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辽宁工程技术大学 岩石三轴压缩及变形试验
岩石三轴压缩及变形试验
一、概述
岩石三轴试验，是在三向应力状态下测定岩石的强度和变形的一种方法。本指导书介绍的是侧向等压的三轴试验。
本规定可用于测定烘干和饱和状态的的试样，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°C下烘24h。
（2）饱和状态的试样，按7.1规定的进行饱和。
为了便于资料分析，在进行三轴试验的同时，应制样测定岩石的抗拉强度和单轴抗压强度。
二、试样备制
（1）试样可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块，试样备制中不允许人为裂隙出现。
（2）试样为圆柱体，直径不小于5cm，高度为直径的2～2.5倍。试样的大小可根据三轴试验机的性能和试验研究要求选择。
（3）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，每种情况下必须制备5～7个。
（4）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。
三、试样描述
试样描述见7.3。
四、主要仪器设备
（1）试样加工设备，量测工具与有关检查仪器见7.4.1，7.4.2。
（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它仪表。
（4）三轴应力试验机（见图11）。
五、试验程序
5.1试样的防油处理
首先在准备好的试样表面上涂上薄层胶液（如聚乙烯醇缩醛胶等），待胶液凝固后，再在试样上套上耐油的薄橡皮保护套或塑料套，与试样两端的密封件配合，以防止试样试验中进油及试样破坏后碎屑落入压力室。
5.2安装试样
把密封好的试样放置于保护筒中，将压力室顶部的螺旋压帽组件卸下并吊装在横梁上升起，然后将放置于保护筒中的试样，用卡杆吊放入三轴试验机的压力室内。保护筒的下端有一凸出的球柱，此时要注意使球柱对准压力室底部中心的圆销孔，并放置平稳。试样在压力室中安置好后，即可向压力室内注油，直至油液达到预定的位置为止，然后用螺旋压帽组件封闭压力室。
5.3安装测量变形仪表
（1）用测微表或位移传感器适用于测定试样的纵向变形，测表可按装在压力室顶部，三轴试验机压力室构件的变形，应在试验前率定，在计算变形时予以扣除。
（2）用电阻应变仪可测定试样的纵向和横向应变。试验前在试样上贴上电阻应变片，将试样上焊接好的导线从压力室的导线孔中引出，与应变仪连接。

图三轴试件示意图
5.4侧向应力选择
须考虑下述条件：
（1）所选定的侧向应力须使所求的莫尔包络线能明显的反映出所需要的应力区。（工程试验中，岩样所在位置的侧向应力一般由实测而确定，也可由计算而给出）。
（2）应适当地照顾到莫尔包络线的各个阶段。
（3）最小侧压力的选定，应考虑试验机的精度。
5.5选择轴向载荷量程
根据已选定的侧向应力值，按下述经验公式选择轴向载荷量程：

式中：—— 可能的轴向破坏载荷（N）；
——试样的单轴抗压强度（MPa）；
——侧向应力（MPa）；
——系数，其值为4～7；
——试样的横截面积（mm2）。
5.6加载速度
试验时，先施加侧向压力到预定值，其加载速度宜控制在每秒0.05MPa左右，以保持侧向压力稳定性，整个试验过程中侧向压力的变化范围不得超过预定值的2%，然后以每秒0.8—1.0MPa的加载速度施加轴向荷载，直至破坏，并记录破坏时的最大载荷及相应的侧向压力值。
5.7变形记录
在施加轴向荷载的过程中，同步记录下各级应力下的纵向和横向应变（采用电阻应变仪）或纵向变形值（采用测微表）。为了绘制应力～应变曲线（如图15），测点应尽量多一些，一个试样通常不少于10组测值，记录表格见表11-1。
5.8破裂形式描述
试验结束后，取出试样，进行破坏形式描述。
六、成果整理和计算
6.1计算不同侧向应力下的轴向应力值

