封试样在水中重量（g）； n ——石蜡密度（g/cm3）（石蜡容重可用水中称重法测定，参见 11 节）。 （3）如需天然密度时，可按下式计算： (10.01) o d 式中： o ——岩石天然密度（g/cm3） ——岩石的天然含水量（）。 （4）根据实测岩石比重和容重，按下式计算总孔隙率： (1 )100 s d n 式中： n——岩石总孔隙率（）； （5）计算值取小数点以后两位
岩石力学试验指导书表 1-1密度试验记录表（量积法）工程名称试样尺寸试样岩石(cm)烘干试岩石试样高度体积样重量密度直径或边长备注名称编号(cml)(g/cml)平均值平均值(g)班级组别日期试验者计算者表 1-2密度试验记录表（腊封法）工程名称封蜡试样重量岩试试样重量（g）岩石天然(g)天然蜡封试蜡体试样岩石样石密度含水量样体积积密度备注体积名编天然含烘干(%)(cml)(cml)(cml)(g/cml)空气中水中(g/cml)称号水状态状态日期班级组别试验者计算者4
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 4 表 1-1 密度试验记录表（量积法） 工程名称_ 岩石 名称 试 样 编 号 试 样 尺 寸 （cm） 试样 体积 (cm 3 ) 烘干试 样重量 （g） 岩石 密度 (g/cm 3 ) 直 径 或 边 长 高 度 备 注 平均值 平均值 班 级 组 别 日 期 试验者 计算者 表 1-2 密度试验记录表（腊封法） 工程名称_ 岩 石 名 称 试 样 编 号 试样重量（g） 天然 含水量 (%) 封蜡试样重量 （g） 蜡封试 样体积 (cm3 ) 蜡体 积 (cm3 ) 试 样 体 积 (cm3 ) 岩石 密度 (g/cm3 ) 岩石天然 密度 (g/cm3 ) 备注 天然含 水状态 烘干 状态 空气中 水中 班 级 组 别 日 期 试验者 计算者
岩石力学试验指导书二、岩石单轴抗压强度试验2.1概述当无侧限岩石试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。不同含水状态的试样均可按本规定进行测定，试样的含水状态用以下方法处理：（1）烘干状态的试样，在105～110℃下烘24h。（2）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度的1/4，然后每隔2h分别升高水面至试样的1/3和12处，6h后全部浸没试样，试样在水下自由吸水48h：采用煮沸法饱和试样时，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于6h。2.2试样备制（1）试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不充允许有人为裂隙出现。按规程要求标准试件为圆柱体，直径为5cm，允许变化范围为4.85.2cm。高度为10cm，充许变化范围为9.5～10.5cm。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:1～2.5:1。（2）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备3个。（3）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。两端面的不平行度最大不超过0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。2.3试样描述试验前的描述，应包括如下内容：（1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。（2）节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。（3）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。2.4主要仪器设备2.4.1试样加工设备钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。2.4.2量测工具与有关检查仪器游标卡尺、天平（称量大于500g，感量0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。5
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 5 二、岩石单轴抗压强度试验 2.1 概述 当无侧限岩石试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为 岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。 在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。 不同含水状态的试样均可按本规定进行测定，试样的含水状态用以下方法处理： （1）烘干状态的试样，在 105～1100 C 下烘 24h。 （2）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度的 1/4，然后每隔 2h 分别 升高水面至试样的 1/3 和 1/2 处，6h 后全部浸没试样，试样在水下自由吸水 48h；采用煮沸 法饱和试样时，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于 6h。 