岩石应变的测量方法有哪些

‘壹’ 工程上需要测定岩石的抗剪强度主要有哪几种

工程上测定岩石的抗剪强度方法：
一、抗剪强度是岩石在外力作用下达到破坏时的极限剪应力。抗剪强度试验方法包括室内试验和现场试验两类。
二、室内试验：室内抗剪强度试验常用的方法有直接剪力试验、 扭转试验和三轴试验三种。
1、直接剪力试验：这种试验特别适用于岩石结构面和软弱夹层抗剪强度的测定，装置如图2a。取一组试件分别在不同的正应力下进行试验，试验结果如图2b。图中C称为岩石的凝聚力,ф 称为岩石的内摩擦角。
2、扭转试验：将圆柱状试件或两端为方形的柱状试件夹紧在扭转试验机上，施加扭力，最大剪应力发生在试件最外圈。
3、三轴试验：三轴试验方法包括轴对称应力状态的普通三轴试验、真三轴试验、空心圆筒的压缩或扭转三轴试验。三轴试验需要一套专用加载装置、三轴压力室、稳压装置和变形测量设备。为了测定岩石应力达到峰值以后的应力与应变关系，必须采用伺服控制刚性压力机。现代岩石力学已逐步向地学领域发展。地壳岩石常处于高温高压状态，因而发展出高温高压三轴试验。目前国际上进行的高温高压三轴试验，侧压可达数万巴（1巴=105帕），温度高达1000℃。随着围压的增大，岩石的强度增加并由脆性向韧性转化。
三、现场试验：现场岩体抗剪强度试验一般在平洞中进行，通常分为直剪试验和三轴试验。直剪试验较多用于软弱岩石、结构面或软弱夹层。这两种试验的方法与室内的试验方法大体相同。
1、现场岩体直剪试验：试件受剪面积一般不小于2500平方厘米。国际上最大的试验面积达100平方米。 这种试验较多用于软弱岩石结构面或软弱岩层。
2、现场岩体三轴试验：试件多为棱柱体，试验方法与室内三轴试验大体相同。

‘贰’ 岩石单轴压缩变形试验有哪些方法

(1)电阻应变仪法
按规定选择、粘贴电阻应变片。按电阻应变仪操作说明书进行操作，反复预压2～3次，压力为岩石极限强度的15％，按规定的加载方法和荷载等级，以0.5～1.0MPa/s的速度逐级加载，井读取应变值，直至试件破坏。
(2)干分表法
千分表可直接安装在试件上测量纵横向变形，也可采用磁性表架，横向和纵向测表应安装在试件直径的对称轴上，试验同电阻应变仪法。

‘叁’ 岩石中的波及其速度测量

1.弹性波与波速

均匀岩石中可能产生两类弹性波，一类是纵波，也称P波，其质点运动方向与波传播方向平行。纵波在岩石中传播速度是

图3－14 高压声速测量样品室

‘肆’ 岩石有限应变测量

断裂带岩石有限应变测量对了解岩石的应变历史和变形机制，弄清断裂带变形强度、空间变化、主应变大小和方向及其变形方式与途径都是十分重要和行之有效的方法。

漫长的构造演化在断裂中留下了不同期次、不同层次的构造形迹。早期塑性变形形成的各种构造形迹沿断裂走向构成线状展布的塑变带，主要塑性变形构造表象有：砂粒和矿物压扁拉长、流劈理、糜棱岩条带等，这些都为应变测量提供了标志物。限于野外地质条件，作者仅在普通岩石薄片尺度上对断裂通过的黑云母花岗岩及斑状花岗闪长岩中石英颗粒进行了应变测量工作，考虑到不同岩性段、不同构造层和不同构造部位岩石有限应变特征的差异，沿断裂的走向和垂向系统采集样品，并尽可能使采样点分布在断裂的同一构造部位。同时，为对断裂应变的空间变化有一总体认识，选取北东向断裂之一的焦家断裂带为代表，对其配套的不同级别的断裂构造系统测量分析，对认识胶东西北部地区主要控矿构造有着触类旁通的效果。

