1、2/64岩石力学岩石力学性质主要是指性质主要是指岩石的变形岩石的变形(deformation )(deformation )特征及特征及岩石的强度岩石的强度(strength (strength ) )。对。对任何工程现象来说，只有获得岩石的力学性质，得出任何工程现象来说，只有获得岩石的力学性质，得出力学参数（如弹性模量、泊松比、内聚力学参数（如弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等）力、内摩擦角等），建立岩石的，建立岩石的本构方程本构方程(constitutive equation)(constitutive equation)和和破坏准则破坏准则(failure (failure crite
2、rion )criterion )，为进一步研究分析提供一定模式与依据。，为进一步研究分析提供一定模式与依据。为此，需要在实验室内严格控制某些因素的情况下进行岩石力学实验，然后将所得结果为此，需要在实验室内严格控制某些因素的情况下进行岩石力学实验，然后将所得结果应用到实践中去。应用到实践中去。室内岩石力学室内岩石力学实验（单轴压实验（单轴压缩、巴西劈裂、缩、巴西劈裂、三轴实验等）三轴实验等）获得岩石力学获得岩石力学性质及参数性质及参数确定研究确定研究工区、钻工区、钻取具有代取具有代表性岩心表性岩心建立本构方程和破建立本构方程和破坏准则，结合地质坏准则，结合地质环境特征（地应力、环境特征（地应力
3、、温度、地层压力等）温度、地层压力等）进行工程实际应用进行工程实际应用（如判定井壁破裂（如判定井壁破裂坍塌条件等）坍塌条件等）3/64样品采集和岩石学审查样品采集和岩石学审查钻岩心钻岩心端面切割端面切割端面磨平端面磨平几何形状检验几何形状检验环境存放环境存放样品包裹（围压实验）样品包裹（围压实验）实实 验验6/64岩石单轴抗压实验7/641熟练掌握岩石单轴抗压实验试件尺寸测量方法；熟练掌握岩石单轴抗压实验试件尺寸测量方法；2观察岩石试件破坏过程，准确分析其破坏类型；观察岩石试件破坏过程，准确分析其破坏类型； 3根据根据试件破坏单轴压应力，计算岩石的单轴抗压强度；试件破坏单轴压应力，计算岩石的单
4、轴抗压强度；4熟悉岩石应力熟悉岩石应力-应变曲线各阶段的意义，计算岩石弹性应变曲线各阶段的意义，计算岩石弹性模量与割线模量。模量与割线模量。8 当岩石试样在当岩石试样在无侧限压力无侧限压力条件下，岩石在纵向压力作用下出现压条件下，岩石在纵向压力作用下出现压缩破坏时，缩破坏时，单位面积上缩承受的载荷单位面积上缩承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度。称为岩石的单轴抗压强度。计计算公式为算公式为：cPRARc试样单轴抗压强度，试样单轴抗压强度，MPa；P试样破坏载荷，试样破坏载荷，N； A试样初始截面积，试样初始截面积，mm2。（1 1）9 岩石的弹性模量是指岩石在岩石的弹性模量是指岩石在弹性变形阶段其
5、应力弹性变形阶段其应力与应变变化值之比与应变变化值之比:E轴向应力轴向应力-应变曲线中直线段的轴向应应变曲线中直线段的轴向应力增量，力增量，MPa；轴向应力轴向应力-应力曲线直线段的轴向应变应力曲线直线段的轴向应变增量；增量； O（2 2）10单向抗压强度的单向抗压强度的50%的应力值，的应力值，MPa；试件与试件与 对应的轴向应变值。对应的轴向应变值。505050E 岩石的割线模量是指单向受力条件下岩石应力岩石的割线模量是指单向受力条件下岩石应力应变曲线上应变曲线上相应于相应于50抗压强度的点与原点连线的斜率抗压强度的点与原点连线的斜率：5050O应变应力5050（3 3）11 岩石在单轴压
6、缩试验条件下，其破坏类型主要分为三种：岩石在单轴压缩试验条件下，其破坏类型主要分为三种：X X状共扼斜状共扼斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏、拉伸破坏，其破坏形式如下：面剪切破坏、单斜面剪切破坏、拉伸破坏，其破坏形式如下：X状共扼斜面剪切破坏单斜面剪切破坏拉伸破坏破坏面破坏面破坏面121.游标卡尺，精度游标卡尺，精度0.02mm；2.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架、锉刀；直角尺、水平检测台、百分表及百分表架、锉刀；3.WDW-200微机控制电子万能试验机。微机控制电子万能试验机。13横梁横梁上承压板上承压板下承压板下承压板刚性框架刚性框架电源开关电源开关启动开关启动开关计算机及控制软件计算机