式中：——不同侧向应力时的轴向应力值（MPa）；
——轴向破坏载荷（N）；
——试样的横截面积（mm2）。
6.2根据轴向应力σ1和侧向应力σ3求岩石的内摩擦角j和粘聚力C

图13 ～最佳关系曲线

图14 莫尔应力圆
（1）以为纵坐标，为横坐标绘制～最佳关系曲线（直线），如图13所示，按下式直接求，值：

式中：
——岩石的粘聚力（MPa）；
——岩石的内摩擦角（度）；
——～最佳关系曲线纵坐标的应力截距（MPa）；
——～最佳关系曲线的斜率。
（2）在～最佳关系曲线（直线）上选定若干组对应的值，在剪应力与正应力坐标图上以为圆心，以为半径绘制莫尔应力圆（如图14），根据莫尔～库仑强度理论确定三轴应力状态下岩石的抗剪强度参数。
6.3绘制应力--应变曲线
（1）用测微表测定变形时，轴向应变按下式计算：

式中：
——轴向应变值；
——试样高度（mm）；
——试样压缩变形值（mm）；
——测定的总变形值（mm）；
——三轴压力室构件的变形值（mm）。
（2）用电阻应变仪测定应变时，按下式计算试样的体积应变值

式中：
——某一应力下的体积应变值；
——某一应力下的纵向应变值；
——某一应力下的横向应变值。
（3）绘制应力--应变关系曲线，如图15所示。

图15 三轴抗压强度应力～应变曲线图
（4）根据应力--应变关系曲线，分别计算弹性模量，泊松比:

式中：
——弹性模量（MPa）；
——相当于50%主应力差的应力值（MPa）；
——应力为抗压强度50%时的纵向应变值。
（5）取应力为抗压强度50%时的横向应变值和纵向应变值计算泊松比。

式中：
——泊松比；
——应力为主应力差50%时的横向应变值；
——应力为主应力差50%时的纵向应变值。
表11-1 岩石三轴试验记录表
岩石 名称
试样 编号
受力 方向
含水状态
试 样 尺 寸
侧向应力s3(MPa)
最大破坏载荷 (N)
轴向应力 s1(MPa)
弹性模量 E(MPa)
泊松比
m
备注
直径(mm)
高度(mm)
横截面积 (mm2)

粘聚力C= 摩擦角φ=
试 样 描 述

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辽宁工程技术大学测定岩石的抗拉强度实验
测定岩石的抗拉强度
岩石的抗压强度是指岩石在单向受拉条件下，受拉面上能承受的最大拉应力。目前，测定岩石抗压强度的方法很多，大致可分为直接位伸法和间接法两大类，而间接法又以劈裂法应用最为广泛。下面重点介绍直接拉伸法和劈裂法。