所采标本的定向面均为与断裂面一致的片理面、次级断层面和节理面，即最大压扁面。据变形显微构造和宏观变形分析，将构造面定为ab面。测量分别在ac面和bc面上进行，为保证精度，测量颗粒数目一般为100个左右。测出a、b、c轴长度并分别取平均值，求出轴比和付林指数，如表2-1表示。

表2-1断裂带石英颗粒应变测量值

根据岩石有限应变测量结果，作者对断裂带有以下几点认识：

1.据付林图解分析，构造变形类型主要反映为压缩应变，表明在剪切流动过程中的压扁作用较强，与野外观察结果一致（图2-13）。

图2-13断裂带应变测量付林图解

·代表焦家断裂投点；▲代表望儿山断裂投点；●代表候家断裂投点

图2-14垂直断裂走向变形强度变化曲线

2.随焦家-河西-河东不同级别断裂带的空间位置变化，反映在付林图解上的K值增大，说明压扁作用程度的减弱，而剪切流动变形的增强，反映断裂的多期活动以及韧脆性变形环境的演变。

3.沿断裂带走向应变程度自北东向南西方向逐渐增强，垂直断裂走向随距主断裂面由近至远，应变程度逐渐减弱，这与前述的招平断裂南北构造岩的差异所反映的结果一致（图2-14、15）。

图2-15沿断裂走向变形强度变化曲线

A-A′招平断裂带B-B′焦家断裂带C-C′望儿山－河东断裂带

‘伍’ 现代构造应力场的测量方法

(一)震源机制

地震主要是急剧断层运动的结果。由于地震震源断裂剪切运动必定造成质点初次运动的四象限分布，因此，在震中四周不同方向上分布的地震台所接收到的同一次地震波的初动方向也是四象限分布。如图3－32所示，标有力偶的大圆为震源断层面，另一大圆为节理面，两者相互垂直。两对顶象限的地震台所收到的地震波初动为负，另外两对顶象限为正。这样很容易在赤平投影图上求出σ₁、σ₂、σ₃的空间方位。

(二)压裂

在油气田开发中，为了改善储层中孔渗条件、增加产量，常采用压裂的方法，即向目的层注入高压流体，使岩石破裂。在地应力值低于岩石的强度时，岩石不发生破裂。但岩石中孔隙液压增加，从而降低岩石的强度，在同样的地应力作用下，岩石就可能破裂。通过测井资料和油藏的动态分析，可求得岩石破裂面的产状，进而求得自然状态下主应力σ₁、σ₂、σ₃的方位。利用注入液体的压力变化特征，还可求出主应力σ₁、σ₂、σ₃的数值。

(三)应力解除法

在钻孔底部的岩石上安放应变元件，打钻使钻孔中带有应变元件装置的岩石与周围岩石孤立开来。这实际上是减去一切构造应力的作用，岩石必定发生变形的恢复。这可由应变元件记录下来。这样，被减去的应力，即被解除的应力也可以计算出来。这个被解除的应力就是自然的构造应力。适当地安放应变元件，可以计算出钻孔底部平面上的最大和最小主应力方向和数值。但这种方法只能在约100m深的钻孔中进行，所以它只能了解地表浅层的应力状态。

(四)地形变测量

受构造应力的作用，地面也在发生应变，即地面的形变，简称地形变。设置适当的观测基线和观测网，定期重复测量，从地形变可以计算出构造应力场主轴的方位。

对于古构造应力场和现代构造应力场还可以进行物理模拟、数学模拟以及理论计算，以验证自然界中所测得的构造应力场和解释所存在的构造，并预测在自然界中可能存在的应力场和构造形态。

图3－32 地震波初动的四象限分布空圈表示初动向下为负;实点表示初动向上为正

‘陆’ 岩石变形的试验研究

可在室内和野外进行试验和监测。室内试验一般用单向压缩或三向压缩的方法进行。往往与岩石强度试验一起进行。野外试验有多种方法，如承压板法、水压法、 钻孔膨胀计法等。 各种方法的实质都是：在不同条件下,向岩石加载,然后测定相应的变形和变形随时间的变化,即可获得应力-应变关系或应力-应变-时间关系曲线以及相应的变形参量。无论在室内或野外，还可以用动力法，即通过测定地震波或声波在岩石中的传播速度来换算弹性常数。对于各向异性岩体和破碎岩体可用声波法探测其结构。
对于工程岩体，通常在建筑物地基、地下工程围岩以及边坡内埋置各类仪器，对岩石的变形进行长期观测和监控。对于地壳岩体可用遥感和大地测量的方法，研究其变形规律。