7、及控制软件14观察岩石试件，若两端面存在观察岩石试件，若两端面存在明显不平整明显不平整，采用锉刀垂直于试，采用锉刀垂直于试件轴线进行件轴线进行往复往复打磨至其两端面平整。打磨至其两端面平整。15试验采用圆柱体作为标准试样，直径为试验采用圆柱体作为标准试样，直径为25mm，允许变化范围为，允许变化范围为2328mm，高度为，高度为50mm，允许变化范围为，允许变化范围为4854mm。试样的尺寸要求。试样的尺寸要求高径之比为高径之比为2.02.5。试样制作精度：。试样制作精度：在试样整个高度上，直径误差不得超过在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm；端面的不平行度，最大不超过端面的不平行度，
8、最大不超过0.3mm；试样的两端面应垂直于试样轴线。试样的两端面应垂直于试样轴线。16(1) 试件端面垂直度测量试件端面垂直度测量检测方法如图所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，检测方法如图所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。转动试样两者之间无明显缝隙。对于不合格试样，使用锉刀打磨，直至符合要求。对于不合格试样，使用锉刀打磨，直至符合要求。1.直角尺；2.试件；3.实验台17(2) 试件平行度测量试件平行度测量检测方法如图所示，将检测方法如图所示，将百分表架与百分表固定于材料试验机平台上，放置试百分表架与百分表固定于材料试验机平台
9、上，放置试样于百分表触头下方样于百分表触头下方，在平台上缓慢前后、左右平移试样在平台上缓慢前后、左右平移试样，观察观察百分表指针的摆百分表指针的摆动幅度动幅度小于小于0.3mm（30格格），则判定合格，则判定合格。对于不合格试样，使用锉刀打磨，对于不合格试样，使用锉刀打磨，直至符合要求。直至符合要求。1.百分表；2.百分表架；3.试件；4.实验台18(3) 试件直径测量试件直径测量取岩石试件上中下取岩石试件上中下三三断面断面测量位置测量位置，采用游标卡尺分别测量，采用游标卡尺分别测量垂直于中轴垂直于中轴线且互成线且互成90方位的试件直径方位的试件直径，填入，填入试样尺寸记录试样尺寸记录表中，并
10、分析直径误差。表中，并分析直径误差。上断面上断面中断面中断面下断面下断面互成互成90测量测量19(4) 试件试件长度长度测量测量将试样断面分为相互垂直的将试样断面分为相互垂直的4个方位，采用游标卡尺分别测量不同方个方位，采用游标卡尺分别测量不同方位的试件尺寸，填入位的试件尺寸，填入试样尺寸记录试样尺寸记录表中表中，并分析高度误差。并分析高度误差。相互垂直的相互垂直的4个方位个方位203. 加载实验加载实验(1)将试件竖直放置于材料试验机将试件竖直放置于材料试验机下承压板下承压板上。上。使用使用50mm/min速度速度调节试验调节试验机横梁，使机横梁，使上上承承压板压板与压板相距约与压板相距约5
11、mm，转换成，转换成5mm/min速度速度调节试验机横梁，调节试验机横梁，使上承压板与压板接触。使上承压板与压板接触。21(2)设置试验机采集软件设置试验机采集软件：设定试件尺寸、实验日期、实验人员设定试件尺寸、实验日期、实验人员等数据、选择实验加载方式为位移控制式，等数据、选择实验加载方式为位移控制式，加载速率加载速率0.3mm/min。(3) 开始实验：开始实验：启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件的破坏情况。件的破坏情况。(4)结束实验：结束实验：当试件破坏，材料试验机自动停止。选择高速档当试件破坏，材料试验机自动停止。选择高速档向上调节