Ⅰ　直接拉伸法
一、基本原理
直接拉伸法是将试件夹持在夹持器内，然后平行于试件轴施加拉伸荷载直至岩石破坏，通过破坏荷载求得岩石的抗拉强度（σt）即：

二、仪器设备
1、制样设备：钻石机、锯石机、磨石机、车床等；
2、万能材料试验机：出力100kN；
3、拉伸夹持器（图6-1）：不少于3套；
4、测量平台、卡尺、放大镜等；
5、烘箱、干燥器；
6、水槽、煮沸设备或真空抽气设备；
7、树脂胶及粘接设备。
三、操作步骤
1、试件制备
试件规格采用直径为5cm，高为10cm的园柱体，每组3块，在试件制备过程中，不允许人为裂隙产生。
试件制备的精度应満足如下要求：
（1）沿试件高度，直径的误差不超过0.03cm；
（2）试件两端面不平行度误差，最大不超过0.005cm；
（3）端面应垂直于轴线，最大偏差不超过0.25°；
2、试件描述 试验前，对试件应描述下列内容：
（1）岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；
（2）加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题；
（3）含水状态及所使用的方法。
2、试件尺寸量测及描述
按试验二量积法中的要求，量测试件断面的边长，求取其断面面积（A）。
试件描述内容：包括岩石名称、颜色，主要矿物成分、结构构造、层理、节理等裂隙发育情况及拉伸应力间的关系。
3、试件烘干或饱和处理
根据试验要求需对试件进行烘干或饱和处理。
烘干试件：在105~110℃温度下烘干24h。
自由浸水法饱和试件：将试件放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没试件，试件在水中自由吸水48h。
煮沸法饱和试件：煮沸容器内的水面始终高于试件，煮沸时间不少于6h。
真空抽气法饱和试件：饱和容器内的水面始终高于试件，真空压力表读数宜为100kPa，直至无气泡逸出为止，但总抽气时间不应少于4h。
4、试件胶结
试件与夹持器胶结前，应将试件端面及夹持器接合面用丙酮洗净，然后将胶合剂均匀地涂抹在试件及夹持器端面上，胶结时，应严格对准中心。胶接后，在其上稍加重压，使两者紧密结合，静直至干燥。
5、安装试件、加荷
将胶接有岩样的拉伸夹持器安装在万能材料试验机的夹头内，注意须使试件平行于机器轴线，然后，以每秒0.3MPa的速率加荷至试件破坏，记录整个试验中荷载的最大值及试件彻底破坏的荷载值。
6、描述试件破坏情况
描述内容包括：破坏面的平直程度，与轴线的关系及破坏部位等情况，如破坏面为沿某一裂隙破坏或沿端面附近破坏时，则该次试验无效。
7、按下式计算岩石的抗拉强度

式中：σt――岩石的抗拉强度（MPa）；
            Pt――试件破坏时的拉伸荷载（N）；
            A――试件横载面积（mm2）。
四、试验报告内容
1、整理记录表格，格式如下表：
岩石轴向拉伸试验记录表
工程名称：  
岩石
名称  
试件
编号
受力
方向
含水
状态  
试　　样　　尺　　寸  
最大破
坏载荷
（N）
岩石抗
拉强度
（MPa）
备注  
平均直径
（mm）
平均高度
（mm）
横截面积
（mm2）
2、整理试件描述记录。
五、注意事项
试件与夹持器胶接时，要注意胶接牢靠，并注意检查夹持器轴与试件轴线是否一致。

Ⅱ　劈裂法
一、基本原理
劈裂法是在试件的直径（园柱体试件）方向上，施加一线性荷载，使之沿试件直径方向发生压致拉裂破坏，然后根据弹性理论求岩石的抗拉强度。劈裂法适用于能制成规则试件的各类岩石。试验时，线性荷载是通过一个特制夹具或在试件上、下各加一根压条实现的（图6-2）。
二、仪器设备
1、制样设备：钻石机、锯石机、磨石机、车床等；
2、测量平台、卡尺、放大镜等；
3、烘箱、干燥箱、水槽、煮沸设备或真空抽气设备；
4、材料试验机。
5、垫条
三、操作步骤
1、试件规格
劈裂试验适用于能制成规则试件的各类岩石，试件可用岩心或岩块加工制成。一般采用直径为48~54mm，高度为直径的0.5~1.0倍，并大于岩石最大颗粒的10倍的园柱体试件。同一含水状态下，每组试件制备不少于3块。
试件制备的精度应満足如下要求：
（1）沿试件高度，直径的误差不超过0.03cm；
（2）试件两端面不平行度误差，最大不超过0.005cm；
（3）端面应垂直于轴线，最大偏差不超过0.25°；
2、试件尺寸测量及描述
按试验二中量积法的要求，量测度样的直径，高度或边长，并划出加荷中线。
试件描述内容：
（1）岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；
（2）加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题；
（3）含水状态及所使用的方法。
3、试件烘干或饱水处理
根据试验要求需对试件进行烘干或饱和处理。
烘干试件：在105~110℃温度下烘干24h。
自由浸水法饱和试件：将试件放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没试件，试件在水中自由吸水48h。
煮沸法饱和试件：煮沸容器内的水面始终高于试件，煮沸时间不少于6h。
真空抽气法饱和试件：饱和容器内的水面始终高于试件，真空压力表读数宜为100kPa，直至无气泡逸出为止，但总抽气时间不应少于4h。
4、安装试件、加荷
通过试件直径的两端，沿轴线方向划两条相互平行的加载基线，将2根垫条沿加载基线，固定在试件两端。
将试件置于试验机承压板中心，调整球形座，使试件均匀受荷，并使垫条与试件在同一加荷轴线上。
以每秒0.3~0.5MPa的加荷速度加荷，直至试件破坏，记录下破坏荷载，描述试件破坏后的形态。
5、按下式计算岩石的抗拉强度

