2巖石強(qiáng)度試驗(yàn)

1、2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)定內(nèi)容實(shí)驗(yàn)測(cè)定內(nèi)容包括：（1）單向抗壓強(qiáng)度；（2）單向抗拉強(qiáng)度；（3）彈性模量；（4）泊松比；（5）內(nèi)聚力；（6）內(nèi)摩擦角。2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）抗剪實(shí)驗(yàn)采用的儀器設(shè)備為： WE-60型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，見(jiàn)圖2.1（2）抗壓和變形實(shí)驗(yàn)采用的儀器設(shè)備為：WE-30型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，見(jiàn)圖2.2; 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（型號(hào) YJ-31）; 電阻應(yīng)變計(jì)（型號(hào)：BF12010AA;電阻值：120.2 =0.1歐姆；靈敏系數(shù):2.14 1%;級(jí)別：A）,見(jiàn)圖 2.3。（a） WE-60型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（b）抗剪夾具（變角剪）圖2.1 WE-60型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)與抗剪夾具圖2.2 WE-30型萬(wàn)能材

2、料試驗(yàn)機(jī)(a)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(b)電阻應(yīng)變計(jì)圖2.3靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與電阻應(yīng)變計(jì)(3)抗拉實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為： WE-10型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(圖2.4)1.1 WE-10型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(b)抗拉夾具圖2.4 WE-10型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)與抗拉夾具2.4 測(cè)量工器具(1)游標(biāo)卡尺，精度為0.02mm；(2)天平(最大量程1000g,精確值1g);(3)水平檢測(cè)臺(tái)。2.5 實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)按照中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)(1987-11-18發(fā)布，1987-12-10 實(shí)施)規(guī)定的“煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，包括：MT-38-87煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定的采樣一般規(guī)定；MT-44-

3、87煤和巖石單向抗壓強(qiáng)度及軟化系數(shù)測(cè)定方法；MT-45-87煤和巖石變形參數(shù)測(cè)定方法；MT-46-87煤和巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)定方法；MT-47-87煤和巖石抗剪實(shí)驗(yàn)方法。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所需標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸與最低數(shù)量見(jiàn)表2.1表2.1各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所需標(biāo)準(zhǔn)式樣尺寸與數(shù)量表測(cè)定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)式樣尺寸(cm)標(biāo)準(zhǔn)式樣最低數(shù)量單向抗壓強(qiáng)度直徑5,高103個(gè)變形參數(shù)直徑5,高103個(gè)單向抗拉強(qiáng)度直徑5,高2.53個(gè)抗剪強(qiáng)度直徑5,高105個(gè)2.6 巖樣加工為測(cè)定巖樣的物理力學(xué)性質(zhì)，首先要對(duì)原始巖樣進(jìn)行加工，使其符合測(cè)量標(biāo) 準(zhǔn)，方可進(jìn)行測(cè)定。首山一礦郵寄巖樣共 5塊，其中煤樣2塊，分別為己15煤和 己16、17煤，己15煤直接頂、

4、底板和基本頂巖樣各1塊，圖2.5為郵寄來(lái)的部分巖 樣。(a)下位直接頂巖樣(b)煤樣圖2.5首山一礦郵寄來(lái)的部分巖樣對(duì)巖樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格加工。巖樣的鉆取采用CS200型自動(dòng)取芯機(jī)，加工后的巖樣的直徑約為50mm,運(yùn)用巖石切割機(jī)對(duì)取芯后的巖樣進(jìn)行切割，用磨石機(jī)進(jìn)行端面磨平，加工后巖樣長(zhǎng)度為100mm。巖樣加工機(jī)械為，巖石自動(dòng)取芯機(jī)、巖石切割機(jī)、磨石機(jī)或磨床，見(jiàn)圖 2.6(a)巖石自動(dòng)取芯機(jī)(b)巖石切割機(jī)1rl(c)側(cè)面雙端面磨石機(jī)(d)正面雙端面磨石機(jī)圖2.6巖石自動(dòng)取芯機(jī)、切割機(jī)與磨石機(jī)提取到的巖芯如圖2.7所示(a)巖石試樣(b)己15煤巖芯圖2.7提取到的部分巖芯切割后巖樣見(jiàn)圖2.8。通過(guò)

