（完整版）实验三岩石的剪切强度试验

（完整版）实验三岩⽯的剪切强度试验
实验三岩⽯的剪切强度试验
⼀、实验⽬的与要求
岩⽯在剪切载荷作⽤下达到破坏前所能承受的最⼤剪应⼒称为岩⽯的抗剪切强度，是反映岩⽯⼒学性质的重要参数之⼀。

剪切实验根据剪切⾯上有⽆正应⼒分为直剪实验和压剪实验。

通过采⽤压剪实验即⾓模压剪实验测得岩⽯的内摩擦⾓和黏聚集⼒。

通过本实验要了解标准试件的加⼯机械、加⼯过程及检测程序了解岩⽯抗剪实验所⽤模具的结构组成、掌握实验过程及实验数据处理的⽅法。

⼆、实验仪器（⼀）设备
1. 材料实验机。

2. 岩⽯试样加⼯机械：锯⽯机、磨⽯机或磨床。

3. 变⾓剪切夹具。

（⼆）量具
1. 游标卡尺，精度0.02mm 。

2. 钢板尺。

3. 直⾓尺。

4. 百分表架。

5. 百分表。

6. ⽔平检测台。

三、试件规格、加⼯精度、数量 (⼀) 标准试件
采⽤5cm ×5cm ×5cm 的正⽅形试件。

(⼆) 加⼯精度
1. 试件各边长公差不得超过+0.3
0.1
mm
2. 两端⾯不平⾏度不⼤于0.1mm 。

3. 相邻两平⾯的不垂直度：将试件放在⽔平检测台上，⽤直⾓尺紧贴试件垂直边侧，要求
两者之间⽆明显缝隙 (三) 试件数量
应根据实验⽅式确定，当取5个以上的剪切⾓度，每个⾓度下做⼀个试件的剪切试验时，所需试件最低数量为5个；当取3个⾓度，每个⾓度下做3个试件的剪切实验，取其算术平均值时，所需试件最低数量为9个。

当采取第⼆种实验⽅式时，在计算平均值的同时，应计算偏离度。

若偏离度超过20%，则应增补试件数量，使偏离度不⼤于20%。

四、实验原理
通过变⾓剪切夹具作⽤在试块上的⼒P 可分解为与剪切⾯垂直的正应⼒和与剪切⾯平⾏的剪应⼒。

当P ⼤到某⼀值时，剪应⼒⼤于岩⽯的黏聚⼒与因正应⼒⽽产⽣的摩擦⼒之和时，岩⽯即被剪切破坏。

此时，可通过已知的α值和破坏载荷P ，计算得到⼏组正应⼒σ和剪应⼒τ，最终通过绘图和计算求得岩⽯的黏聚⼒C 与内摩擦⾓ψ。

五、实验内容
1. 了解标准试件的加⼯机械、检测机具，规程对尺⼨和精度的要求及检测⽅法；
2. 学会材料实验机的操作⽅法及变⾓剪切模具的使⽤⽅法；
3. 学会变⾓剪切实验⽅法，岩⽯的内摩擦⾓及黏聚⼒的计算⽅法。

六、实验步骤
1. 对岩⽯进⾏分组编号，记为1组（1,2,3号），2组（4,5,6号），3组（7,8,9号）填⼊表1
内；
2. 1组试件剪切⾓均为70°，2组试件剪切⾓均为60°，3组试件剪切⾓均为50°，在试
件上画出剪切线；
3. 检查试件加⼯精度，测量试件尺⼨，并填⼊表1内；
4. 选择压⼒机度盘值时，⼀般满⾜下式：0.2P0
5. 调整材料试验机度盘指针为零，使材料试验机处于⼯作状态。

将已调好⾓度的变⾓剪切
夹具下座放在材料实验机上，使中⼼线与承压板中⼼线重合，装上试件并安好夹具上座，调整承压板球形座，使变⾓剪切夹具受⼒均匀。

按操作规程开动材料试验机，施加数百⽜载荷，检查试件及变⾓夹具放置是否良好，若产⽣偏载需卸载重调。

6. 夹具与试件调整好后，以0.5~1.0MPa/s 的速度加载直⾄试件破坏。

加载时，⼈员应离
开⼯作台，并采取适当的保护措施。

7. 对试件破坏情况进⾏描述或者拍摄。

七、实验数据处理表1
(注：为⽅便剪切⾯积取其截⾯积) (⼀) 剪切破坏⾯上正应⼒和剪应⼒
σ1=
10c F
P 1
αos =0.625MPa σ3=
10c F
P 2
αos =1.29MPa 同理σ4=1.798MPa σ5=1.648MPa σ6=2.664MPa
σ7=3.173MPa σ8=2.666MPa σ9=5.087MPa
τ1=
10sin F
P 1
α=1.68MPa
τ3=
10sin F
P 2
α=3.547 MPa 同理τ4=3.115MPa τ5=2.854MPa τ6=4.615MPa
τ7=5.496MPa τ8=4.617MPa τ9=8.811MPa 平均正应⼒：σp1=
21
(σ1+σ3)=0.958MPa σp2=?31(σ4+σ5+σ6)= 2.036 MPa
σp3=?3
1(σ7+σ8+σ9)=3.642MPa
平均剪切⼒：τp 1=
21
(τ1+τ3)= 2.614MPa τp 2=?31(τ4+τ5+τ6)= 3.528MPa
τp 3=?3
1(τ7+τ8+τ9)= 6.308MPa (⼆) 偏离度的计算
M σ1=1
)(1
2
--∑=n n
i p i σσ=0.47MPa M σ2=0.548MPa M σ3=1.267MPa
M τ1=
1
)(1
2
--∑=n n
i p i
ττ
=1.302MPa M τ2=0.950MPa M τ3=2.212MPa
V σ1=
%100M ?p
σσ
=49.1% V σ2=26.9% V σ3=34.8%
V τ1=
%100M ?p
ττ
=50.5% V τ2 =26.9% V τ2 =35.15%
(三) 绘制岩⽯强度曲线
分析：由于此次实验数据不符合要求，其主要原因是试件不标准，故不处理实现数据，仅将⽅法罗列如下
1. 将各测定⾓度下的平均正应⼒和平均剪应⼒画在σ—τ直⾓坐标系中，⽤曲线板连成曲
线。

2.为便于⼯程上的应⽤，可将岩⽯强度曲线简化为直线，简化后可以⽤下列⽅程表⽰
τ=C+σtanφ
式中C—岩⽯强度曲线在τ轴上的截距，即岩⽯的黏聚⼒；
Φ—岩⽯强度的倾⾓，即岩⽯的内摩擦⾓
岩⽯强度曲线的简化⽅法：在曲线上各点间做直线，是该直线通过的点最多，并使不在直线上的点均匀分布在直线的两侧，各点据直线距离最⼩，该直线即为反应实验结果的最佳直线。

(四)C和Φ的计算
在简化后的直线上任意取点1和2，求出剪应⼒τ1和τ2、正应⼒σ1和σ2，代⼊下⾯公式，即可求出。

C=τ2-σ2tanφ
Φ=tan?1τ2?τ1
σ2?σ1
⼋、误差分析
1.试件加⼯过程中存在误差、不能完全接近标准试件；
2.实验设备本⾝的系统误差。