岩石力学性质试验.pdf

岩石力学性质试验 主讲付小敏 成都理工大学 环境与土木工程学院 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 提纲提纲 岩石三轴试验是在三向应力状态下，测定和研究 岩石变形和强度特性的一种试验。 按应力的组合方式，可分为两种情况 1、侧向等压的三轴压缩试验（ σ1＞ σ2＝ σ3）； 主要研究围压（ σ2＝σ3）对岩石变形、强度及 破坏的影响，测定岩石三轴抗剪强度指标。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 概述概述 岩石常规三轴 试验试验装置 侧向等压的三轴 压缩试验 （ σ2＝σ3）； 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 概述概述 常规三轴室 2、三轴不等应力试验（ 真三轴、σ1＞ σ2 ＞ σ3）； 主要研究中间应力σ2的影响。通过大量试验研 究， σ2对岩石的三轴极限强度和变形是有影响的，但 其影响与σ3的影响比起来要小得多。 但对各向异性岩石，当弱面走向垂直于中间主应力 时， σ2对岩石强度的影响可达20％左右。 为了确定岩石的极限应力圆包络线，还应同时测定 岩石的单轴抗拉强度和单轴抗压强度。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 概述概述 三轴不等应力试 验装置 （ 真三轴、 σ1＞ σ2 ＞ σ3） 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 概述概述 真三轴试验机 应变仪 试件 a、用岩 石试件的变 形（纵向、 横向变形） 控制加载速 度； b、刚度 大。 一）仪器设备一）仪器设备 1、伺服控制刚性试验机1、伺服控制刚性试验机 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备 2、三轴压力室2、三轴压力室 三轴压力室 三轴压力室底座 滑轨 利用伺服控制刚性试验机 提供轴向荷载，将三轴压力室 底座推至试验机活塞中心，放 下三轴压力室，并用螺栓与底 座连接。 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备 轴向荷载加 压油缸 3、、液压稳压综合控制系统液压稳压综合控制系统 三轴压力稳压系统 三轴压力加压系统 围 压 0～100MPa； 试件尺寸 φ2550mm； φ50100mm； φ100200mm。 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备 4、系统程序4、系统程序 a、定义（Edit） 输入信号（ Signals；控制通道（Control Channals； 手动模板显示（LUCP Display ；计数器（Meters）；示波 器。 b、调节（Adjust Signals Force－3000、1200、450KN LVDT－50、5mm 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备 5、试验程序5、试验程序 a、控制方式 位移LVDT。 荷载Force。 两种方式可任意互换。 b、加载方式 加载、卸载、保持；可任意互换。 c、数据采集 主控信号 LVDT、 Force、Time、围压。 采集方式连续、间隔。 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 仪器设备仪器设备 二）试验方法二）试验方法 1、常规试验方法1、常规试验方法 a、同一含水状态下，每组不少于5个试件， 分别施加不同的侧压，在轴向荷载的连续加载 下，使这些试件破坏。 单个破坏状态试验； b、侧向压力的确定 根据工程需要和岩石的特性确定； 按等差级数进行分级，也可按等比级数分 级，分级数不得少于5级。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 施加一级 围压σ3 试验过程中 保持不变 施加轴 向荷载 直至试 件破坏 轴向荷载的加载速度 应力控制0.5～1MPa/s；位移控制0.1mm/min 国家标准 国际推荐 2、试验过程2、试验过程 1）制备试件 尺寸φ2550mm、 φ50100mm、 φ100200mm ；高径比＝21。 精度要求 在试件整个高度上，直径误差不超过 0.3mm； 两端面的不平行度，最大不超过0.05mm； 端面应垂直于试件轴，最大偏差不超过 0.25度。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 2）安装试件 a、套热缩管、隔油； 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 试样安装完 毕，给压力 室注油，准 备施加围压 以0.05MPa/s同时施加侧压 力和轴向压力至预定侧压力值 以0. 5～1.0MPa/s施加轴向 荷载，直至试件完全破坏。 三）成果整理三）成果整理 LVDTFORCECON. PRES mmNN/mm2 0.100067 6957.645 1.058321 0.20016 7345.287 1.053151 0.300253 8167.088 1.047982 0.400002 8508.214 1.047982 0.500095 9128.441 1.037643 0.600016 9593.6121.06349 0.700109 10896.09 1.047982 0.8000311997 1.047982 0.900124 12710.26 1.037643 1.000217 13408.011.06349 1.100138 14136.78 1.047982 1.200059 13997.23 1.047982 1.300152 12865.31 1.037643 1.400073 13470.04 1.053151 data 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 （一）常规试验方法（一）常规试验方法 1、计算不同侧压条件下的轴向应力1、计算不同侧压条件下的轴向应力 σ1 P/A 式中σ1不同侧压条件下的轴向应力MPa； P试件轴向破坏荷载N； A试件的截面积mm2。