实验一 岩石的抗拉强度实验

实验一 岩石的抗拉强度实验

一、原理

抗拉强度是岩石力学性质的重要指标之一。由于岩石的抗接强度远小于其抗压强度，故在受载时，岩石往往首先发生拉伸破坏，这一点在地下工程中有着重要意义。

由于直接拉伸试验受夹持条件等限制，岩石的抗拉强度一般均由间接试验得出。在此采用国际岩石学会实验室委员会推荐并为普遍采用的间接拉伸法（劈裂法，又舟巴西法）测定岩样的抗拉强度。由弹性理论可以证明，圆柱或立方形试件劈裂时的抗拉强度由下式确定

Dt

P u

bt πσ2=

式中：P u —试件破坏时的荷载；

D —圆柱体试件的直径或立方体试件高度； t —圆柱体试件厚度或立方体试件宽度。

止式认为在试件破裂面上的应力为均匀拉应力，实际上在试件受压接触点处，压应力值大于均匀拉应力值的12倍以上，然后迅速下降，以圆柱试件为例，在距圆柱试件中心大约0.8r （半径）处，应力值变为零，然后变为拉应力，至圆板中心附近拉应力取最大值，因此做劈裂试验时常在圆柱样中心附近首先产生拉伸断裂，圆柱体试件受压直径面上的应力分布如图1－1所示。

图1－1

二、仪器设备

1．压力机，规格10吨；

2．试样加工设备：钻石机、切石机、磨光机、卡尺、角尺、测量平台、放

大镜、金刚砂、玻璃板、烘箱、干燥器等；

3．垫条：直径为1.5mm或为2.0mm的钢丝。

三、操作步骤

1．试样制备

规格为υ5厘米或5×5厘米的岩样，每组3个，加工允许尺寸误差小于0.2mm，两端面平行度小于0.1mm，端面应垂直于试样轴线，最大偏差小于0.25度。对于非均质粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比应满足标准试样的要求。

2．试样安装

将准备好的试样连同垫条按图1－1所示的形式旋转在压力机上下压板间，然后调整压力机的横梁或活塞，使试样固定，应注意使试样上、下两垫条刚好位于包含压力机加荷板中心线的垂直面内，以避免荷载的偏心作用。

3．施加荷载

以每秒3~5kg/cm2的加荷速率加压，直至试样破坏，记录最大破坏荷载，并描述试样破坏情况。

四、成果计算

按上式计算岩石抗拉强度，计算值取至小数点后一位。

五、记录试验数据，分析试验结果

岩石劈裂法试验记录表

工程名称试验者

实验二岩石的抗剪强度实验

一、原理

岩石的抗剪断强度，是岩石在外部剪切力作用下，抵抗剪切破坏的能力。通过岩石剪切试验，确定岩石剪切破坏时剪切面上的正应力σ与剪应力τ之间的关系，确定岩石的内摩擦角υ和凝聚力C，从而获得岩石的抗剪断强度。

岩石抗剪断试验方法包括单剪法、双剪法、变角板法、斜角压切法和扭转剪切法等。本次试验采用变角板法，将岩石试样置于特制的夹具中，放在压力机的上、下压板之间，利用压力机施加垂直荷载，使整体试样沿所限定的剪切角剪断（图2－1），根据静力平衡条件分析剪断面上所受的法向应力和剪应力，绘制法向应力和抗剪断强度关系曲线，求得岩石的凝聚力和内摩擦角。

图2－1变角板法装置示意图

二、仪器设备

1．试样加工器具，锯石机、磨光机、卡尺、角尺、金钢砂、玻璃板、烘箱等；

2．100~200吨压力机；

3．专门夹具一套，夹具倾角α＝30°、40°、50°、60°、70°。

三、操作步骤 1．试样制备

试样为岩芯或岩块，用锯石机锯取，并做一定的磨光处理，尺寸为7×7×7厘米或5×5×5厘米，试样每组不少于6个，描述试样特征，并用色笔在试样上划出中心线，注明试样的切剪角。用卡尺逐个测量试样尺寸，计算剪切面积。

2．安装试样

将夹具连同试样放在压力机下压板上，以压力机轴为准对准中心，并在夹具周围放置防护罩。调整压力表指针至零点。

3．加荷观测

关上压力机回油阀，打开送油阀，接上电源，以每秒钟1~2kg/cm 2的速度加荷。观察压力表指针的移动。当试样发生初裂时，记下当时的荷重，直至试样破坏为止。由此荷重便可确定岩石的极限抗剪强度。

