岩石力学实验测试方法--崔振东(中科院地质与地球物理)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3、评价岩石的工程性状，提供评价和设计参数。
3
二、岩石力学试验相关设备 1、岩石力学试样制备设备
岩石钻孔取芯机、岩石切割机、岩石磨平机、 岩石抛光机、岩石预制裂纹切割机等。
钻孔取芯机
4
岩石切割机
精密切割机
5
岩石磨平机
6
岩石抛光机
7
岩石预制裂纹切割机
8
2、试验设备 微机伺服电子万能试验机、微机伺服液压试验 机、及其他特殊试验设备（如点荷载仪、霍普金 森杆撞击系统等）。
21
实验步骤：
试验前测量：原始尺寸、含水 率、密度、矿物成分、微结构等。
初始条件设定：清零、量程等
试样安装：点击“下降”按钮 移动横梁，调整至合适位置，将 试样放入夹具或粘贴在加载端， 施加几十牛的初始载荷拉紧。 加载试验：设定试验速度（以 ASTM和ISRM标准为主），点击 “上升”按钮开始拉伸试验，试 样断裂后试验机自动停止加载。
31
实验结果处理：
Instron 加载平台
Instron 引伸计
Instron 控制系统
Instron 液压动力源
Instron 液压油降温水箱
10
MTS-SANS CMT系列微机控制电子万能试验机
最大载荷 100KN ，采用 Powertest 软件控制加载过程和数据采集，可 进行岩石单轴拉伸、单轴压缩与三点弯曲试验。并配备有高低温箱和 WK650 型高精度温控器，温控范围 -70℃—350 ℃，可实现高低温环境下 的拉伸、压缩与弯曲试验。
13
热电阻温度传感器
光纤温度传感器
利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变 化的原理进行测温。
14
4、其他辅助设备：夹具、应变片、声发射仪等。
夹具
（电阻）应变片
声发射原理
声发射仪器
15
2
2.1
岩石力学试验
岩石单轴拉伸试验（直接拉伸、间接拉伸）
岩石抗拉强度是岩石的一个重要强度指标。由于 抗拉强度远小于抗压强度，所以岩体中一旦出现拉应 力区，往往该区域就会最先破坏。岩石抗拉强度室内 测试方法分为两类：一类是直接法；另一类是间接法。
WK650型高精度温控器
MTS电子万能试验机
常温与高低温岩石力学测试夹具
高低温箱及液氮罐
11
3、精密测试仪器： 引伸计、位移计、压力传感器、拉力传感器、温 度传感器等；
夹式引伸计
环向引伸计
差动变压器位移传感器（LVDT）
压力传感器
12
拉力传感器
工作原理：弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表 面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后， 它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一 电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为 电信号的过程。
放置压条的目的是为了把所加的压 力变为沿直径方向分布的线性载荷，使 试件中产生垂直于荷载作用线的张应力。
26
试样几何特征：
我国工程岩体实验方法规定：
r0=4.8-5.4cm
t=（0.5-1.0）×r0
27
加载方式：
平面垫板与压条的方式
28
弧面垫板的方式
29
受力状态：
弹性力学解
数值解
30
破裂形态：
9
INSTRON 8800 动静两用液压伺服岩石力学试验机
最大载荷1000KN，在Instron Console 控制平台上采用Bluehill（静 态加载控制软件）和 Instron WaveMatrix （动态加载控制软件）进行 微机液压伺服控制，除了进行静态岩石抗压强度测试外，还能实现输入 波形、动态加载（频率可达20Hz）条件下的疲劳强度测试。配备有不同 标距和量程的Instron系列引伸计，可实现4个通道同步采集轴向与环向 变形数据。
16
（1）直接拉伸试验
单轴拉伸实验是研究材料力学性能的最基本、应用 最广泛的实验。由于试验方法简单而且易于得到较为可 靠的试验数据，在工程上和实验室中都广泛利用单轴拉 伸实验来测取材料的力学性能。
17
试样几何形状：
狗骨头棒试样
圆柱状试样 ……
金属材料拉标准伸试样 （狗骨头棒）