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 2、根据极限轴向根据极限轴向 应力σ应力σ1 1和围压σ和围压σ3 3求岩求岩 石的内摩擦角φ和内聚石的内摩擦角φ和内聚 力C。力C。 1）以1/2 σ1 －σ3）为纵坐标， 1/2 σ1＋ σ3）为 横坐标，将各点绘在直 角坐标系中，然后用最 小二乘法绘制出最佳关 系曲线。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 0 31σσ/2 σ-σ/213 102030405060 10 20 30 40 50 最佳关系曲线。 2）在最佳关系 曲线上，选择若干 组对应值，以每一 应力组的1/2 σ1 ＋σ3）值为圆心， 以1/2 σ1－ σ3）值为半径，在 τ～σ图上绘制应 力圆，并作这些圆 的包络线，据此确 定它们的C、φ 值。 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 102030405060 10 20 30 40 50 0 σ τ 应力莫尔圆 C φ 3）以σ1纵坐标， σ3为横坐标点绘的 最佳关系曲线为直 线，可按下式直接求 C、 φ值。 y 12.8x 165.04 0 50 100 150 200 250 300 350 400 051015 围压 σ3 MPa 轴压 σ1 MPa 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 1sin 2 co s 1 1 sin 1 c c m m σφ φ φ − − − y 12.8x 165.04 0 50 100 150 200 250 300 350 400 051015 围压 σ3 MPa 轴压 σ1 MPa 式中 C岩石的内聚力MPa； φ 岩石的内摩擦角（度）； σc－曲线在纵坐标上的截距MPa ； m－曲线斜率。 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 3、绘制应力～应变曲线3、绘制应力～应变曲线 1）、计算纵向、环向和 体积应变值。 dlv εεε2− 2）、绘制应力差～轴向 应变（εL）曲线。 3）、计算弹性模量和泊 松比。 0 50 100 150 200 250 00.0050.010.015 εL （σ1-σ3）（MPa） σ30 σ34 σ312 σ38 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 4、破坏后试件描述、破坏后试件描述 描述破坏形式，并量测破坏面与最大主应力作 用面之间的夹角。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 断层泥 三、三轴压缩强度和变形试验三、三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 破碎带 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 两端 面经 处理 平整 后的 试样 二）试验方法二）试验方法 2、多级破坏状态试验方法（单点法）2、多级破坏状态试验方法（单点法） （1）一个试件采用多级加载方法获得强度 包络线的试验方法； 此种方法被“国际岩石力学学会标准化委员 会”采纳，作为测定岩石三轴压缩试验的建议方 法颁布。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 （2）多级破坏状态的三轴试验方法 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 施加4～5级围压σ3 直 至 试 件 破 坏 轴向荷载的加载速度 应变控制每秒10－2～ 10－5 。 国际推荐 观察变形曲线，在屈服点， 保持轴压，增加围压 在每级围压下，施加轴向荷载 单点法 三轴试 验过程 中荷载 与轴向 位移的 关系曲 线 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 试验方法试验方法 （3）资料整（3）资料整 理理 a、计算不同a、计算不同 侧压条件下的侧压条件下的 轴向应力轴向应力 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 1sin 2 co s 1 1 sin 1 c c m m σφ φ φ − − − y 12.8x 165.04 0 50 100 150 200 250 300 350 400 051015 围压 σ3 MPa 轴压 σ1 MPa 式中 C岩石的内聚力MPa； φ 岩石的内摩擦角（度）； σc－曲线在纵坐标上的截距MPa ； m－曲线斜率。 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 成果整理成果整理 b、绘制侧压与轴向应力曲线b、绘制侧压与轴向应力曲线 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 破碎岩样三轴试验破碎岩样三轴试验 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 破碎岩样三轴试验破碎岩样三轴试验 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 破碎岩样三轴试验破碎岩样三轴试验 三轴压缩强度和变形试验三轴压缩强度和变形试验 小尺寸岩样高围压三轴试验小尺寸岩样高围压三轴试验