‘柒’ 韧性剪切带的应变分析和测量

韧性剪切带内的各种变形构造和变形现象均是应力作用下各类应变的结果，变形构造和应变类型、应变大小之间存在着某种内在联系，因此，对韧性剪切带内变形构造和变形现象的观察和测量是应变分析的基础。

(一)应变分析和测量的依据和方法

应变分析和测量的基础是有关的应变理论，尤其是应变椭球的概念和理论。按照现代应变理论，在应力作用下，未变形的圆球体在经过均匀变形后变为三轴应变椭球，应变椭球中三个应变主轴λ₁、λ₂、λ₃的长度(或直径)和应变椭球的形态与应变大小和应变类型有关，同时应变椭球中不同方向物质的变形特征和应变大小也不相同，以此类推，变形地质体中不同切面的应变特征和构造现象也有明显的差异。因此，对变形构造的观察和应变分析需要通过对不同切面的观察和测量进行，而包含λ₁、λ₂、λ₃这三个应变主轴中任意两个应变主轴的三个应变主平面(λ₁λ₂、λ₁λ₃、λ₂λ₃)上应变特征和构造现象最典型，在进行应变分析和构造观测时通常选择这三个面进行。

所以，不论是在露头上还是手标本上，或者显微镜下，进行变形构造观察和应变测量时，首要的工作就是确定应变轴(或运动轴)和应变主平面，而这些工作也是运动学分析首先要做的内容。目前，普遍用X、Y、Z作为应变轴(或运动轴)，分别对应于应变椭球的λ₁、λ₂、λ₃，岩石中的叶理面代表XY面，X轴平行于叶理面上的拉伸线理，垂直叶理面的方向为Z轴(图10-34)。

图10-34 拉伸线理在不同切面的形态特征及应变轴(运动轴)的确定

(二)应变分析和测量的方法

应变分析和测量分相对应变的观察和应变大小的测量。相对应变分析是根据变形构造的特征确定剪切带不同部位应变的相对大小，许多构造现象都有助于相对应变分析，如糜棱岩的类型、叶理的密集程度、褶皱的紧闭程度和置换强度等，当然，这需要对韧性剪切带进行系统的横向观察。应变大小的测量也需要各个切面上变形构造和应变标志及应变与变形构造之间的内在联系来确定。Ramsay et al.(1970，1984)总结出各种应变测量方法。

1.均匀应变的Flinn图解

应变分析理论表明，应变椭球中三个应变主轴的长度(或直径)和应变椭球的形态与应变大小和应变类型有关。根据这一原理，在变形岩石中选择原始形态为近等轴状或不规则状，变形后形成类似应变椭球那样的标志物，如长英质岩石中的石英、砾岩中的砾石、侵入岩中的包体等，在XZ和YZ或XY和XZ切面上测量X、Y、Z三个应变主轴的长度x、y、z。并分别求出：

a=x/y=(1+e_x)/(1+e_y)和b=y/z=(1+e_y)/(1+e_z)

并以a、b为坐标作图，不同形态的应变椭球用K值来区别：

K=(a-1)/(b-1)

或用统计的方法(如Robin法)求出轴率K：

构造地质学(第二版)

式中：a_i、c_i为与应变轴平行的变形体的长短轴；n为测量数目。各种应变状态可以描述如下：

① 轴对称延长：K=∞；②收缩应变(长椭球)：1＜K＜∞；③平面应变(体积不变)：K=1；④压扁应变(扁椭球)：0＜K＜1；⑤轴对称压扁：K=0。

这种方式，只用参数K值就能描述应变椭球的形态，通过K值是大于1还是小于1，就能直接区分出是收缩应变还是压扁应变。

图10-35 A中是假定体积不变而编制的，由于体积变化Δ=0 时，K=1 的直线才唯一通过原点。当Δ≠0时，则有1+Δ=(1+e_x)(1+e_z)=a/b(因为K=1时应变椭球的(1+e_y)=1)，所以：a=b(1+Δ)。