4．描述试样

升起压力机上压板，取出被剪断的试样进行破裂外貌描述，并保留试样。 5．重复试验

分别以不同α角的夹具重复2、3、4步骤进行试验，取得不同α角时岩石剪断时的荷重。

6．试验结果整理

（1）计算不同α角的夹具下试样剪断时所受正应力和剪应力：

)

c o s (s i n )s i n (c o s ααταασf A

P

f A

P

-=+=

式中：σ—剪断面上的法向压应力（公斤／厘米2）； τ—剪断面上极限剪应力（公斤／厘米2）；

P —压力机加在夹具中试样上的最大铅直荷重（公斤）； A —剪断面面积（厘米2）；

f —滚珠的摩擦系数，由摩擦校正试验决定； α—用夹具固定的剪断面与水平面的夹角（度）。 （2）绘制岩石极限强度曲线：

以每一α角剪断面上的正应力σ为横座标，剪应力τ为纵座标，连接各点得σ-τ曲线。

（3）由σ-τ关系曲线计算抗剪断强度指标C和Φ值；

a、按曲线整理

如图所示，内摩擦角为Φ′凝聚力为C′抗剪断强度为

τ=σ设tgΦ′+C′

b、按直线整理

按最小二乘法求得直线方程

τ=σ设tgΦ″+C″

四、记录试验数据，分析试验结果

实验三动力法测定岩石的硬度

一、原理

动力法测定岩石硬度包括肖氏法和摆球法等。本次试验采用北京地质仪器厂生产的摆球硬度仪（图3-1），进行摆球硬度法测定岩石硬度。

一定重量的钢球，从一定高度自由下落冲击到抛光的岩样面上，摆球在冲击岩石的过程中，由于能量的转化与消耗，在回跳一定的次数后，每次的回弹角逐渐减小，直至为零。用摆球的回弹次数表征岩石硬度，以回弹角表征岩石的塑性和弹性恢复系数。

二、仪器设备

1．岩样加工机具，锯石机、磨光机、抛光机、金刚砂、玻璃板、卡尺、烘箱等；

2．摆球式硬度仪。

图3-1 摆球硬度仪

1．底盘；2. 岩样；3. 刻度盘；4. 摆球；5. 水平调节螺钉

三、操作步骤

1．岩样制备

岩样可选用有代表性、完整、无明显裂隙的岩心制作。用锯石机将岩心切成直径Φ=40mm，长度L=50mm，再用磨光机和抛光机加工岩样两端面，一端抛光

面粗糙度为0.1（相当于▽10），另一端磨光面粗糙度为0.8（相当▽7）。岩样两端面不平行度不大于0.15mm，端面与轴向不垂直度不大于1°。描述岩样特征及岩性。

