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第四章 岩石的强度与室内测定课件
; 研究岩石的破坏(failure )与破坏类型(mode of failure ),对于正确选择岩石的破坏准则( failure criterion),为地下岩体结构的应力分析打好基础至关重要。
研究的主要方法是室内实验研究。
一、岩样(rock sample )的制备
研究岩石的强度特征就必须用岩心(core)进行室内实验,关于岩样的制备,我们在第三章中已经了解了它的尺寸大小方面的问题。
在这一章内容里我们将了解更多有关岩样的问题。; 岩石的力学性质取决于组成晶体、颗粒和胶结(cement )物之间的相互作用以及裂缝、节理、层面和断层的存在。
在研究岩石的力学性质时,一方面,人们很难根据岩石其组成颗粒的性质来说明该岩石的力学性质,特别是它的强度;另一方面,由于裂缝、节理、层面和断层的分布特别广泛、复杂,以致于使每一块岩体的力学性质各有特点。
因此,在确定岩石??最基本的力学性质时,应包含足够数量的组成颗粒,同时要排除较大的结构不连续性,使试件具备大致均匀的性质。另外,实验岩样可以很方便地在实验室进行实验,一般尺寸为几到几十厘米的岩样(rock sample ) 适用于此要求。; 所以,岩石的取样既要避免岩体的结构面(tectonic surface ),又要有一定的代表性和广泛性。
所取的样品必须标明它的出处(产地、井深、层位和岩性)。
根据需要不同,实验样品可分为三大类:规则岩样(圆柱体、棱柱体或立方体)、不规则岩样和特殊形状岩样。
规则岩样(regular lump)
大多数实验样品是圆柱体。加工样品的直径多采用2.5-5.0cm,常用实验所采用的长径比(geothermal gradient )如下:
; 抗压强度实验(compressive strength test):2.0-3.0
弯曲实验(curved test):3.0-7.0
巴西实验(Brazilian test):0.5-1.0
冲压实验(punching test):0.2-0.25
为了制备这些规则岩样,多用地下开挖或钻井取得的岩心在实验室里加工。
在制备岩样时,先用锯将岩心切成所需要的长度。当用大块岩石制备样品时,首先用机器或人工将其切成小块,然后经改进的台钻或小型采石钻在岩块上钻取岩心。
; 使用锯制备棱柱体样品时,首先将岩块切成板状,再切成条状,最后加工成棱柱体。
若岩石很脆或强度很低,在样品即将切断时,由于材料受剪切,常感到加工困难。此时可将岩样埋入石蜡中,然后再进行切割。
在实验前,样品端面的制作要符合一定的标准。因为样品端面的沟槽或孔洞处会形成应力集中点,导致样品在相当低的载荷条件下就发生破坏。采用车床或表面研磨制备样品时,样品周边如果粗糙,必须修整光滑。
; 对于抗压强度实验(compressive strength test)的圆柱体岩样,ISRM规定的标准是:
(1)样品端面应当磨平到0. 02mm,
(2)样品端面应当垂直于样品轴,误差在0.001弧度以内;
(3)样品的周边应当是光滑的,并且没有不规则的凸起,而且在样品整个长度上的直径差不超过0. 3mm;
不规则样品(irregular lump)
不规则实验的样品采取用小锤轻敲去掉尖角,按照样品的重量选择大小。
; 特殊形状岩样
根据特殊用途的要求,进行特殊加工,如圆环、球形等。
由于岩石的非均匀性(heterogeneous property ),单块岩石的实验数据不可能代表某一层位的性质,必须做足够数量的岩样。实验样品的数量取决于结果的偏差系数和平均值的精度与可靠性。
通常情况下,均质岩石的样品数量如下:大理岩2-3个,页岩5个,砂岩5-10个。
; 二、岩石破坏类型( rock failure type )
岩石的破坏取决于物理环境(围压confining pressure 、温度temperature 、应变率strain rate、中间主应力intermediate principal stress及孔隙pore 、孔隙压力pore pressure等),在低温、低围压及高应变率条件下,岩石往往表现为脆性破坏;而在高温、高围压及低应变率条件下,岩石则表现为延性破坏或延性流动。
根据岩石破坏前应变(strain)的百分数,可以将岩石的破坏(failure)分为五种类型(图4-1)。该图概括地说明上述围压、温度、孔隙压
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