式中：σt――岩石的抗拉强度（MPa）；
            P――破坏荷载（N）；
            D――试件直径（mm）；
            l――试件高度（mm）。
计算值取3位有效数字。
四、试验报告内容
1、整理记录表格，格式如下表：
抗拉强度试验（劈裂法）记录表  
试件
编号
试验
状态
受力
方向
试件尺寸（mm）
破坏荷载P（N）
抗拉强度（MPa）
高h  
直径D
单　　值  
平均值
2、整理试件描述资料。
五、注意事项
1、试件上、下两根垫条应与试件中心面位于同一平面内，以免产生偏心荷载。
2、破坏面必须通过上、下两加荷线，如果只产生局部破坏，须重新试验。
六、思考题
1、同一岩性的岩石分别用直接拉伸法和劈裂法进行试验，如果不考虑其它因素的影响，求得的抗拉强度是否相同？为什么？
2、试比较直接拉伸法与劈裂法间的异同点。

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岩石抗剪强度试验(变角剪切)
一、概述
标准岩石试样在有正应力的条件下，剪切面受剪力作用而使试样剪断破坏时的剪力与剪断面积之比，称为岩石试样的抗剪强度。
利用几个不同角度的抗剪夹具做试验，得出试样沿剪断面破坏的正应力和剪应力之间的关系，以确定岩石抗剪强度曲线的一部分。
二、试样备制
试样为50´50´50mm或70´70´70mm的立方体，误差小于0.2～0.3mm，试样各端面严格平行，不平行度小于0.07mm，四面凸起小于0.03mm。
每组试验至少3个角度，每个剪切角度的试样数目应不少于2～3个，所以一组试验的试样数目至少应有6～9个以上。

图8 岩石变角剪示意图 图9 岩石变角剪加载示意图
三、试验设备、用具
压力试验机，抗剪夹具（20°、30°、40°三个），卡尺及其它辅助设备。
四、试验程序
（1）描述试样的颜色、颗粒、层理方向、加工精度等情况，在试样上划出剪切线。
（2）用游标卡尺量测试样的高、宽、长的尺寸，精确到0.05mm，并计算剪切面的面积。
（3）把试样和抗剪夹具一起放在压力试验机的承压板上，夹具与垫板之间放滚轴以消除摩擦力，试样和抗剪夹具周围放防护罩。
（4）以每秒0.5～1.0MPa 的速度加载，直到试样剪断为止，记录下破坏时的载荷，格式见表10-1。
（5）按20°、30°、45° 不同夹具，分别逐个进行试验，每个角度做3件。
五、试验成果整理和计算
（1）试样受力状态如图8、9所示，根据下式计算试样所受的正应力和剪应力。

式中：
——抗剪断面上平均正应力（Mpa）；
——抗剪断面上平均剪应力（MPa）；
——抗剪夹具的角度（剪力与竖直方向）（度）；
——试样破坏时的载荷（N）；
——剪断面积（mm2）。
（2）绘制岩石抗剪强度曲线图。
通过改变夹具的剪切角剪切试样，对于每一个角度可以确定试样的一对剪应力t、正应力s值，把这些值标在t～s坐标图中，连接求得的各点，即可得到如图10所示的岩石抗剪强度曲线。

图10 岩石抗剪强度部分曲线图