岩石力学实验

石油工程岩石力学实验课程指导教师：张千贵研究生助理：周鑫童盟2014年6月绪言岩石力学性质主要是指岩石的变形(deformation)特征及岩石的强度(strength)。对任何工程现象来说，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、内摩擦角等），建立岩石的本构方程(constitutiveequation)和破坏准则(failurecriterion)，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，然后将所得结果应用到实践中去。室内岩石力学实验（单轴压缩、巴西劈裂、三轴实验等）获得岩石力学性质及参数确定研究工区、钻取具有代表性岩心建立本构方程和破坏准则，结合地质环境特征（地应力、温度、地层压力等）进行工程实际应用（如判定井壁破裂坍塌条件等）取样实验应用绪言地层中钻取的岩心标准的岩心试样采集的岩样用标准尺寸钻头取心切割两端面获得标准长度的岩心试样精磨试样两端面使端面平滑规则获得标准直径岩心试件绪言样品采集和岩石学审查钻岩心端面切割端面磨平几何形状检验环境存放样品包裹（围压实验）实验岩石单轴抗压实验实验目的实验原理实验仪器实验步骤结果处理报告编写一、实验目的1．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；3．根据试件破坏单轴压应力，计算岩石的单轴抗压强度；4．熟悉岩石应力-应变曲线各阶段的意义，计算岩石弹性模量与割线模量。二、实验原理当岩石试样在无侧限压力条件下，岩石在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上缩承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度。计算公式为：cPRARc—试样单轴抗压强度，MPa；P—试样破坏载荷，N；A—试样初始截面积，mm2。（1）二、实验原理岩石的弹性模量是指岩石在弹性变形阶段其应力与应变变化值之比:E—轴向应力-应变曲线中直线段的轴向应力增量，MPa；—轴向应力-应力曲线直线段的轴向应变增量；ΔσΔεO（2）二、实验原理—单向抗压强度的50%的应力值，MPa；—试件与对应的轴向应变值。505050E岩石的割线模量是指单向受力条件下岩石应力—应变曲线上相应于50％抗压强度的点与原点连线的斜率：5050O应变应力Δσ50Δε50（3）二、实验原理岩石在单轴压缩试验条件下，其破坏类型主要分为三种：X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：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单轴压缩岩石破坏特征三、实验仪器1.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；3.WDW-200微机控制电子万能试验机。主要实验仪器三、实验仪器WDW-200微机控制电子万能试验机横梁上承压板下承压板刚性框架电源开关启动开关计算机及控制软件四、实验步骤1.试件端面磨平观察岩石试件，若两端面存在明显不平整，采用锉刀垂直于试件轴线进行往复打磨至其两端面平整。四、实验步骤2.测试件尺寸测量试验采用圆柱体作为标准试样，直径为25mm，允许变化范围为23~28mm，高度为50mm，允许变化范围为48~54mm。试样的尺寸要求高径之比为2.0~2.5。试样制作精度：①在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm；②端面的不平行度，最大不超过0.3mm；③试样的两端面应垂直于试样轴线。四、实验步骤(1)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，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。1.直角尺；2.试件；3.实验台四、实验步骤(2)试件平行度测量检测方法如图所示，将百分表架与百分表固定于材料试验机平台上，放置试样于百分表触头下方，在平台上缓慢前后、左右平移试样，观察百分表指针的摆动幅度小于0.3mm（30格），则判定合格。对于不合格试样，使用锉刀打磨，直至符合要求。1.百分表；2.百分表架；3.试件；4.实验台四、实验步骤(3)试件直径测量取岩石试件上中下三断面测量位置，采用游标卡尺分别测量垂直于中轴线且互成90°方位的试件直径，填入试样尺寸记录表中，并分析直径误差。上断面中断面下断面互成90°测量四、实验步骤(4)试件长度测量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位的试件尺寸，填入试样尺寸记录表中，并分析高度误差。相互垂直的4个方位四、实验步骤3.加载实验(1)将试件竖直放置于材料试验机下承压板上。使用50mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与压板相距约5mm，转换成5mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与压板接触。四、实验步骤(2)设置试验机采集软件：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，加载速率0.3mm/min。(3)开始实验：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。(4)结束实验：当试件破坏，材料试验机自动停止。选择高速档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：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，并导出实验数据。而后清理试样，岩屑放入试验机旁塑料桶内。五、结果处理1.岩石单轴抗压强度测定结果填入表2中，根据公式（1）计算出岩石的单轴抗压强度。试件编号试件尺寸破坏最大载荷/kN单轴抗压强度/MPa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五、结果处理2.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3。然后利用EXCEL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-应变曲线，如下图。