5、加工最后成形巖樣為實(shí)驗(yàn)規(guī)程所要求的圓柱體，巖樣各邊長(zhǎng)誤差不超過(guò)-0.1+0.3mm,兩端不平行度不大于0.1mm。將巖樣放在水平檢測(cè)臺(tái)上，用直角尺緊貼巖樣垂直測(cè)邊，要求兩者之間無(wú)明顯縫隙，所加工 巖樣表面光滑，沒(méi)有明顯缺陷(極個(gè)別數(shù)量不足巖樣除外)。(a)巖石試件(b)己15煤樣試件圖2.8加工后的部分巖樣2.7 巖樣試驗(yàn)2.7.1 巖樣抗剪試驗(yàn)對(duì)加工后巖樣進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)定。圖 2.9為用于做抗剪試驗(yàn)的巖樣。在測(cè)定 前，首先對(duì)巖樣進(jìn)行直徑和長(zhǎng)度的測(cè)量。測(cè)量直徑與長(zhǎng)度的工具為游標(biāo)卡尺， 其測(cè)量量程為300 mm,精確度為0.02 mm。(b)煤樣試件(a)巖樣試件圖2.9做抗剪試驗(yàn)的部分巖樣對(duì)于

6、抗剪強(qiáng)度的測(cè)定，巖石會(huì)表現(xiàn)出剪切破壞的性質(zhì)。一般較堅(jiān)硬的脆性巖 石都能表現(xiàn)出拉伸破壞的性質(zhì)。(1)實(shí)驗(yàn)步驟 核對(duì)巖樣名稱和巖樣編號(hào)，對(duì)巖樣顏色、顆粒、層理、節(jié)理、裂隙、風(fēng) 化度以及加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，從中選15個(gè)成型較好的進(jìn)行編號(hào)，上位砂泥巖試件標(biāo)號(hào)1-11-3,下位泥巖試件標(biāo)號(hào) 2-12-3,己15煤試件標(biāo)號(hào) 3-13-3,下位己16、17煤試件標(biāo)號(hào)4-14-3,上位細(xì)砂巖試件標(biāo)號(hào)5-15-3; 在40°60°范圍內(nèi)選擇3個(gè)或5個(gè)以上的剪切角度。按照不同的剪切 角度將巖樣分組編號(hào)，并在巖樣上畫出剪切線； 檢查巖樣加工精度，測(cè)量巖樣尺寸，按剪切方向，高和直徑各測(cè)量

7、兩次， 取其算術(shù)平均值； 選擇壓力機(jī)刻度盤時(shí)，一般應(yīng)滿足下式：0.2P。Rax 0.8B(2-1)式中：Pmax為預(yù)計(jì)最大破壞載荷，kN； R為材料試驗(yàn)機(jī)度盤最大值，kN。 調(diào)整材料試驗(yàn)機(jī)刻度盤指針為零，使材料試驗(yàn)機(jī)處于工作狀態(tài)。將已調(diào)好的變角剪切夾具下座放在材料試驗(yàn)機(jī)上，使其中心線與承壓板中心線重合，裝上巖樣并安好夾具上座，調(diào)整承壓板球形座，使變角剪切夾具受力均勻； 夾具與巖樣調(diào)整好后，以0.51.0MPa/s的速度加載直至破壞。加載時(shí)，人員要離開(kāi)工作臺(tái)，保持一定距離并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施 圖2.10為上位直接頂巖層的加載及破壞后巖樣。(a)加載(1-1)(b)破壞后試件(1-1)圖2.10加

8、載及破壞后的上位直接頂試件(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)15個(gè)巖樣試件的實(shí)驗(yàn)室抗剪強(qiáng)度測(cè)定，得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2.2表2.2巖樣抗剪實(shí)驗(yàn)破壞載荷(kN )數(shù)據(jù)表抗剪厝角度高度載荷正應(yīng)力剪應(yīng)力1-1455.0417372.250.5上位砂泥1-2504.9810437.537.5巖1-3555.164212.317.52-1455.1022694.466.0下位泥巖2-2505.0317362.462.32-3554.979427.539.23-1455.204719.613.7己15煤3-2505.206122.022.03-3555.00205.88.34-1455.105121.715.1己16、 17

9、煤4-2505.155818.618.54-3554.79248.111.4上位細(xì)砂5-1454.9825579.255.0巖5-2505.1218762.562.55-3555.2311339.255.6(3)巖樣的抗剪實(shí)驗(yàn)計(jì)算及相關(guān)參數(shù)分析巖樣的抗剪實(shí)驗(yàn)如圖2.11所示。巖石的抗剪強(qiáng)度是指巖石抵抗剪切破壞的 極限強(qiáng)度即剪切面上的切向應(yīng)力。它是巖石力學(xué)性質(zhì)中最重要的指標(biāo)之一。剪切破壞面AB上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的計(jì)算1-鋼墊板；2-變角剪切夾具上座；3-規(guī)則巖樣；4-變角剪切夾具下座；5-滾柱圖2.11變角剪切夾具各測(cè)定角度下的平均正應(yīng)力值和平均剪應(yīng)力值直角坐標(biāo)系中，不同角度下的平均測(cè)值的的連線為