12、材料试验机压板，使之与试件脱离。向上调节材料试验机压板，使之与试件脱离。(5)破坏试样描述：破坏试样描述：拍照记录实验后试件的破坏形态，并根据岩拍照记录实验后试件的破坏形态，并根据岩石单轴压缩实验试件破坏特征，对破坏试件进行描述，并导出实石单轴压缩实验试件破坏特征，对破坏试件进行描述，并导出实验数据。而后清理试样，岩屑放入试验机旁塑料桶内。验数据。而后清理试样，岩屑放入试验机旁塑料桶内。221. 岩石单轴抗压强度测定结果填入表岩石单轴抗压强度测定结果填入表2中，根据公式（中，根据公式（1）计算出岩石的）计算出岩石的单轴抗压强度。单轴抗压强度。试件编号试件尺寸破坏最大载荷/kN单轴抗压强度/MP
13、a平均单轴抗压强度/MPa平均直径/mm平均高度/mm横截面积/m212试 件 描 述12表2 岩石单轴抗压强度实验原始记录表小组编号 仪器编号 实验日期实验者 计算者 校核者232. 实验结束后检查每一组的实验结果，废弃可疑数据。将单轴压缩实验记录实验结束后检查每一组的实验结果，废弃可疑数据。将单轴压缩实验记录与计算结果填入表与计算结果填入表3。然后利用。然后利用EXCEL软件，以纵向应力为纵坐标，以轴向应变软件，以纵向应力为纵坐标，以轴向应变为横坐标绘制出岩石试样单轴压缩实验的应力为横坐标绘制出岩石试样单轴压缩实验的应力-应变曲线，如下图。应变曲线，如下图。试样编号 载荷/kN项目2040
14、60801001201401601802001轴向应力/MPa轴向应变1/%2轴向应力/MPa轴向应变1/%表3 岩石单轴压缩变形测定记录OABCD岩石单轴压缩应力应变曲线243. 弹性模量弹性模量与割线模量与割线模量根据岩石单轴压缩实验的应力根据岩石单轴压缩实验的应力-应变曲线计算变形参数，利用公式应变曲线计算变形参数，利用公式(2)、(3)计算岩石的杨氏弹性模量与割线模量，填入表计算岩石的杨氏弹性模量与割线模量，填入表4中。中。表4 岩石杨氏弹性模量与割线模量测定结果试样编号弹性模量 /GPa割线模量 /GPa计算值平均值计算值平均值1225实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以
15、下内容：1.实验目的；2.实验原理；3.实验仪器；4.实验步骤；5.原始数据及实验数据整理；6.对本实验的建议。2627/64岩石巴西劈裂实验28/641. 掌握采用巴西劈裂法测定岩石抗拉强度的方法掌握采用巴西劈裂法测定岩石抗拉强度的方法；2. 与岩石与岩石单轴单轴抗压强度进行比较，了解脆性岩石材料的强度抗压强度进行比较，了解脆性岩石材料的强度特点。特点。29巴西劈裂法测定岩石抗拉强度是巴西劈裂法测定岩石抗拉强度是国际岩石力学学会标准国际岩石力学学会标准推荐的方法，推荐的方法，对称圆盘试样受集中载荷对称圆盘试样受集中载荷P的作用下，依据的作用下，依据弹性理论弹性理论得知，如图得知，如图1，圆盘
16、圆盘加载直径上任一点加载直径上任一点(0，y)的应力状态的应力状态为：为：2xPDL 2222414yPDDLDy式中：式中：P载荷，载荷，kN； D试件直径，试件直径，cm； L试件高度，试件高度，cm。图1 圆盘试件受力示意图(1)(2)30试样中心处（试样中心处（y=0）的应力为：）的应力为： 02xPDL 06yPDL由式由式上式上式得出，圆盘试样中心处得出，圆盘试样中心处压应力是拉应力的压应力是拉应力的3倍倍，但由于，但由于岩石岩石抗拉强度远低于抗压强度抗拉强度远低于抗压强度，一旦拉应力达到试样的抗拉强度时中心发生，一旦拉应力达到试样的抗拉强度时中心发生破坏，通常认为拉应力对破裂起主
17、导作用。破坏，通常认为拉应力对破裂起主导作用。(3)(4)311.游标卡尺，精度游标卡尺，精度0.02mm；2.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架、锉刀；直角尺、水平检测台、百分表及百分表架、锉刀；3.劈裂压模，压模圆弧直径为试样直径的劈裂压模，压模圆弧直径为试样直径的1.5倍（如图倍（如图2）。）。4. WDW-200微机控制电子万能微机控制电子万能，见岩石单轴抗压试验介绍，见岩石单轴抗压试验介绍。半球座上加载鄂下加载鄂试件图2 岩石抗拉强度测定示意图321试件端面磨平试件端面磨平观察岩石试件，若观察岩石试件，若圆周有毛刺圆周有毛刺，采用锉刀，采用锉刀打磨光滑打磨光滑。332测试件尺寸测量