2．调试仪器

（1）调整水平调节螺丝5，使仪器底座1处于水平状态；

（2）调整摆球牵引线长度，使摆球自然下垂，对准岩样中心；

（3）调整并固紧支柱，使摆球自然下垂，摆线对准支柱中心线；

（4）调整刻度盘3，使摆球自然下垂，摆线对准角度零。

3．安装岩样

（1）在离岩样中心点1—2cm处布置5个点（图3-2），并用彩色笔标注编号；

旋手轮，顶紧岩样；

（3）使摆球自然下垂，调整岩样，使

摆球对准第一个测点；

（4）将摆球夹在摆球夹中，作好测定

准备。

4．测定

（1）左手按下摆球夹，使摆球自由下落冲击岩样；

（2）准确地目测并读出摆球第一次回弹角（θ）；

（3）跟随摆球回跳，数着摆球回跳次数，直到摆球停止摆动为止，记下摆球回跳次数（N）。岩样第一测点硬度测定完毕。

（4）转动螺旋手轮，调整岩样，使摆球对准第二个测点，重复（1）—（3）动作，完成第二测点的测定。

（5）再依次重复（1）—（4）动作，完成一个岩样5个点的硬度测定。取5个点的平均值，即为该岩样的硬度值。

5．对比试验

选择不同岩性、硬度的岩样，重复1—4操作步骤，再测定一个岩样。将两

种岩样的测定结果进行对比，分别确定它们的摆球硬度值。

6．差异修正

摆球法测定岩样的标准直径应为40mm ，如果大于或小于40mm 直径的岩样，测定结果须进行尺寸效应修正，公式如下： 11

)35

8

1

(N D N +

= 式中 N ——修正后的摆球硬度，次；

N 1——大于或小于Φ40mm 直径岩样测试硬度值，次； D 1——受测岩样的直径，mm 。

四、记录测定数据，计算分析试验结果

实验四静压法测定岩石的硬度

一、原理

岩石的硬度是指岩石抵抗其他物体压入的能力。衡量硬度的单位通常采用MPa。对于钻进碎岩来讲，用岩石的硬度比用岩石的强度更能反映孔底岩石破碎情况。岩石的硬度，是确定岩石可钻性的重要指标。

测定岩石硬度的方法很多，本次试验采用静压法测定岩石的硬度。首先，将岩石试样置于压力机的活塞托盘上（图4-1），利用高压油推动活塞上行，使岩样2与压模3及压力机上梁5接触，并继续加压，直至岩石发生完全破碎为止。压模与岩石的接触面积是事先确定的，在压入过程中保持接触面积不变，直到处于压模下的岩石完全破碎为止，以此时的荷载除以压模与岩石的接触面积，即为岩石的压入硬度。

图4-1 活塞式压力机工作原理图

1. 活塞；

2. 岩样；

3. 压模；

4. 百分表；

5. 压力机上梁；

6. 压力表

二、仪器设备

1．岩样加工机具，锯石机、磨光机、抛光机、金刚砂、玻璃板、卡尺、烘箱等；

2．WYY型压入硬度仪（活塞式压力机）；

3．压模（底面积S=1±0.2mm 2）； 4．百分表。

三、操作步骤 1．岩样制备

岩样可选用有代表性、完整、无明显裂隙的、直径≥30mm 的岩心制作。首先用锯石机将岩心锯成长度为50—60mm 的毛坯，再用磨光机和抛光机加两端面，一端抛光面粗糙度为0.1（相当于▽10），另一端磨光面粗糙度为0.8（相当于▽7）。岩样两端面不平行度不大于0.15mm ，端面与轴向不垂直度不大于1°。描述岩样特征及岩性。