图10-35 应变Flinn图解

(据Park，1983)

(1)用K=(a-1)/(b-1)值描述不同的应变椭球体；

(2)如果体积不是衡量，则以线a=b(1+Δ)划分收缩应变区与压扁应变区，图1035 B中实线表示体积缩小20%的效应。

2.利用Sm与Sc的锐角关系求剪应变

Sm与Sc之间的锐角关系，即剪切带内糜棱叶理与剪切叶理或剪切带边界面之间的锐角(θ)关系。通常情况下，糜棱叶理(Sm)在剪切带中呈“S”分布，而剪切叶理与剪切带边界平行，二者之间的夹角在剪切带边界处一般为45°，向剪切带中心应变增强，夹角变小(图10-23)，因此，根据横过剪切带的不同部位测得的夹角θ，通过公式：γ=2/tan2θ，可以求得剪切带不同部位的剪应变。需要注意的是，θ是在XZ切面测量的。

3.以先期标志面的产状求剪应变

先期构造面(包括层面、片麻理、岩墙和岩脉等)在剪切变形过程中，一般表现为被动旋转，随着递进变形的持续发生，在XZ面上其迹线与剪切方向之间的夹角发生递进变化。

如果原始状态的先期构造面与剪切方向垂直，则可利用角剪切求剪切应变γ。先将剪切带以间隔a划分许多段，在每个间隔中作变形标志面切线，切线与原始状态的先存标志面之间的夹角就是角剪切(φ)，然后利用公式：γ=tanφ，求出各个间隔的剪切应变值(图10-36)。

如果原始状态的先期构造面与剪切方向不垂直，与剪切方向的原始夹角为a，变形后的夹角变为a′，则可利用它们之间的几何关系，可以求得剪应变γ(图10-37)，其中：

cota′=cota+γ

图10-36 角剪切求剪应变

(据Hudlesfon，1983)

图10-37 剪切变形过程中先存构造面的旋转

(据Hudlesfon，1983)

图10-38说明这种函数曲线关系，图中包括了各种原始夹角a的先存标志面在剪切过程中随着剪切应变的增加a′逐渐变化的曲线，只要测得最终a′的大小，就可依据这些曲线求得剪切应变量γ。

用脆-韧性条件下张裂隙的演化求剪切应变则是其中的一例。

在此情况下，初始剪切变形在脆-韧性剪切带中形成一组雁行状排列的张裂隙，这些张裂隙与剪切(位移)方向之间的初始夹角呈a角(初始阶段为135°)(图10-39A)，随着递进变形的发生，这些张裂隙被剪切位移改造而发生旋转，导致与剪切(位移)方向之间的夹角a′变小，同时，脆-韧性剪切带向两侧扩展、变宽，这些张裂隙也沿其尖端向两侧扩展，扩展部分的裂隙与剪切(位移)方向之间的夹角a仍为135°，从而导致旋转地张裂隙和扩展的尖端部分构成“S”，在这一过程中，将有新的张裂隙形成(图10-39 B)。而递进变形的进一步发生，又会重复上述过程(图10-39 C)。因此，如果测得初始张裂隙与剪切(位移)方向之间的夹角a′，则可以利用cota′=cota+γ的函数关系或图10-38中的a=135°曲线求得初始裂隙形成后的剪切应变量γ。

图10-38 简单剪切中先存构造面原始夹角a和变形后夹角a′与剪切应变γ之间的关系

(据J.G.Ramsay，1983)

图10-39 脆-韧性条件下张裂隙的递进演化

(据J.G.Ramsay，1984)

4.据主应变求剪应变

在韧性剪切带内各点上的变形岩石中，选择原始形态为近等轴状或不规则状，变形后形成类似应变椭球那样的标志物，如长英质岩石中的石英、砾岩中的砾石、侵入岩中的包体等，在XZ切面上测量X、Z应变主轴的长度x、z。然后利用下列公式求得剪应变γ：