试样编号载荷/kN项目204060801001201401601802001轴向应力σ/MPa轴向应变ε1/%2轴向应力/MPa轴向应变ε1/%表3岩石单轴压缩变形测定记录OABCDεσ岩石单轴压缩应力应变曲线五、结果处理3.弹性模量与割线模量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(2)、(3)计算岩石的杨氏弹性模量与割线模量，填入表4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12六、报告编写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。岩石巴西劈裂实验实验目的实验原理实验仪器实验步骤结果处理报告编写一、实验目的1.掌握采用巴西劈裂法测定岩石抗拉强度的方法；2.与岩石单轴抗压强度进行比较，了解脆性岩石材料的强度特点。二、实验原理巴西劈裂法测定岩石抗拉强度是国际岩石力学学会标准推荐的方法，对称圆盘试样受集中载荷P的作用下，依据弹性理论得知，如图1，圆盘加载直径上任一点(0，y)的应力状态为：2xPDL2222414yPDDLDy式中：P—载荷，kN；D—试件直径，cm；L—试件高度，cm。图1圆盘试件受力示意图(1)(2)二、实验原理试样中心处（y=0）的应力为：02xPDL06yPDL由式上式得出，圆盘试样中心处压应力是拉应力的3倍，但由于岩石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破坏，通常认为拉应力对破裂起主导作用。(3)(4)三、实验仪器1.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；3.劈裂压模，压模圆弧直径为试样直径的1.5倍（如图2）。4.WDW-200微机控制电子万能，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四、实验步骤1．试件端面磨平观察岩石试件，若圆周有毛刺，采用锉刀打磨光滑。四、实验步骤2．测试件尺寸测量实验采用圆柱体作为标准试样，直径为50mm，允许变化范围为47~53mm，高度为25mm，允许变化范围为23~27mm。试样的尺寸要求高径之比为0.5~1.0。(1)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垂直于中轴线且互成90°方位的试件直径，填入表1中，并分析直径误差。(2)试件高度测量：将试样断面分为相互垂直的4个方位，分别测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。相关测试方法与岩石单轴压缩实验试件测量方法相同。四、实验步骤2．加载实验(1)将试件放置于劈裂夹具上，并放置劈裂夹具于试验机下承压板上，使用50mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与劈裂压模相距约5mm，转换成5mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与劈裂压模接触。四、实验步骤(2)设置试验机采集软件：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，加载速率0.2mm/min。(3)开始实验：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。(4)结束实验：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，使之与劈裂压模脱离。(5)破坏试样描述：拍照记录实验后试件的破坏形态，并对破坏试件进行描述。五、结果处理岩石巴西劈裂实验测定结果填入表2，根据公式(3)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六、报告编写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。岩石单轴抗压实验实验目的实验原理实验仪器实验步骤结果处理报告编写一、实验目的1、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。二、实验原理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。通过实验可以测试获得压头位移与荷载的关系，如图1所示。可得到岩石硬度计算公式：式中：Py为岩石硬度；P为试样破坏载荷；S为压头面积;d为压头直径。位移ODCP0PEB载荷A24dPSPPy图1压头位移-荷载曲线岩石塑性系数计算公式：OEDOOABCOEFSSAAK式中：K为岩石塑性系数；AF为岩石破坏时耗费的总功；AE为岩石弹性变形耗费的功；SOABCO为途中O、A、B、C、O所围成的区域面积；SOEDO为途中O、E、D、O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。(1)(2)三、实验仪器1.千分尺，精度0.001mm；3.WDW-200微机控制电子万能试验机，见岩石单轴抗压实验介绍。四、实验步骤1.使用千分尺测量压头直径（d），记录入表1中。四、实验步骤2.将岩石放置于材料试验机下承压板上（图2）四、实验步骤3、使用50mm/min速度调节试验机横梁，使压头与试件上端面相距约5mm，转换成5mm/min速度调节试验机横梁，使压头与试件上端面接触。四、实验步骤4、设置试验机采集软件：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控制式，加载速率0.5mm/min。5、开始实验：启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件的破坏。6、结束实验：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，使压头与试件脱离，取出试件，并清理材料试验机。7、重复实验：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3次。五、结果处理1.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1）。表1岩石硬度测试实验原始记录表小组编号仪器编