基于岩石弹性模量的试验研讨

基于岩石弹性模量的试验研讨

岩石的石质坚硬、密度大，在弹性范围内应变极其微小，因此岩石弹性模量的检测技术要求高、难度大，其数据的准确性往往难以把握。本文就针对岩石弹性模量的试验进行了了简要研讨。

标签：岩石；弹性模量；试验；电阻应变片

岩石是由固态的矿物颗粒及颗粒间微小空隙组合而成，在孔隙中通常会存在着气体、液体等多相介质，是一种天然的地质体，其力学特性受应力影响较大。随着我国社会经济的发展，建设工程项目的规模不断扩大，对岩石的开采和利用也不断增加。建设工程中的开挖或填筑活动都打破了岩石原有的力学平衡状态，岩石可能发生局部变形甚至破坏。由于岩石是一种应变软化材料，破坏后的岩石通常表现强度退化、弹性模量降低，同时渗透性也会发生动态变化。岩石弹性模量的准确估计可以为诸多建设工程和岩石工程的顺利进行奠定基础，消除安全隐患。

岩石的弹性模量代表着岩石抵抗弹性变形的能力，也是表征岩石力学性能的重要指标之一。试验室中岩石能力认证的主要开展项目就是弹性模量。根据我国岩石试验规程，一般采用静态测量法进行岩石的弹性模量试验，静态测量法中的电阻应变片法和千分表法应用最为广泛。其中，较软的岩石一般采用千分表法进行试验，而坚硬和较坚硬的岩石则采用电阻应变片法。

1、试验原理及过程

1.1试验原理

弹性模量E的数值越大，其刚度越大，弹性变形就越小。岩石试样经过钻孔取样、试件切平和双端面磨平等工序，制作成圆柱体标准试件，即直径为50mm，高度100mm，试件的高径比为2.0，试件断面磨平度小于0.02mm，轴线垂度不超过0.001弧度，侧面不平度小于0.3mm。选择便携式多通道精密应变仪，安装好电阻应力片，利用万能试验机进行加载试验，重复进行，注意观察，记录实验数据。

1.2试验设备仪器

岩石弹性模量试验所需主要仪器：立式钻孔机，自动岩石切片机，雙端面磨石机，微机控制电液伺服万能试验机，最大试验力为1000kN，便携式多通道精密应变仪，量程为0～±30000με，数显卡尺、钢直尺、25W烙铁、万用表、烘箱和饱和设备、温度补偿块、测量导线、测量表架等。实验耗材：电阻应变片、焊锡、胶带、细砂纸、502胶液、凡士林、酒精等。

1.3试验过程

1）试件使用未风化、节理裂隙小的岩石进行加工，加工后将岩石试件表面清理干净。2）在试件中部选定位置一致的两对面，进行纵向应变片的粘贴。粘贴前，对试件粘贴位置进行清理。首先，用零号的细砂纸在相互垂直与纵轴成45°的方向进行打磨，打磨面积基本为应变片的4倍左右，然后用棉布清除表面灰土及杂物，利用酒精反复擦洗，直至擦洗干净，从而保证试件的受力均匀，最后在贴片部位用铅笔轻轻地做好定位标记。3）贴片前用酒精对贴片部位进行擦洗，保证没有污渍和油污，擦洗是沿单一方向进行。在测试位置滴上502防潮胶水，并涂抹均匀，然后将应变片贴到画好的定位线中间，使用棉布使劲挤压贴好的应变片，使其粘贴牢固，无气泡，最后进行表面检查，擦去多余的胶水。4）将应变片表面清理干净，使用电烙铁将测量导线一端的连接片焊到应变片上另一端插入便携式多通道精密应变仪的通道孔内。由于应变仪所有工作通道共用一个补偿片，当开始进行双通道应力应变测试时，补偿片应粘到另一个不受力的同材质和同温场的岩石试件上。5）将焊好的试件置于微机控制电液伺服万能试验机下端的抗压板中心，抗压板与试件之间放置与试件相同直径的刚性垫块，垫块厚度与直径之比为0.6。6）安装和调整抗压板的球形座，使刚性垫块与试验机上下承压板均匀接触，受力对中。7）试件以每秒0.8MPa的速率进行10种荷载的逐级加载，连续读取各级测读载荷与应变值。8）记录读数，根据Excel表中的公式进行各项计算，同时绘制出应力应变曲线。

1.4试验公式及数据处理

式中：Ee——岩石弹性模量，MPa；σ；a——应力应变关系曲线上起点的应力值，MPa；σb——应力应变关系曲线上终点的应力值，MPa；εha——应力σa对应的应变值；εhb——应力σb对应的应变值。

根据上式计算所得数据导入Excel表中，利用绘图工具绘制出应力应变关系曲线图，并找出其斜率，这样就能判断出岩石的弹性模量，最后进行数据的比较和相对偏差的分析。

2、试验结果分析

本次试验共加工标准试件4组12块，利用数显卡尺进行直径和高度的测量结果见表1：

试验利用微机控制电液伺服万能试验机设定每秒0.8MPa的速率加载，荷载分别从10、20、30、40、50、60、70、80、90、100kN进行加载，然后使用便携式多通道精密应变仪对岩石弹性模量的数据进行通道1、通道2采集，从而得到平均纵向应变值，利用2-1的数据进行分析并绘制应力应变关系曲线，具体见图1。

通过2-1的计算过程可以得出各个试件的弹性模量值及数理统计分析，分析可知：由于岩石是天然的产物，其组成部分有所不同，因此需要计算各组均值和平均值的相对偏差，经计算相对偏差均小于15%，参考《水工混凝土试验规程》

（SL352-2006）第4.8.4条，即符合一般要求，标准差的离散程度不大。

3、结束语

岩石弹性模量是表征岩石力学性能的重要指标之一，是水利工程行业质量检测中对检测单位要求的试验能力，也是建设工程中工程施工所需的关键参数。岩石弹性模量的准确测量可以为建设施工提高效率提供帮助，因而岩石的弹性模量试验准确性有着十分重要的意义，实验人员日常工作时即使缺乏现场岩石试验也可以定期进行相关的模拟实验保证自身实验能力。

参考文献：

[1]刘超，程成，崔娜.弹性模量对岩石注浆裂缝形成影响分析[J].西安科技大学学报，2017（5）.

[2]林斌，徐冬.不同岩性岩石的单轴抗压强度与弹性模量关系[J].煤矿安全，2017.