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岩石力学试验手艺及三轴试验要领详解
宣布时间:2023-12-13 浏览次数:18217 泉源:z6com尊龙凯时


岩石力学是一门研究岩石力学性子及其相关征象的科学  ,其应用规模普遍  ,涉及到国民经济基础建设、资源开发、情形 ;ぁ⒓踉址涝值榷喔隽煊。人类对岩石力学性子的熟悉始于试验  ,而岩石力学理论的形成和生长也与试验要领细密相连。

岩石的力学性子包括强度、变形、动力学特征和渗透性等方面。这些性子会受到岩石所处的物理和化学情形的影响。研究岩石力学性子的要领主要是现场和室内试验。

现场试验包括三轴压缩试验、剪切试验和岩体渗透性试验等  ,可以丈量岩体原位变形性能和强度性能。室内试验则包括单轴压缩、三轴压缩、单轴拉伸、直接剪切、渗透试验等  ,可以模拟差别条件下的岩石力学行为。

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通过这些加载方法  ,我们可以系统地丈量岩石试样在种种应力作用下的应力、应变等力学性子。并且  ,改变加载条件  ,如压力巨细、加载速率等  ,可以进一步研究岩石试样的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、变形特征以及破损机制等要害参数。


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岩石三轴实验原理

岩石三轴力学试验是一种综合性的研究要领  ,用于深入探讨岩石质料的力学性子。通太过别模拟地壳中的水平地应力、笔直应力和侧向应力  ,该试验能够周全地展现岩石在重大应力状态下的变形和破损历程。

在试验历程中  ,第一轴的径向加载通过施加笔直于岩石试样截面的压力  ,真实地模拟了地壳中的水平地应力作用。第二轴的轴向加载则通过施加笔直于岩石试样轴向的压力  ,乐成地模拟了地壳中的笔直应力作用。而第三轴的配景加载在岩石试样周围施加恒定的侧向压力  ,使得岩石质料处于三向应力状态下  ,从而更准确地反应了地壳中的真实应力情形。


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三维物体中的主应力(作用在剪应力为零的平面上的最大和最小正应力)为三(σ1> σ2> σ3)。现实上  ,主应力可能差别。但在实验室三轴试验中  ,中央应力σ2即是σ3。三轴试验中施加的主应力如图1所示。

三轴试验中施加在圆柱形岩石样品上的主应力(σ1> σ2= σ3)

围压是确定的  ,并在试验历程中坚持稳固。样品最初被各向同性地加载  ,直到主应力即是预定的围压。然后  ,轴向应力σ1以一定的速率增添  ,直到试样破损  ,并纪录最大σ1。



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图1 岩石三轴加载原理图


见上述岩石三轴加载原理图中1-为密封装置、2-围压  ,3-底座  ,4-出液口  ,5岩石试样  ,6-乳胶膜  ,7-进液口

举行所有施加的主应力都不相同的实验室试验是有挑战性的  ,并且没有被普遍使用。这种要领被称为多轴或真三轴试验。(点击这里拜见东北大学案例)

三轴试验中施加在方形岩石样品上的主应力(σ1> σ2> σ3)


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GDSTTA真三轴



岩石三轴试样制作

在岩石三轴力学实验中  ,测试样品通过岩心钻探获得  ,并且必需选择能代表被检查岩层的样品。应在钻探日期后的30天内对试样举行测试  ,以坚持其初始状态(如自然含水量)。

主要办法是挑选知足要求的岩石试样  ,并将其切割、研磨至划定的几何形状  ,通常是圆柱体或立方体。这个办法很是主要  ,由于试样的形状和尺寸会影响到试验的效果和数据的可靠性。

应该指出的是  ,饱和度或孔隙压力的增添在岩石力学中并不是一个要害问题  ,由于岩石的孔隙度比土壤的孔隙度低得多  ,因此测试干燥或饱和样品不会对效果爆发显著影响。

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在加工岩石试样时  ,需要使用细密的切割机和磨床等装备  ,以确保试样的外貌平整、平滑  ,并且几何形状切合要求。同时  ,还需要对试样举行干燥处理  ,以消除水分对试验效果的影响。

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在试样制备完成之后  ,需要举行丈量  ,以确定其原始的几何尺寸和重量。这些数据将用于盘算试样的力学性子  ,样品形状如为圆柱形  ,直径必需在38到54毫米之间。直径通过在样品的顶部、中部和底部举行丈量得出  ,公差为0.1毫米。高度与直径(H/D)之比必需在2.0和3.0之间。高度应准确到毫米。别的  ,最大工装碎片的尺寸最大应为样品直径的10%。样品的最后必需平滑  ,以便顶部和底部外貌平展  ,公差为0.01 mm。这确保了施加的载荷匀称地转达到样品上  ,并且没有载荷偏心。样品的侧面必需平滑  ,且不保存0.3毫米公差规模内的不规则性。