18、测试件尺寸测量实验采用圆柱体作为标准试样，直径为实验采用圆柱体作为标准试样，直径为50mm，允许变化范围为，允许变化范围为4753mm，高度为，高度为25mm，允许变化范围为，允许变化范围为2327mm。试样的尺寸。试样的尺寸要求要求高径之比为高径之比为0.51.0。(1)试件直径测量：试件直径测量：取岩石试件中部测量，采用游标卡尺分别测量取岩石试件中部测量，采用游标卡尺分别测量垂直于中轴线且互成垂直于中轴线且互成90方位的试件直径，填入表方位的试件直径，填入表1中，并分析直径中，并分析直径误差。误差。(2)试件高度测量：试件高度测量：将试样断面分为相互垂直的将试样断面分为相互垂直的4个方位，
19、分别测个方位，分别测量不同方位的试件尺寸，填入表量不同方位的试件尺寸，填入表1中，并分析试件的断面不平整度。中，并分析试件的断面不平整度。相关测试方法与岩石单轴压缩实验试件测量方法相同。相关测试方法与岩石单轴压缩实验试件测量方法相同。342加载实验加载实验(1)将试件放置于将试件放置于劈裂夹具劈裂夹具上上，并放置，并放置劈裂夹具劈裂夹具于于试验机试验机下承压板下承压板上，上，使用使用50mm/min速度速度调节试验机横梁，使调节试验机横梁，使上上承承压板压板与与劈裂压模劈裂压模相距约相距约5mm，转换成转换成5mm/min速度速度调节试验机横梁，使调节试验机横梁，使上上承承压板与劈裂压模接触。
20、压板与劈裂压模接触。35(2) 设置试验机采集软件设置试验机采集软件：设定试件尺寸、实验日期、实验设定试件尺寸、实验日期、实验人员等数据，选择实验加载方式为应力控制方式，人员等数据，选择实验加载方式为应力控制方式，加载速率加载速率0.2mm/min。(3) 开始实验：开始实验：启动试验机，观察软件采集的数据，同时查启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件的变形情况。看试件的变形情况。(4)结束实验：结束实验：当试件破坏，材料试验机自动停止，保存实当试件破坏，材料试验机自动停止，保存实验数据。选择高速档向上调节材料试验机压板，使之与劈裂压验数据。选择高速档向上调节材料试验机压板，使之与劈裂压
21、模脱离。模脱离。(5)破坏试样描述破坏试样描述：拍照记录拍照记录实验后实验后试件的破坏形态，并对试件的破坏形态，并对破坏试件进行描述。破坏试件进行描述。36岩石巴西劈裂实验测定结果填入表岩石巴西劈裂实验测定结果填入表2，根据公式根据公式(3)计算出岩石的抗张强度。计算出岩石的抗张强度。表2 岩石单轴抗拉强度实验(劈裂法)原始记录表 小组编号 仪器编号 实验日期试样编号试样尺寸破坏荷载(kN)抗拉强度 (MPa)平均抗拉强度(MPa)平均直径(mm)平均高度(mm)横截面积(mm2)12试 件 描 述12实验者 计算者 校核者37实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：实验结束后
22、认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：1.实验目的；实验目的；2.实验原理；实验原理；3.实验仪器；实验仪器；4.实验步骤；实验步骤；5.原始数据及实验数据整理；原始数据及实验数据整理；6.对本实验的建议。对本实验的建议。3839/64岩石单轴抗压实验40/641、掌握岩石硬度的测定方法；、掌握岩石硬度的测定方法；2、掌握岩石塑性系数的测定方法。、掌握岩石塑性系数的测定方法。41岩石的硬度是岩石的硬度是岩石破坏时所施加的压力与压头面积的比值岩石破坏时所施加的压力与压头面积的比值。岩石的塑性系数为。岩石的塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与弹性变形功的比值岩石破碎前耗费的总功与弹性变形功的比
23、值。通过实验可以测试获得压头位移与荷。通过实验可以测试获得压头位移与荷载的关系，如图载的关系，如图1所示。所示。可得到岩石硬度计算公式：可得到岩石硬度计算公式：式中：式中： Py为为岩石硬度岩石硬度；P为为试样破坏载荷；试样破坏载荷；S为压为压头面积头面积; d为压头直径。为压头直径。位移ODCP0PEB载荷A24dPSPPy图图1 压头位移压头位移-荷载曲线荷载曲线岩石塑性系数计算公式：岩石塑性系数计算公式：OEDOOABCOEFSSAAK式中：式中：K为岩石塑性系数；为岩石塑性系数；AF为岩石破坏时耗费的总功；为岩石破坏时耗费的总功；AE为岩石弹性变形耗费的功；为岩石弹性变形耗费的功；SO
