实验指导书——测定岩石的剪切强度

测定岩石剪切强度实验指导书

一、实验目的

岩石在剪切载荷作用下达到破坏前所能承受的最大剪切应力称为岩石的抗剪切强度，是反映岩石力学性质的重要参数之一。剪切实验根据剪切面上有无正应力分为直剪实验和压剪实验。本实验通过采用压剪实验即脚模压剪实验测得岩石的内摩擦角υ和内聚力C。

二、实验原理

通过变角剪切夹具作用在试块上的力P可分解为与剪切面垂直的正应力和与剪切面平行的剪应力。当P大到某一值时，剪切力大于岩石的内聚力与因正应力而产生的摩擦力之和时，岩石即被剪切破坏。

此时，可通过已知的α值和破坏载荷P，计算得到几组正应力σ和剪应力τ，最终通过绘图和计算求得岩石的黏聚力C和内摩擦角υ。

角模压剪实验及受力分析示意图

三、仪器设备

1.材料实验机；

2.试样加工机械：锯石机、磨石机或磨床。

3.变角剪切夹具；

4.检验工具：游标卡尺，精度0.02mm 、钢板尺、直角尺、百分尺、 百分表、水平检测台。

四、试件制备

1.标准试件：根据国际岩石力学学会规范要求，采用5cm×5cm×5cm 的正方形试件，便于结构面的控制。

2.试件数量：当取3个角度时，每个角度下做3个试件的剪切实验，取其算术平均值时，所需试件最低数量为9个。在计算平均值的同时，应计算偏离度。 若偏离度超过20%，则应增补试件数量，使偏离度不大于20%。本实验采用第二种方法。

3.加工精度：试件各边长公差不得超过+0.30.1

-mm ；两端面不平行度不大于0.1mm ；相邻两平面的不垂直度，将试件放在水平检测台上，用直角尺紧贴试件垂直边侧，要求两者之间无明显缝隙。

六、实验步骤

1. 岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程序、胶结物性质等。除岩性外，重点应对其结构构造特征（如颗粒粗细，排列以及节理、层理等发育特征）及风化程度等进行描述。

2. 对岩石进行分组编号，记为1组（1，2，3），2组（4，5，6），3组（7，8，9）填入表1内；

3. 1、2、3组试件剪切角分别为123ααα、、， 试件上画出剪切线。变角变

角板夹具的角度一般在45° ～70°（当角度小于45°，破坏一般并不沿预定的剪切面发生，破坏后的试件成破裂状，当大于70°时，变角模具不能提供这样的角度；

4.检查试件加工精度，测量试件尺寸，并填入表1内；

5.选择压力机度盘值时，一般满足下式：

0.2P 0＜P max ＜0.8P 0

6.调整材料试验机度盘指针为零，使材料试验机处于工作状态。将已调好角度的变角剪切夹具下座放在材料试验机上，使中心线与承压板中心线重合，装上试件并安好夹具上座，调整承压板球形座，使变角剪切夹具受力均匀。按操作规程开动材料试验机，施加数百牛载荷，检查试件及变角夹具放置是否良好，若产生偏载需卸载重调；

7.夹具与试件调整好后，以0.5～1.0MPa/s 的速度加载直至试件破坏。加载时，人员应离开工作台，并采取适当的保护措施；

8.对试件破坏情况进行描述或拍照。

七、实验数据处理

1.按下式计算作用在剪切面上的剪应力和正应力：

cos sin sin -cos P

f A P f A σααταα=+=（）（） 式中：σ——正应力（MPa ）；τ ——剪应力（MPa ）；P ——试件破坏荷载（kN ）；

A ——试件剪切面面积（mm 2）；α——试件放置角度（变角板角度），度； f ——滚轴摩擦系数：1f nd

=，n 为滚轴根数，d ——滚轴直径，mm 。 2.偏离度的计算

偏离度是用标准方差与平均值的比值来衡量。

1111100%,100%

p p M M M M V V στσ

τστστ=

==?=?3.以剪应力τ为纵坐标，法向应力σ为横坐标，将每一试件的σ、τ标在坐标系中，以最小二乘法拟合一直线（强度包络线），并在图中求得岩石的内摩擦角υ和内聚力C 。

工程上，可将岩石强度曲线简化为直线，简化后可以用下列方程表示：

tan C τσ?=+

式中：C —岩石强度曲线在τ轴上的截距，即岩石的黏聚力；υ—岩石强度的倾角，即岩石的内摩擦角。

4.内摩擦角υ和内聚力C 的计算

在简化后的直线上任意取点1和2，求出剪应力τ1和τ2、正应力σ1和σ2，代入下面公式，即可求出。