2．测量压模直径

（1）将压模倒置于测量显微镜工作台上，调节推动螺丝，使其处于十字丝的一角（图4-2），记下读数y 1；

（2）转动纵推动螺丝，使压模移至左下角，与x 轴相切（如图4-3），记下y 2。这时压模之直径d y =y 1-y 2。同理，调节横轴x 即可测得d x ；

图4-2 图4-3

（3）转动旋转盘使压模转45°，再依次上法测压模直径d y1，d x1；

（4）取上述四次所测直径之平均值，即为压模之直径d 。 3．安放岩样及调整压力机

（1）将岩样放置在活塞托盘中央，在岩样上选择测定位置并摆放压模，使压模对准压力机上梁；

（2）利用高压油推动活塞上行，使岩样2与压模3及压力机上梁5接触；调整百分表4，使其读数为零。

4．加荷观测

（1）均匀缓慢地加压，进行压入试验，注意观察压力表6之压力（P ）和百分表4之变形量（ε）的变化；

（2）当压模边缘的岩石局部破裂时，记下P 和ε值；当听到一声脆响，压模突然压入岩石，压力表指针回跳，这时压模底部的岩石完全破碎记下P 和ε值。

5．测量破碎面积（F ）

（1）从压力机上取下岩样，用大头针拨掉岩样破碎穴中的碎屑，将透明纸放在破碎穴上，用铅笔轻轻描出破碎穴的轮廓。

（2）把透明纸放在方格纸上，尽量精确地读出破碎之面积（F ）。 6．测量破碎深度（h ）

（1）用大头针轻轻拨掉岩样破碎穴中央的碎屑；

（2）把装有百分表3的支架4及岩样2放在平台1上，使百分表针端接触岩样破碎穴外的平面，记下百分表读数h 1；

（3）移动支架使百分表针端陷入破碎穴中央最深处，记下百分表读数h 2； （4）破碎深度为：h=h 2-h 1。 7．重复试验

利用同一块岩样，间隔一定距离，另选一压入试验点，重复上述操作步骤2—6，获取不同位置的压入试验数据，进行对比分析，取平均值。

8．试验数据整理

（1）利用公式计算岩石压入硬度 S

P

P k =

式中 P k ——岩石的压入硬度，kg/mm 2； P ——发生完全破碎时的压力，kg ； S ——压模的底面积，mm 2。

（2）岩石压入硬度修正。压模的标准面积应为1±0.2mm 2，试验中，如果压模的面积不标准，可用下式修正： 07

.11

1d P P k ?=（当S<0.8mm 2时）； 1

1

07.1d P P k ?=

（当1.2mm 2

；

图4-4 测量深度台

1. 平台；

2. 岩样；

3. 百分表；

4. 支架

式中d1——压模实测直径，mm；

P1——在d1直径下的压入硬度，kg/mm2；

四、记录测定数据，计算并分析试验结果

实验五岩石的研磨性度量

一、原理

采用一定硬度的金属或硬质合金，在一定接触压力和线速度下与被测岩石做相对磨擦运动，经过一定时间后，分别测定岩石和金属（硬质合金）的体积磨损量，经过换算所得结果作为岩石研磨性指标。

根据换算方法的不同可分为以下几种研磨性指标：

1．体积磨损系数——硬质合金的体积磨损量与岩石重量磨损量之比。

2．研磨性指数——一定厚度硬质合金刀刃的磨损面积。

3．磨耗比——单位路程金属与岩石的磨损体积比。

4．研磨系数——单位磨损功的金属磨损体积与摩擦系数之积。

二、仪器设备

1．岩样加工机具；

2．微钻试验台（动力、加压、回转、冲洗）；

3．微型钻头Φ19.5mm，硬质合金YG10，硬度为HRA89，对称两片；

4．显微放大镜及其它量具。

三、操作步骤

1．岩样制备

被测岩样选有代表性、完整、均质、无明显裂隙、直径或边长≥30mm，高度≥100m 岩心（块）制作。岩样的被测端面尽量加工平整（端面与轴向不同垂直度不大于3°）。

2．测试工作

（1）测量岩样原始尺寸；（2）夹持岩样；（3）研磨操作；（4）测量磨损量。

四、整理试验数据，分析试验结果

实验六 击碎法测定岩石破碎比功

一、原理

用一定重量和下落速度的得锤冲击被测岩样，使岩块破碎，并对破碎物做筛分，由此得到单位动能作用下岩样的破碎程度，用来反映岩石的坚硬性。此法以击碎产物为7mm 粒级的体积数V max （cm 3）为指标。V max 越小，说明岩石的破碎比功越大、越坚硬。另外还有一表征击碎质量的补充指标tg α，它表征击碎质量。表达式为：

m i n

m a x m i n

m a x lg

lg

tg d d V V =α

式中 V max ——通过7mm(d max )筛孔组分的体积，cm 3； V min ——通过0.25mm(d max )筛孔组分的体积，cm 3。

tg α越大，则界于d max 和d min 之间的的破碎物体积越多，说明破碎质量好。

二、仪器与工具

1．击碎法所用的测试仪器主要由导向架、底座、重锤和金属盒等组成，重锤的重量为16kg ，落差为0.5m ，重锤达到底部时，冲击速度在2.25—4.5m/s 之间；

2．网眼直径为7mm 和0.25mm 的筛子； 3．天平。

三、实验步骤 1．样品准备

取已知比重的被测岩块，粗锯成约2.5×2.5×2.5cm 3的试件5个，重量在60—80g 之间（用天平称重），其最大与最小尺寸不应相差一倍以上。

2．测试

（1）将被测样块置于测试仪器的金属盒中，提起重锤至标准高度（将重锤杆上的红色标志线与导向架上的红色标志线对齐），此时重锤距被测样的高度为

0.5m；

（2）放开重锤，使其自由下落，砸向被测样块；

（3）将金属盒中被砸碎的样块经7mm和0.25mm的筛网各筛分一次，分别用3个盛器盛装大于7mm，介于7mm和0.25mm之间以及小于0.25mm的3种粒度的样品；