2.2 试样备制 （1）试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不允许有人为裂隙出 现。按规程要求标准试件为圆柱体，直径为 5cm，允许变化范围为 4.8～5.2cm。高度为 10cm， 允许变化范围为 9.5～10.5cm。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者， 允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:1～2.5:1。 （2）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备 3 个。 （3）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过 0.3mm。两端面的不 平行度最大不超过 0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过 0.25 度。 2.3 试样描述 试验前的描述，应包括如下内容： （1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。 （2）节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间 的关系。 （3）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。 2.4 主要仪器设备 2.4.1 试样加工设备 钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。 2.4.2 量测工具与有关检查仪器 游标卡尺、天平（称量大于 500g，感量 0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备
岩石力学试验指导书2.4.3加载设备压力试验机。压力机应满足下列要求：（1）有足够的吨位，即能在总吨位的10%～90%之间进行试验，并能连续加载且无冲击。（2）承压板面平整光滑且有足够的刚度，其中之一须具有球形座。承压板直径不小于试样直径，且也不宜大于试样直径的两倍。如大于两倍以上时需在试样上下端加辅助承压板，辅助承压板的刚度和平整光滑度应满足压力机承压板的要求。（3）压力机的校正与检验应符合国家计量标准的规定。2.5试验程序（1）根据所要求的试样状态准备试样。（2）将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受力。（3）依每秒0.5～0.8MPa的加载速度对试样加荷，直到试样破环为止，记录最大破坏载荷。（4）描述试样破坏形态，并记下有关情况。2.6成果整理和计算按下式计算岩石单轴抗压强度P0.=A式中：α。一一岩石单轴抗压强度（MPa);P一一最大破坏载荷（N）：A一一垂直于加载方向的试样横截面积（mm2）。试验结果按表7-1记录。6
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 6 2.4.3 加载设备 压力试验机。压力机应满足下列要求： （1）有足够的吨位，即能在总吨位的 10%～90%之间进行试验，并能连续加载且无冲 击。 （2）承压板面平整光滑且有足够的刚度，其中之一须具有球形座。承压板直径不小 于试样直径，且也不宜大于试样直径的两倍。如大于两倍以上时需在试样上下端加辅助承 压板，辅助承压板的刚度和平整光滑度应满足压力机承压板的要求。 （3）压力机的校正与检验应符合国家计量标准的规定。 2.5 试验程序 （1）根据所要求的试样状态准备试样。 （2）将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受力。 （3）依每秒 0.5～0.8MPa 的加载速度对试样加荷，直到试样破坏为止，记录最大破坏 载荷。 （4）描述试样破坏形态，并记下有关情况。 2.6 成果整理和计算 按下式计算岩石单轴抗压强度 A P c 式中： c ——岩石单轴抗压强度（MPa）； P ——最大破坏载荷（N）； A ——垂直于加载方向的试样横截面积（mm 2）。 试验结果按表 7-1 记录
岩石力学试验指导书表 2-1岩石单轴抗压强度试验记录表工程名称年月日试验时间试寸样尺最大破坏单轴抗压荷强度岩石名称试样编号受力方向含水状态直径高度载备注横截面积(N)(MPa)(mm)(mm)(mm)试样描述班级组别试验者计算者7
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 7 表 2-1 岩石单轴抗压强度试验记录表 工程名称_ 试验时间_年_月_日 岩石名称 试样编号 受力方向 含水状态 试 样 尺 寸 最大破坏 载 荷 (N) 单轴抗压 强 度 (MPa) 直 径 备 注 (mm) 高 度 (mm) 横截面积 (mm2 ) 试 样 描 述 班 级 组 别 试验者 计算者