24、ABCO为为途中途中O、A、B、C、O所围成的区域面积；所围成的区域面积；SOEDO为途中为途中O、E、D、O所围成的区域面积。区域所围成的区域面积。区域面积可通过几何关系进行近似计算。面积可通过几何关系进行近似计算。(1)(2)421.千分尺，精度千分尺，精度0.001mm；3.WDW-200微机控制电子万能试验机微机控制电子万能试验机，见岩石单轴抗见岩石单轴抗压实验介绍压实验介绍。4344453、使用、使用50mm/min速度速度调节试验机横梁，使压头与试件上调节试验机横梁，使压头与试件上端面相距约端面相距约5mm，转换成，转换成5mm/min速度速度调节试验机横梁，调节试验机横梁，使压头
25、与试件上端面接触。使压头与试件上端面接触。46设置试验机采集软件设置试验机采集软件：选择岩石硬度试验，设定试样批号、试：选择岩石硬度试验，设定试样批号、试样编号、实验人员、试件尺寸等参数，选择实验加载方式为位移样编号、实验人员、试件尺寸等参数，选择实验加载方式为位移控制式，控制式，加载速率加载速率0.5mm/min。5、开始实验：、开始实验：启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件的破坏。的破坏。6、结束实验：、结束实验：当试件破坏，停止试验，保存并输出实验数据。选当试件破坏，停止试验，保存并输出实验数据。选择高速档向上调节材料试验机横梁，使压头
26、与试件脱离，取出试择高速档向上调节材料试验机横梁，使压头与试件脱离，取出试件，并清理材料试验机。件，并清理材料试验机。7、重复实验：、重复实验：移动岩样，使第一点的破碎坑与第二点相距大于移动岩样，使第一点的破碎坑与第二点相距大于10mm，按上述操作方法，测试第二点，每块岩样做，按上述操作方法，测试第二点，每块岩样做3次。次。471. 岩石硬度实验结果填入表岩石硬度实验结果填入表2，并绘制出压头位移与荷载的关系曲线（如图，并绘制出压头位移与荷载的关系曲线（如图1）。）。表1 岩石硬度测试实验原始记录表小组编号 仪器编号 实验日期实验者 计算者 校核者试样批号试样编号压头直径测试数据点数据参数12
27、3456789101112131415161载荷(kN)位移(mm)2载荷(kN)位移(mm)482. 根据公式根据公式(1)、(2)计算出岩石硬度与塑性指数，填入表计算出岩石硬度与塑性指数，填入表2。表2 岩石单轴压缩变形测定记录测试数据点硬度Py(MPa)屈服极限(kN)塑性系数K1249实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：1.实验目的；2.实验原理；3.实验仪器；4.实验步骤；5.原始数据及实验数据整理；6.对本实验的建议。501、在调节横梁与试件接触，、在调节横梁与试件接触，相隔相隔5mm时立刻切换采用时立刻切换采用5mm/min速度速度，以防，以防止试件被破坏；止
28、试件被破坏；2、试样批号试样批号：2012级石油工程级石油工程*大班第大班第*批批，试样编号试样编号：实验操作人学号实验操作人学号，实验人员实验人员：实验操作人名字实验操作人名字；3、测试实验数据为电子文档，、测试实验数据为电子文档，实验后保存数据实验后保存数据：按照实验项目按照实验项目+班级班级+小组小组号号+试样序号命名试样序号命名，请，请自备自备U盘考取数据盘考取数据；4、报告要求：请按照实验最后报告编写要求撰写报告，、报告要求：请按照实验最后报告编写要求撰写报告，每个实验每组合作每个实验每组合作写一份报告写一份报告，并在该实验报告最后写出，并在该实验报告最后写出成员及其完成的工作成员及其完成的工作，提交报告时间，提交报告时间为为课程结束前课程结束前，除数据曲线和照片打印，其他手写完成除数据曲线和照片打印，其他手写完成；5、实验过程中，请与试验试件保持、实验过程中，请与试验试件保持1m以上距离以上距离，严谨近距离观察，或用手严谨近距离观察，或用手触碰触碰。51