10、曲線，如圖 2.12所示。為了便于工程上的應(yīng)用，可將巖石“正應(yīng)力-剪應(yīng)力”強(qiáng)度曲線簡(jiǎn)化為直線， 簡(jiǎn)化后可用下列方程表示：c tg（2-2）式中：c為巖石強(qiáng)度曲線在 軸上的截距，即巖石的內(nèi)聚力；為巖石強(qiáng)度曲線的傾角，即巖石的內(nèi)摩擦角。圖2.12巖石剪切強(qiáng)度曲線粘結(jié)力（內(nèi)聚力）C和內(nèi)摩擦角 的值是表達(dá)巖石剪斷條件的基本參數(shù)，巖 石力學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)就是測(cè)定粘結(jié)力（內(nèi)聚力）C和內(nèi)摩擦角這兩項(xiàng)指標(biāo)。而抗剪強(qiáng)度和這兩個(gè)參數(shù)之間有著密切的關(guān)系。(2-3)(2-4)c和 值的計(jì)算：在簡(jiǎn)化后的直線上任意取點(diǎn) 1點(diǎn)和2點(diǎn)，求出剪應(yīng)力1和 2,正應(yīng)力1和2,代入下面的公式，即可求出c和 的值。c=

11、2- 2 tg2arctg 2.7.2巖樣抗拉試驗(yàn)做抗拉試驗(yàn)白巖樣如圖2.13所示，測(cè)定前，首先對(duì)巖樣進(jìn)行了直徑和長(zhǎng)度的測(cè)量。測(cè)量直徑與長(zhǎng)度的工具為游標(biāo)卡尺，其測(cè)量量程為300 mm,精確度為 0.02 mm。實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)定前核對(duì)巖樣名稱和巖樣編號(hào)，對(duì)巖樣顏色、顆粒、層理、節(jié)理、裂隙、風(fēng)化程度以及加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，上位砂泥巖試件標(biāo)號(hào)1-41-6,下位泥巖試件標(biāo)號(hào) 2-42-6,己15煤試件標(biāo)號(hào)3-43-6,上位細(xì)砂巖試件 標(biāo)號(hào)4-44-6,己16、17煤試件標(biāo)號(hào)5-45-6; 檢查巖樣加工精度，測(cè)量巖樣尺寸；選擇材料試驗(yàn)機(jī)度盤時(shí)，一般應(yīng)滿足下式(2-5)0.2P0Pmax 0.8P。

12、式中：Pmax為預(yù)計(jì)最大破壞載荷，kN； P0為材料試驗(yàn)機(jī)度盤最大值，kN(a)上位直接頂試件(b)己15煤樣試件圖2.13做抗拉試驗(yàn)的部分試件通過(guò)巖樣直徑的兩端，沿軸線方向畫兩條互相平行的線作為加載地基線, 把巖樣放入夾具內(nèi)，夾具上下刀刃對(duì)準(zhǔn)加載基線，用兩側(cè)夾持螺釘固定好巖樣， 見(jiàn)圖2.14;1-尖端為R1刀刃；2-夾具座；3-刀承；4-巖樣；5-夾持螺釘圖2.14劈裂法抗拉夾具示意圖 把夾好巖樣的夾具放入材料試驗(yàn)機(jī)上、下承壓板之間，使巖樣的中心線和材料試驗(yàn)機(jī)的中心線在一條直線上，見(jiàn)圖1PP2.15;1-承壓板；2-巖樣；3-鋼絲圖2.15載荷位置示意圖開(kāi)動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)，施加幾百牛頓載荷后，松

13、開(kāi)夾具兩側(cè)夾持螺釘，然后 以0.030.05Mpa/s速度力口載，直到破壞。 記錄破壞載荷，對(duì)破壞后的巖樣進(jìn)行拍照，見(jiàn)圖2.16。(a)上位直接頂試件(2-4)(b)上位直接頂破壞試件(2-4)15煤試件(3-4)(d)己15煤破壞試件(3-4)圖2.16部分巖樣的抗拉試驗(yàn)(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)15個(gè)巖樣的實(shí)驗(yàn)室抗拉強(qiáng)度的測(cè)定，得到數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2.3。表2.3巖樣抗拉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表巖樣編-號(hào) 直徑（cm）高度（cm）破壞載荷（kN）抗拉強(qiáng)度均值(Mpa)1-44.942.933.591.581-54.942.82.421.121.221-64.942.92.180.972-45.02.94.171.8