圆柱状试样
18
试样夹持方式：
内埋式 外夹式
粘结式
内埋式
外夹式
粘结式
19
加载方式：
岩石单轴拉伸试验加载方式
20
实验原理：
单轴拉伸实验在电子万能材料试验机或液压试验机上进 行。在试验过程中，试验机上的载荷传感器和位移传感器分 别将感受到的载荷与位移信号转变成电信号送入控制器，信 号经过放大和模数转换后送入计算机，并将处理过的数据同 步地显示在屏幕上，形成载荷—位移曲线，试验数据可以存 储和打印。在实验前，应进行载荷传感器和位移传感器的标 定（校准）。
岩石剪切试验（压剪、拉剪） 岩石弯曲试验（三点弯曲、四点弯曲）
2.6
2.7 2.8
岩石三轴压缩试验（有侧限、假三轴、真三轴）
岩石断裂力学试验（断裂韧度、断裂扩展规律） 岩石蠕变试验（时间相关性）
2.9
岩石动态力学试验（冲击载荷、疲劳试验）
2
前言
一、岩石力学试验目的 1、获取岩石强度与变形参数；
2、探索岩石的破坏机制；
控制软件界面
试验数据和曲线保存、打印等。
22
破裂形态：
23
试验结果整理：
其中，F——峰值拉伸载荷； A0——初始断面面积；
单轴拉强度：
伸长率：
其中，L1——拉伸后的试长度； L0——初始长度；
24
直接拉伸方法的难点：
其主要困难在于：试件如何夹持和如何保证平行于试 件轴向施加拉伸荷载。
既要有足够的力夹牢试件，又不能损伤试件表面。
如果加载方向不能与试件轴向严格平行，就会产生弯 矩作用，试件出现弯曲和应力集中。
25
（2）间接拉伸试验（巴西圆盘劈裂法） 巴西劈裂法的基本原理：
劈裂法是把圆柱状岩石试件置于压 力机的承压板上，并在试件与上下承压 板间各放置一根压条，然后加压，使试 件受力后沿直径方向裂开破坏，根据弹 性力学理论，求出试件内的应力分布， 再由试验测定的极限载荷求岩石试件的 极限应力作为岩石的抗拉强度。
第二篇
岩体力学测试理论与技术
第三课
岩石力学性能指标测试
主讲教师： 崔振东
副研究员
中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室
1
主要内容
1、前言 2、岩石力学试验 2.1 2.2 岩石单轴拉伸试验（直接拉伸、间接拉伸） 岩石单轴压缩试验（无侧限）
2.3
2.4 2.5
岩石点荷载试验（点荷载强度）
3
二、岩石力学试验相关设备 1、岩石力学试样制备设备
岩石钻孔取芯机、岩石切割机、岩石磨平机、 岩石抛光机、岩石预制裂纹切割机等。
钻孔取芯机
4
岩石切割机
精密切割机
5
岩石磨平机
6
岩石抛光机
7
岩石预制裂纹切割机
8
2、试验设备 微机伺服电子万能试验机、微机伺服液压试验 机、及其他特殊试验设备（如点荷载仪、霍普金 森杆撞击系统等）。
21
实验步骤：
试验前测量：原始尺寸、含水 率、密度、矿物成分、微结构等。
初始条件设定：清零、量程等
试样安装：点击“下降”按钮 移动横梁，调整至合适位置，将 试样放入夹具或粘贴在加载端， 施加几十牛的初始载荷拉紧。 加载试验：设定试验速度（以 ASTM和ISRM标准为主），点击 “上升”按钮开始拉伸试验，试 样断裂后试验机自动停止加载。
31
实验结果处理：
Instron 加载平台
Instron 引伸计
Instron 控制系统
Instron 液压动力源
Instron 液压油降温水箱
10
MTS-SANS CMT系列微机控制电子万能试验机
最大载荷 100KN ，采用 Powertest 软件控制加载过程和数据采集，可 进行岩石单轴拉伸、单轴压缩与三点弯曲试验。并配备有高低温箱和 WK650 型高精度温控器，温控范围 -70℃—350 ℃，可实现高低温环境下 的拉伸、压缩与弯曲试验。
13
热电阻温度传感器
光纤温度传感器
利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变 化的原理进行测温。
14
4、其他辅助设备：夹具、应变片、声发射仪等。
夹具
（电阻）应变片
声发射原理
声发射仪器
15
2
2.1
岩石力学试验
岩石单轴拉伸试验（直接拉伸、间接拉伸）
岩石抗拉强度是岩石的一个重要强度指标。由于 抗拉强度远小于抗压强度，所以岩体中一旦出现拉应 力区，往往该区域就会最先破坏。岩石抗拉强度室内 测试方法分为两类：一类是直接法；另一类是间接法。
WK650型高精度温控器
MTS电子万能试验机