构造地质学(第二版)

另外，据图10-40，其中实线代表Sm与Sc之间的夹角θ，虚线代表XZ应变椭圆轴比(长轴和短轴)。在简单剪切中θ从45°开始(边界)，随着剪应变 γ 增大，则θ变小，长轴朝剪切方向转动，如当γ=10 时，θ=5.6°，而轴比等于102：1。根据图中曲线的对应关系，在测得θ或轴率后，都可通过图中的曲线求得剪应变γ。

图10-40 剪应变与轴率关系曲线

(据J.G.Ramsay，1984)

‘捌’ 其他地应力测量方法

（1）扁千斤顶法

扁千斤顶又称“压力枕”，由两块薄钢板沿周边焊接在一起而成，在周边处有一个油压出口和一个出气阀，见图1-15。

图1-15 扁千斤顶应力测量示意图

扁千斤顶的测量原理基于岩石为完全线弹性的假设。具体做法是：在待测区安装两个测量柱，并用微米表测量两柱之间的距离，再挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，其形状参数与扁千斤顶一致，同时记录下由于扁槽开挖造成的应力释放而引起的测量柱间距离的变化，而后将扁千斤顶完全塞入槽内，再用电动或手动液压泵向其加压，由于压力的增加，两测量柱的距离亦增加。当两测量柱之间的距离恢复到扁槽开挖前的大小时，停止加压，记录下此时扁千斤顶中压力，该压力称为“平衡压力”，等于扁槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向，即平行于二测量柱连线方向的应力。由此可以看出，扁千斤顶法测量地应力是一维的，而且应用范围也受到限制，现已被淘汰。

（2）刚性包体应力计法

此法是20世纪50年代继扁千斤顶法之后应用较为广泛的一种岩体应力测量方法。

理论分析表明，在一个无限体中的刚性包体，当周围岩体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小和岩体中的应力变化之间存在一定的比例关系。假设在岩体中的x方向有一个应力变化σ_x，那么在刚性包体中的x方向会产生应力σ′_x，并且有下式存在：

油气藏现今地应力场评价方法及应用

式中：E、E′——分别为岩体和刚性包体的弹性模量；μ、μ′——分别为岩体和刚性包体的泊松比。

从（1-26）式可以看出，当E′/E＞5时，σ′_x/σ_x值将趋向于一个常数1.5，即当刚性包体的弹性模量超过岩体的弹性模量5倍之后，在岩体中任何方位的应力变化将在包体中相同方位引起1.5倍的应力。因此，只要测量出刚性包体中的应力变化就可知道岩体中的应力变化。根据刚性包体中压力测试原理的不同，刚性包体应力计可分为（表1⁃1）：

表1-1 刚性包体应力计表

由于刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测。然而此法通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力，而且除钢弦应力计外，其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低，故已淘汰。

在钻孔孔壁应变测量法所采用的应变计目前有两种：①一般的钻孔三向应变计，它是把测量元件电阻丝应变片直接贴在钻孔岩壁上，这种应变计测量精度高，但操作复杂，对被测岩体完整性要求高，因而测量成功率低。②我国学者刘允芳等人研制的利用环氧树脂技术制成的空心包体式钻孔三向应变计测量的成功率较高，已被广泛使用。

（3）应力解除法

图1-16 应力解除法测量地应力示意图

此法是最早被采用的实地地应力测量方法。尽管在技术细节上有很多变化，但基本原理是一致的，即先钻一大孔，孔径一般为130mm，沿大孔轴线在孔底钻一个小孔，孔径一般为36mm，把应变测量装置下入小孔中，再把塞有应变测量装置的大孔孔底套出（图1-16），卸掉孔心的围限压力，测量卸载过程中孔心应变，就可以计算出三向主应力值和主应力方向。

实际中，由于技术细节的不同，还有很多应力解除法，上面的是套孔应力解除法，对应的还有局部应力解除法，包括切槽解除法、钻孔全息干涉测量法、平行钻孔法、中心钻孔法、钻孔延伸法等。

