岩石的几种实验室试验方法

岩石的几种实验室试验方法实验一 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2PO = ub 兀Dt式中：Pu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 11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u5厘米或5X5厘米的岩样，每组3个，加工允许尺寸误差小于 0.2m m，两端面平行度小于0.1m m，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 11 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35kg/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试验日期校核者岩石名 称受力方向含水状态试样尺寸破坏的 最大荷载(kg)抗拉 强度 (kg/cm2)平均抗 拉强度 (kg/cm2)备注平均 直径 或边长 (mm)平均 咼度(mm)劈裂 面积 (mm2)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O与剪应力T之间的关 系，确定岩石的内摩擦角U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 21），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 21 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2100200 吨压力机；3.专门夹具一套，夹具倾角a =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7X7X7 厘米或5X5X5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12kg/cm2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a角的夹具重复2、3、4步骤进行试验，取得不同a角时岩石剪 断时的荷重。6试验结果整理（1）计算不同a角的夹具下试样剪断时所受正应力和剪应力:P （ c（o ns f s ianAPt =（ s a -n f c oaSA式中：a 剪断面上的法向压应力（公斤/厘米2）；T 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；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：b34326以每一a角剪断面上的正应力o为横座标，剪应力t为纵座标，连接各点得曲线。（3）由o -t关系曲线计算抗剪断强度指标C和值；a、按曲线整理如图所示，内摩擦角为凝聚力为C抗剪断强度为t =o tg0 +CZb、按直线整理按最小二乘法求得直线方程t =o 设tge +cMr06浪j/匚兄)四、记录试验数据，分析试验结果试样剪断面荷重(kg)正应力(kg/cm2)剪应力(kg/cm2)平均抗剪断强 度值编状 态面积(cm2)与理关放 置 角 度初 裂 时破 裂 时初 裂 时破 裂 时初 裂 时破 裂 时(度)(kg/cm2)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。3尹图 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=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 12cm 处布置 5 个点(图 3-2)，并用彩色笔标注编(2) 准确地目测并读出摆球第一次回弹角(0)；( 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14 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：N = (8 + |5)n 11式中N修正后的摆球硬度，次；N大于或小于e 40mm直径岩样测试硬度值，次;D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。6JPl450TV.2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；2WYY 型压入硬度仪（活塞式压力机）；3压模(底面积 S=10.2mm2)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 5060mm 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 y1；(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)，记下图 4-3y2。这时压模之直径dy=y1-y2。同理，调节横轴x即可测得dx；，再依次上法测压模直径 dy1，dx1 y1 x1(4)取上述四次所测直径之平均值，即为压模之直径do3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PkS压模的底面积，mm2。2）岩石压入硬度修正。压模的标准变形量（ ）的变化；（2）当压模边缘的岩石局部破裂时，记下卩和值；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 h1；（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 h2；（4）破碎深度为：h=h2-h。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26，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式中 Pk岩石的压入硬度，kg/mm2；P发生完全破碎时的压力，kg；面积应为10.2mm2，试验中，如果压模的面积不标准，可用下式修正：P 二昱 1 （当 Sv0.8mm2 时）；k 1.07P = 1.07 % （当 1.2mm2vSv1.5mm2 时）；图4-4测量深度台1.平台；2.岩样；3.百分表;4.支架kd式中d压模实测直径，mm；P在d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岩样 编号试验 次数硬度Pkk(kg/mm2)F(mm2)S(mm2)F/Sh(mm)(mm)h/12平均实验五 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19.5mm，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 (cm3)为指标。V 越小，说明岩石的破 maxmax碎比功越大、越坚硬。另外还有一表征击碎质量的补充指标tga，它表征击碎质量。表达式为：l V Ig xVtga =m+-ng m a xd式中VmaxmaxVminminmin通过7mm(dmax)筛孔组分的体积，cm3；通过0.25mm(dmax)筛孔组分的体积，cm3。tga越大，则界于d 和d .之间的的破碎物体积越多，说明破碎质量好。 max min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2.254.5m/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2.5X2.5X2.5cm3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27,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515kg/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27,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1025kg/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 用超倍显微镜观测岩样内侧面与孔底面的刻槽痕迹 观察钻进过程中产生的岩粉情况； 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。