常温与高低温岩石力学测试夹具
高低温箱及液氮罐
11
3、精密测试仪器： 引伸计、位移计、压力传感器、拉力传感器、温 度传感器等；
夹式引伸计
环向引伸计
差动变压器位移传感器（LVDT）
压力传感器
12
拉力传感器
工作原理：弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表 面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后， 它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一 电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为 电信号的过程。
放置压条的目的是为了把所加的压 力变为沿直径方向分布的线性载荷，使 试件中产生垂直于荷载作用线的张应力。
26
试样几何特征：
我国工程岩体实验方法规定：
r0=4.8-5.4cm
t=（0.5-1.0）×r0
27
加载方式：
平面垫板与压条的方式
28
弧面垫板的方式
29
受力状态：
弹性力学解
数值解
30
破裂形态：
9
INSTRON 8800 动静两用液压伺服岩石力学试验机
最大载荷1000KN，在Instron Console 控制平台上采用Bluehill（静 态加载控制软件）和 Instron WaveMatrix （动态加载控制软件）进行 微机液压伺服控制，除了进行静态岩石抗压强度测试外，还能实现输入 波形、动态加载（频率可达20Hz）条件下的疲劳强度测试。配备有不同 标距和量程的Instron系列引伸计，可实现4个通道同步采集轴向与环向 变形数据。
16
（1）直接拉伸试验
单轴拉伸实验是研究材料力学性能的最基本、应用 最广泛的实验。由于试验方法简单而且易于得到较为可 靠的试验数据，在工程上和实验室中都广泛利用单轴拉 伸实验来测取材料的力学性能。
17
试样几何形状：
狗骨头棒试样
圆柱状试样 ……
金属材料拉标准伸试样 （狗骨头棒）
圆柱状试样
18
试样夹持方式：
内埋式 外夹式
粘结式
内埋式
外夹式
粘结式
19
加载方式：
岩石单轴拉伸试验加载方式
20
实验原理：
单轴拉伸实验在电子万能材料试验机或液压试验机上进 行。在试验过程中，试验机上的载荷传感器和位移传感器分 别将感受到的载荷与位移信号转变成电信号送入控制器，信 号经过放大和模数转换后送入计算机，并将处理过的数据同 步地显示在屏幕上，形成载荷—位移曲线，试验数据可以存 储和打印。在实验前，应进行载荷传感器和位移传感器的标 定（校准）。
岩石剪切试验（压剪、拉剪） 岩石弯曲试验（三点弯曲、四点弯曲）
2.6
2.7 2.8
岩石三轴压缩试验（有侧限、假三轴、真三轴）
岩石断裂力学试验（断裂韧度、断裂扩展规律） 岩石蠕变试验（时间相关性）
2.9
岩石动态力学试验（冲击载荷、疲劳试验）
2
前言
一、岩石力学试验目的 1、获取岩石强度与变形参数；
2、探索岩石的破坏机制；
控制软件界面
试验数据和曲线保存、打印等。
22
破裂形态：
23
试验结果整理：
其中，F——峰值拉伸载荷； A0——初始断面面积；
单轴拉强度：
伸长率：
其中，L1——拉伸后的试长度； L0——初始长度；
24
直接拉伸方法的难点：
其主要困难在于：试件如何夹持和如何保证平行于试 件轴向施加拉伸荷载。
既要有足够的力夹牢试件，又不能损伤试件表面。
如果加载方向不能与试件轴向严格平行，就会产生弯 矩作用，试件出现弯曲和应力集中。
25
（2）间接拉伸试验（巴西圆盘劈裂法） 巴西劈裂法的基本原理：
劈裂法是把圆柱状岩石试件置于压 力机的承压板上，并在试件与上下承压 板间各放置一根压条，然后加压，使试 件受力后沿直径方向裂开破坏，根据弹 性力学理论，求出试件内的应力分布， 再由试验测定的极限载荷求岩石试件的 极限应力作为岩石的抗拉强度。
第二篇
岩体力学测试理论与技术
第三课
岩石力学性能指标测试
主讲教师： 崔振东
副研究员
中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室
1
主要内容
1、前言 2、岩石力学试验 2.1 2.2 岩石单轴拉伸试验（直接拉伸、间接拉伸） 岩石单轴压缩试验（无侧限）
2.3
2.4 2.5
岩石点荷载试验（点荷载强度）