（4）松弛应变测量法

微分应变曲线分析法

此法是由斯特里克兰（F.G.Strickland）、雷恩（N.K.Ren）和J.C.罗吉尔斯等人在20世纪80年代初首先提出。该法基于这样的假设：即一个从地下取出的岩心，由于解除了应力，将会随着岩石的膨胀而出现微裂隙，裂隙的分布和原岩应力的方向有关，裂隙的数量和强度与原岩应力大小成正比。在试验中可作出微分应变曲线图（图1-17）。

在对加压试验中描绘出的12条应力-应变曲线进行微分分析，由于每一曲线均包含两个（或两个以上）线性段，两个线性段的斜率明显不同，两个线性段之间有一个过渡段，由此可获得在单位压力下的裂隙闭合应变率，即ε′，如图1-17。由12个方向的裂隙闭合应变率可求得三个主裂隙应变的方向，它们对应着三个主应力的方向。主应力的大小可由瞬时关闭压力值来确定。

图1-17 微分应变曲线分析图

（据蔡美峰等，1995）

非弹性应变恢复法

此法的原理早在1969年即由沃伊特（B.Voight）提出，后来图菲尔（L.W.Tueful）等人作了重大发展。

非弹性应变恢复法在某种程度上是应力解除法的延伸。沃伊特等人认为由应力解除引起的岩心的变形由两部分组成：一是弹性部分，它是在应力解除的瞬间完成的；二是非弹性部分，它要经过一个相当长的时间才能完成。非弹性恢复应变与总的恢复应变成正比，主非弹性恢复应变的方向与原岩主应力方向一致。同时，如果岩石是均质和线粘性的，且其泊松比已知，并不随时间而变化，而且自重是一个主应力，那么由测得的主非弹性恢复应变的大小即可计算出原岩应力的大小。

‘玖’ 试验机加载、控制和测量方式

1.7.1 变形的测量方式

室内岩石力学试验中，岩样变形的测量方式通常有3种，一是利用电阻应变片，二是使用线性变化的差动变压器（简称LVDT），三是直接接触式伸长计。进行流变试验时也采用机械结构的千分表测量变形，以确保试验结果的稳定性。

电阻应变片比较便宜，但粘贴之前需要对试样的粘贴部位进行处理，粘贴之后经过一定时间的干燥才能试验。此外，由于岩石是非均质材料，颗粒尺度在毫米量级，试样侧面是机械切削加工形成的，也会产生一定的损伤。如果使用电阻式应变计测定轴向和环向应变，则该应变计的长度至少应是岩石内细小颗粒粒径的10倍，而且应变计不应该进入试样端部D/2的范围（D为试样直径）^［64］。更为关键的是，岩样屈服破坏具有局部化特征，电阻应变片不能反映岩样屈服破坏过程的总变形，不能得到应力-应变全程曲线。

差动变压器（LVDT，Linear variable differential transformer）固有的时间延迟和交流电对电子运动的限制，将对控制回路的反馈速率造成不利的影响，用于测定Ⅱ类应力-应变全程曲线变得更加困难。一些试验机利用LVDT测量加载压头之间的距离变化，以此作为岩样的轴向变形。不过岩样端部的加工质量将会显着影响加载初期的测量结果，使变形模量产生离散和偏差。

国际岩石力学学会（ISRM）对单轴压缩试验建议方法草案^［64］中，建议使用直接接触式伸长计测量试件的轴向和环向（或径向）的位移。测量得到的轴向和环向应变的读测精度应该达到1%，且准确度为其量程的0.2。伸长计的整个可能的物理量程应超过最大的预期位移。建议使用2个轴向伸长计互成180°粘贴于试件上，位置大约为轴向尺寸的25%处和75%处。两个伸长计的输出端应该分开，在试验结果报告中取均值。环向或径向伸长计则应贴于试件高度的中部。

侧向变形的测量方式同样为上述3种方式。不过，由于岩样屈服破坏的非均匀性，利用应变片只能准确测量岩样弹性阶段的侧向变形，计算泊松比系数；而要研究岩样的扩容，以及破坏过程的能量等问题，最好利用各种位移计来测量岩样直径方向的变形或周向的环向变形。