岩石力学试验指导书三、岩石压缩变形试验3.1概述岩石变形试验，是在纵向压力作用下测定试样的纵向（轴向）和横向（径向）变形据此计算岩石的弹性模量和泊松比。弹性模量是纵向单轴应力与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度的50%作为应力和该应力下的纵向应变值进行计算。根据需要也可以确定任何应力下的弹性模量。泊松比是横向应变与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度50%时的横向应变值和纵向应变值进行计算。根据需要也可以求任何应力下的泊松比。3.2试样备制试样备制方法和精度要求见7.2。3.3试样描述试样描述见7.3。3.4主要仪器设备（1）制样设备、检查仪器和压力机要求见7.4。（2）电阻应变片、粘结剂、万用表等。（3）电阻应变仪（或数据采集器）、压力传感器、引伸仪等。除用电阻应变仪外，也可用精度能达到0.1%和量程能满足变形测定需要的其他仪表。岩石试件轴向应变片横向应变片图4岩石试件贴电阻应变片示意图图5试件连接静态应变仪示意图3.5试验程序（1）选择电阻片，电阻片质量应符合产品要求，电阻丝的长度应大于组成试样的矿8
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 8 三、岩石压缩变形试验 3.1 概述 岩石变形试验，是在纵向压力作用下测定试样的纵向（轴向）和横向（径向）变形， 据此计算岩石的弹性模量和泊松比。 弹性模量是纵向单轴应力与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度的 50%作为应力 和该应力下的纵向应变值进行计算。根据需要也可以确定任何应力下的弹性模量。 泊松比是横向应变与纵向应变之比，规程规定用单轴抗压强度 50%时的横向应变值和 纵向应变值进行计算。根据需要也可以求任何应力下的泊松比。 3.2 试样备制 试样备制方法和精度要求见 7.2。 3.3 试样描述 试样描述见 7.3。 3.4 主要仪器设备 （1）制样设备、检查仪器和压力机要求见 7.4。 （2）电阻应变片、粘结剂、万用表等。 （3）电阻应变仪（或数据采集器）、压力传感器、引伸仪等。 除用电阻应变仪外，也可用精度能达到 0.1%和量程能满足变形测定需要的其他仪表。 图 4 岩石试件贴电阻应变片示意图 图 5 试件连接静态应变仪示意图 3.5 试验程序 （1）选择电阻片，电阻片质量应符合产品要求，电阻丝的长度应大于组成试样的矿 岩石试件 轴向应变片 横向应变片
岩石力学试验指导书物最大粒径或斑晶的10倍以上。同一试样用的工作片和补偿片的电阻值应不超过土0.2欧姆。（2）电阻片应贴在试样高度的中部，每个试样贴纵向（轴向）和圆周向电阻片各2片，沿圆周向对称布置，贴片处应尽量避开显著的裂隙、特大的矿物颗粒或斑晶。试样贴片前用零号砂纸打磨，用丙酮或酒精将贴片处擦洗于净，防止污染（如图4所示）。（3）贴片用的胶，一般情况下可用502快速粘结剂，914粘结剂等脆性胶：饱和试样还需配置防潮胶液。（4）将贴好片的试样置于压力机上，对准中心，以全桥或半桥的方式联入应变仪（或数据采集器，如图5所示），接通电源。以每秒0.5～0.8MPa的加载速度对试样加载，直至破坏。（5）在施加载荷的过程中，由数据采集系统同步记录各级应力及其相应的纵向和横向应变值。为了绘制应力~应变关系曲线，记录的数据应尽可能多一些，通常不少于10组数据。（6）描述试样的破坏形式，并记下与试验有关的的情况。试验记录格式见表8-13.6试验成果整理和计算3.6.1计算各级应力下的应变值（1）分别将纵向、横向各二片的数值进行平均，求得纵向、横向应变，（也可试验前将二片串联，直接测得纵向、横向应变值）。（2）用下式计算体积应变值：8,=8h-28式中：8,一一某一应力下的体积应变值；8h——某一应力下的纵向应变值；6a—一某一应力下的横向应变值。（3）绘制应力应变曲线图，如图6所示。9
岩 石 力 学 试 验 指 导 书 9 物最大粒径或斑晶的 10 倍以上。同一试样用的工作片和补偿片的电阻值应不超过±0.2 欧 姆。 （2）电阻片应贴在试样高度的中部，每个试样贴纵向（轴向）和圆周向电阻片各 2 片，沿圆周向对称布置，贴片处应尽量避开显著的裂隙、特大的矿物颗粒或斑晶。试样贴 片前用零号砂纸打磨，用丙酮或酒精将贴片处擦洗干净，防止污染（如图 4 所示）。 （3）贴片用的胶，一般情况下可用 502 快速粘结剂，914 粘结剂等脆性胶；饱和试样 还需配置防潮胶液。 （4）将贴好片的试样置于压力机上，对准中心，以全桥或半桥的方式联入应变仪（或 数据采集器，如图 5 所示），接通电源。以每秒 0.5～0.8MPa 的加载速度对试样加载，直至 破坏。 （5）在施加载荷的过程中，由数据采集系统同步记录各级应力及其相应的纵向和横 向应变值。为了绘制应力~应变关系曲线，记录的数据应尽可能多一些，通常不少于 10 组 数据。 （6）描述试样的破坏形式，并记下与试验有关的的情况。试验记录格式见表 8-1。 3.6 试验成果整理和计算 3.6.1 计算各级应力下的应变值 （1）分别将纵向、横向各二片的数值进行平均，求得纵向、横向应变，（也可试验前 将二片串联，直接测得纵向、横向应变值）。 （2）用下式计算体积应变值： v h d 2 式中： v ——某一应力下的体积应变值； h ——某一应力下的纵向应变值； d ——某一应力下的横向应变值。 （3）绘制应力～应变曲线图，如图 6 所示