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岩石三轴实验历程

将一个圆柱形岩石标本放在一个专门设计的小室中(如Hoek小室)。一种特殊设计的薄膜贴在压力室上  ,使其坚持密封。侧向压力是流体静力的  ,通过泵入膜中的液体(通常是油)施加。使用能够在1%精度内调理压力的液压泵或伺服马达。试样被钢制球形座轴向困绕。为了获得样品的笔直和圆周变形  ,可以使用应变仪。然而  ,在举行三轴试验时  ,并不强制纪录应变响应。下图B给出了Hoek压力室和组装在一起举行三轴试验的零件的示意图。

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图2:用于三轴试验的Hoek压力室


然后将Hoek压力室放入加载装置中  ,该装置用于向样品施加笔直载荷。现代加载系统是以恒定速率施加液压的伺服控制装置。选择加载速率(kN/s ),使样品在约莫10分钟(5-15分钟)内破损。若是已经有关于常数σ3下的最大σ1的数据(从以前的测试中获得)  ,则可以盘算出该比率。不然  ,应凭证对被测质料行为的现有知识做出合理的假设.侧向压力以与轴向载荷相同的速率施加  ,直到抵达划定值。一旦抵达该围压  ,其精度应坚持在2%以内。

加载机械必需结实  ,足以施加岩石样品破损所需的最大压力。别的  ,应经常校准它  ,以准确得出负载丈量值。

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Controls岩石三轴仪



效果和盘算

三轴试验的原始数据包括样品尺寸、侧压力σ3、轴向载荷P、试验一连时间(必需在要求的规模内),以及变形丈量值(若是使用了应变仪)。

首先  ,样品的横截面积盘算如下:


其中D是样品的直径。

轴向应力由轴向载荷除以试样的横截面积得出:

其中P是轴向载荷。

若是纪录了变形丈量值  ,则绘制样品的应力-应变响应图。轴向和周向应变eA和eC划分盘算如下:


其中R是应变计的初始电阻  ,δR是变形引起的电阻转变  ,kis是应变计系数。经由一系列至少3次三轴试验后  ,得出岩石样品的破损包络线。岩石力学中最常用的破损标准是:

  • 莫尔-库仑破损准则

  • 霍克-布朗(H-B)破损准则

M-C破损准则将剪切强度和作用在破损面上的法向有用应力联系起来。它也可以用主应力体现为:

其中t是质料的剪切强度  ,c是内聚力  ,φ是摩擦角  ,σn是作用在破损面上的正应力  ,σ1和σ3是主应力。

M-C准则因其简朴性和在岩土工程中的普遍接受性而被接纳。然而  ,H-B准则是基于许多岩石类型的一系列实验室试验生长起来的  ,这些试验批注  ,岩石脆性破损中的主应力之间保存非线性相关性。

H-B准则中的主应力相关性体现为:

其中σci是单轴抗压强度  ,mi是基于岩石类型的常数  ,σ1和σ3是主应力。

在差别侧压力下举行至少3次三轴试验后  ,绘制出所选标准的最佳拟合包络线  ,并推导出每个包络线的参数(M-C中的内聚力、摩擦角和mi  ,H-B中的σci)。然而  ,在H-B准则中  ,大大都情形下σci已经由质料的单轴压缩试验确定。确保样品来自相同的岩心或岩块  ,并泛起相似的特征  ,这一点至关主要。这可以通过视觉视察来实现。


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图3 基于实验室数据和M-C和H-B标准最佳拟合包络线的主应力争


推导M-C和H-B标准参数的示例

假设对特定类型的岩石试样举行了4次三轴试验。表1列出了预先确定的侧向应力和响应的轴向应力:


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表1 三轴试验效果数据示例


效果用最佳拟合M-C和H-B包络绘制在图3中。

图3是基于实验室数据和M-C和H-B标准最佳拟合包络线的主应力争。

基于最佳拟合曲线  ,表2中给出了两个失效标准的参数。

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表2:基于实验室测试数据的H-B和M-C标准的导出参数



竣事语

岩石力学的研究不但具有理论意义  ,还具有现实应用价值。例如  ,在土木匠程、地质工程、采矿工程等领域中  ,岩石力学的研究效果被普遍应用于岩土工程设计、施工和监测等方面。别的  ,岩石力学的研究还可以为资源开发、情形 ;ぁ⒓踉址涝值确矫嫣峁┲饕目蒲б谰莺褪忠罩С。

随着科学手艺的生长  ,岩石力学的研究要领和手段也一直更新和完善。例如  ,数值模拟手艺、非接触式丈量手艺、X射线CT扫描手艺等新手艺的应用  ,使得岩石力学的研究越发准确和深入。同时  ,岩石力学研究领域也一直拓展  ,涉及到地质学、物理学、化学等多个学科领域  ,形成了多学科交织的研究名堂。

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GDS动态岩石三轴测试系统



参考文献

Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression: Revised version, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Volume 20, Issue 6, 1983, Pages 285-290, ISSN 0148-9062, doi.org/10.1016/0148-9062(83)90598-3.

https://www.geoengineer.org/education/laboratory-testing/triaxial-compression-test-in-rock


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