在利用图1-12所示的方式测量岩样的侧向变形时，由于岩样端面之间不可能绝对平行，加载初期，试验机压头球形座的调整作用使岩样会产生宏观移动，而位移计如果没有与岩样固定成一体，将会与岩样发生相对移动，位移计的读数就不完全是岩样的侧向变形。即使将岩样侧面测点附近磨成平面，也不能保证测量的可靠性。最为明显的事实是，在单轴压缩时利用图1-12得到的侧向变形可能是压应变。另一个需要注意的是，在弹性变形阶段，岩样侧向变形数值是很小的。对于直径为50mm、长度为100mm的岩样，在泊松比系数为0.20时侧向变形只有相应轴向变形的1/10。

图1-12 岩样移动对位移计测量侧向变形的影响

对于花岗岩等脆性岩石，单轴压缩破坏时轴向变形较小，弹性阶段的侧向变形更小，图1-12所示测量方法得到负值泊松比系数是常见的。若弹性模量50000MPa，则轴向应力100MPa时的轴向应变为2×10^-3。在泊松比系数0.2、岩样直径50mm时，相应的侧向变形量0.02mm。岩样端面的加工精度通常要求不平整度小于0.05mm，在加载初期试验机压头会使岩样位置产生变动，完全可以掩盖岩样的膨胀变形。

1.7.2 载荷的测量方式

试验机轴向载荷有两种测量方式，一是在加载构件上粘贴电阻应变片，通过测量金属构件的变形换算载荷；对液压系统加载的试验机，可以利用压力传感器测量加载油缸的压力来换算载荷。至于围压当然是由压力传感器测定的。一般压力传感器也是利用电阻应变片测量弹性元件的变形，利用标定曲线来确定压力的。不过试验机的加载油缸是双作用的，其后腔因回油必须具有一定的压力。该压力通常是较低的，但有时也会影响对试验结果的理解。

有资料认为进行煤样直接拉伸试验得到残余强度^［73］（图1-13），就此则认为煤有不同于一般脆性材料的力学性质。文献［74］也认为试样存在拉伸残余强度。不过这一观点不符合常理，即试样拉伸断裂之后就相互分离，不可能承载。

在进行拉伸试验时，设定试验机轴向油缸以较低的速度回缩。即使煤样完全断裂不再承载，油缸回缩也需要一定的油压来克服管路、接头以及各种阀件的阻力。通常情况下，试验机液压系统的流量较小，压力损失并不很大。但煤的拉伸强度较低，图1-13 中试样强度小于0.8MPa，所有试验中的最大应力也只有1.5MPa左右。这使得管路阻力损失的影响显着。如果进行压缩试验，最大应力达到15MPa左右，那么图1-13中的“残余应力”就不会被特别注意。

图1-13 煤样直接拉伸的应力-应变曲线

1.7.3 伺服试验机的控制方式

伺服试验机是闭环控制方式。一般控制方式有轴向变形、环向变形和轴向载荷控制3种，即在试验过程设定某个参数按照一定规律变化，通常是随时间线性增加或减少，通过实际测量该参数的数值与预定的加载数值之间的差异，控制加载油缸的电液伺服阀。当然，伺服响应总是滞后的，也不总是恰当的，因而试验曲线会出现波动。

使用载荷控制，即要求载荷随时间线性增加，试验曲线的波动较小，但一定造成岩样的失稳破坏，不可能得到峰后的应力-应变曲线。而利用轴向变形控制，即要求岩样的轴向变形随时间线性增加，不可能得到Ⅱ类全程曲线。利用环向变形控制，即要求岩样的环向变形随时间线性增加（图1-4），可以得到Ⅱ类全程曲线，但岩样峰后环向变形增大较快，局部的破坏可以引起环向变形突然增加，为维持环向变形均匀增加的控制要求，试验机可能会在轴向卸载，而卸载会影响岩样的破坏过程。

所以，需要根据岩石的特性和试验目的确定加载控制方式。

‘拾’ 我想测量岩石压缩实验的应变，怎么测量最好是带自动分析的

使用电阻应变计和电阻应变仪