（4）用天平分别称出三种样品的重量并做好记录。

四、整理试验数据，分析试验结果

实验七硬质合金微钻头碎岩实验

一、实验原理

在微钻实验台上用硬质合金钻头对代表性岩石样进行模拟钻进，掌握如下实验情况：

1．在一定钻压、转速泵量时，硬质合金钻头的碎岩进尺速度；

2．钻头硬质合金的磨损状况；

3．硬质合金破碎中硬岩石时的切削痕迹；

4．硬质合金碎岩的岩屑状况。

二、仪器设备

1．微钻实验台

2．超倍显微镜

3．秒表

三、岩样与钻头的准备

选择代表性的中硬岩石（如砂岩、页岩、大理岩），用锯岩机锯成直径50mm 长20cm的样品，每种6个，并对岩样进行硬度、强度和变形性质的测试，记录压入硬度、摆球硬度、单轴抗压、弹性模量和泊松比的值。

用统一型式的微钻实验硬质合金钻头，其外径为Φ27，专用于该实验（由实验室提供）。

四、实验步骤

1．夹持岩样：将上述被测岩样放置于实验台的岩样夹持器中，用专用扳手旋紧三向顶紧螺杆，固定岩样。

2．调整加压油缸的比例控制阀，使其调定压力在5~15kg/cm2（视岩样性质而定）；回转速度由可控硅调速器调定在300r/min转速上，打开水泵送水开关，调整定量开关，使泵量达到15L/min。

3．打开控制台总开关，使微钻试验台开如工作，观察钻头下行过程，当钻

头下行刚接触岩样上端面时，揿记录秒表记时，继续观察钻头下行碎岩过程，直至钻进15cm时，揿记录秒表，记下碎岩时间，关闭总开关，停止运行。

4．退出钻头，卸下岩样，用电锯片沿岩样的直径方向剖开岩样，观察岩样内部情况；

（1）用超倍显微镜观测岩样内侧面与孔底面的刻痕、破碎穴；

（2）观测硬质合金的磨损情况；

（3）观测钻进过程中产生的岩粉情况。

五、实验数据整理

1．钻速及振动情况；

2．硬质合金磨损情况；

3．岩样刻痕与破碎穴及尺寸；

4．岩屑粒度观测结果及记录；

5．上述实验结果之分析。

实验八金刚石微钻头碎岩实验

一、原理

在微钻实验台上用金刚石钻头对代表性岩样模拟钻进，观察、记录并掌握如下实验情况：

1．在一定钻压、转速泵量时，金刚石钻头进尺速度；

2．单位进尺钻头的磨损；

3．金刚石破碎坚硬岩石时刻痕轨迹特征；

4．金刚石碎岩时的岩粉状况。

二、仪器设备

1．微钻实验台

2．超倍显微镜

3．秒表

三、岩样与钻头的准备

选择不同类型的坚硬岩石（有代表性的如大理岩、灰岩、花岗斑岩等），用岩石锯片机锯成直径50mm、长20cm的样品，每组6个，并对岩样进行硬度和强度测试，记录压入硬度、摆球硬度、单轴抗压、弹性模量和泊松比的值。

用统一型式的微型实验金刚石钻头，其外径为Φ27，专用于该实验（由实验室提供）。

四、实验步骤

1．夹持岩样：将上述测试样放置于实验台的岩样夹持器中，用专用扳手旋紧三向顶紧螺杆，固定岩样。

2．调整加压油缸比例控制阀，使其调定压力在10—25kg/cm2（视岩样性质而定）；回转速度由可控硅调速器调定在300r/min转速上；打开水泵送水开关，调整定量开关，使泵量控制在15L/min。

3．打开控制台总开关，使微钻试验台开始工作，观察钻头下行过程。当钻

头下行刚接触岩样上端面时，揿记录秒表记时，继续观察钻头下行碎岩过程，直至钻进15cm时揿记录秒表，记下碎岩时间，关闭总开关，停止运行。

4．退出钻头，卸下岩样，用电锯片沿岩样的直径方向剖开岩样，观察岩样内部情况。

图8-1 被测岩样的剖开图

①用超倍显微镜观测岩样内侧面与孔底面的刻槽痕迹；

②观察钻进过程中产生的岩粉情况；

③观测微钻头上金刚石及胎体的磨损情况。

五、实验数据整理

1．钻速；

2．金刚石及胎体磨损情况；

3．岩样被刻槽的痕迹及尺寸；

4．实验结果分析。