14、22-55.02.72.661.261.372-65.02.582.101.043-44.973.21.210.483-54.973.271.100.430.473-64.973.41.330.504-44.993.128.513.484-54.993.27.502.993.404-64.993.109.023.715-45.012.91.970.865-45.012.961.480.640.655-65.013.031.090.46(：3）巖樣的抗拉強(qiáng)度的計(jì)算巖樣單向抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式：2PR10(2-6)DL式中：R為巖樣的抗拉強(qiáng)度，Mpa；P為巖樣的破壞載荷，kN；D為巖樣的直徑，cm；

15、 L為巖樣的厚度，cmIo2.7.3巖樣抗壓及變形實(shí)驗(yàn)在測(cè)定前，首先對(duì)巖樣進(jìn)行了直徑和長(zhǎng)度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)步驟 測(cè)定前核對(duì)巖樣名稱和巖樣編號(hào)，對(duì)巖樣顏色、顆粒、層理、節(jié)理、裂 隙、風(fēng)化度以及加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行描述，上位砂泥巖試件標(biāo)號(hào)1-71-9,下位泥巖試件標(biāo)號(hào)2-72-9,己15煤試件標(biāo)號(hào)3-73-9,己16、17煤試件標(biāo)號(hào)4-7 4-9,上位細(xì)砂巖試件標(biāo)號(hào)5-75-9。檢查巖樣的加工精度，測(cè)量巖樣的尺寸（應(yīng)在巖樣高度中部?jī)蓚€(gè)互相垂 直的方向測(cè)量其直徑，取算術(shù)平均值）填入記錄表內(nèi)。 選擇壓力機(jī)度刻盤時(shí)，一般應(yīng)滿足下式：kN0.2P。匕ax 0.8R（2-7）式中：Pmax為預(yù)計(jì)最大破壞載荷

16、，kN； R為材料試驗(yàn)機(jī)度盤最大值, 啟動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)，使材料試驗(yàn)機(jī)處于工作狀態(tài)。將巖樣置于材料試驗(yàn)機(jī) 承壓板中心，調(diào)整球形座，使巖樣上下在受力均勻，巖樣為脆性巖石時(shí)，應(yīng)加設(shè) 保護(hù)外罩。 以0.51.0Mpa/s的速度加載直至破壞。 記錄破壞載荷以及加壓過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，并對(duì)破壞后的巖樣進(jìn)行描述 和拍照，如圖2.17。(a)上位直接頂試件(2-7)(b)上位直接頂破壞試件(2-7)(c)己15煤試件(3-7)(d)己15煤破壞試件(3-7)圖2.17部分巖樣的抗壓試驗(yàn)(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)15個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)室抗壓強(qiáng)度測(cè)定，得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.4。(3)相關(guān)參數(shù)分析巖石的變形實(shí)驗(yàn)過(guò)程與抗壓實(shí)驗(yàn)相同，巖石的

17、單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量、泊 松比等力學(xué)參數(shù)取決于巖石的組成結(jié)構(gòu)、 礦物顆粒性質(zhì)以及微觀裂隙等，對(duì)這些 參數(shù)的測(cè)定十分重要。表2.4巖樣抗壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表抗壓編號(hào)載荷極限(KN )抗壓強(qiáng)度(MPa)平均1-72.0310.8上位砂泥巖1-81.819.69.41-91.487.92-75.0226.6下位泥巖2-84.6724.825.72-94.8625.83-70.824.415煤3-80.924.94.23-90.643.44-70.945.0下位16煤4-80.824.44.74-90.94.85-71.538.17.2上位細(xì)砂巖5-81.337.15-91.246.5巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的計(jì)算

18、_ PR 10(2-8)式中：R為巖樣單向抗壓強(qiáng)度，Mpa； P為巖樣的破壞載荷，kN; F為巖樣的 初始載面積，cm2。應(yīng)力的計(jì)算(-p- 10(2-9)式中： 為應(yīng)力，Mpa； P'為與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的載荷，Mpa； F為巖樣的初始載面 積,cm2。彈性模量的計(jì)算彈性模量可按下式計(jì)算。Et a(2-10)b a式中：Et為切線(彈性)模量；a為應(yīng)力應(yīng)變曲線中直線段始點(diǎn)的應(yīng)力， Mpa； b為應(yīng)力應(yīng)變曲線中直線段終點(diǎn)的應(yīng)力， Mpa； a為應(yīng)力應(yīng)變曲線中直線 段始點(diǎn)的應(yīng)變值；b為應(yīng)力應(yīng)變曲線中直線段終點(diǎn)的應(yīng)變值。泊松比的計(jì)算dp根據(jù)應(yīng)力一縱向應(yīng)變和應(yīng)力一橫向應(yīng)變兩曲線上的對(duì)應(yīng)直線段部分縱向應(yīng) 變和橫向應(yīng)變的平均值計(jì)算泊松比(2-11)lp式中：dp為應(yīng)力