彈性模量是指岩石試樣在單軸壓縮狀態下，壓應力與縱向應變之比。由於岩石不是理想的彈性體，而此比值不是常數。但可以根據岩土試驗繪製出的應力-應變曲線分為初始彈性模量、切線彈性模量和割線彈性模量。也可以根據需要確定任何兩個應力之間的彈性模量。它是評價岩土優劣的重要力學指標。可用靜力法和動力法進行測試。前者有電阻應變片法、夾具法及槓桿式引伸法等；後者有地震法和超音波法等。
基本介紹
- 中文名：彈性模量
- 外文名：modulus of elasticity
- 學科：岩土力學
- 定義：壓應力與縱向應變之比
- 方法：靜力法和動力法
- 作用：評價岩土優劣
簡介,試驗原理,電阻應變片法,靜態彈性模量,
簡介
岩石的彈性模量是檢驗岩石性能的重要指標之一，指岩石在彈性範圍內應力與應變之比。主要是反映岩石抵抗彈性變形的能力， 是試驗室岩石能力認證的主要開展項目。依據《水利水電工程岩石試驗規程》（SL264-2001 ） ，岩石彈性模量試驗一般採用靜態測量法，其中套用廣泛的是電阻應變片法和千分表法。較軟岩一般採用千分表法， 堅硬和較堅硬的岩石則採用電阻應變片法。由於多數岩石的應力應變曲線並非直線，因此岩石的彈性模量並非常量。岩石的應力應變曲線上任意一點都有一個切線彈性模量和割線彈性模量;根據岩體工程中應力的範圍，由試驗結果求取彈性模量。岩石的彈性模量隨岩石的類型、組成、顆粒大小、水的含量、孔隙大小而異，具有明顯層理或片理的岩石，垂直於層面或片理面的彈性模量大於平行層面的彈性模量。
彈性模量是指材料在外力作用下產生的應力與伸長或壓縮彈性形變之間的關係。亦稱楊氏模量。其數值為試樣橫截面所受正應力與應變之比。它表征材料抵抗變形的能力，與材料的強度、變形、斷裂等性能均有關係，是材料的重要力學參數之一。從本質上說，它是材料內部原子間結合力大小的一種量度。但對整個材料而言，它還取決於材料各個部分之間結合力的大小。受顯微結構(特別是氣孔)的影響，所以除物相組成外，它還在很大程度上反映著材料的結合特徵。對於含部分液相的耐火材料(屬粘彈性體)，其形變在應力去除後不是瞬時得以恢復，而是逐步地恢復，這時彈性模量不再是與時間無關的量，而是隨時間延長而降低，即由未弛豫彈性模量降低為弛豫彈性模量。溫度對材料的彈性模量有重要影響，一般隨著溫度升高，彈性模量降低。研究耐火材料彈性模量和溫度關係可以幫助判斷其基質軟化、液相形成和由彈性變形過渡到塑性變形的溫度範圍，確定晶形轉化及其他結構變化(如矽磚中鱗石英與方石英的轉變溫度範圍有彈性模量的最小值)等。如果製品的其他性質相同，彈性模量與製品的抗熱震性有著反比關係;同類製品的彈性模量與其抗折強度、耐壓強度大體上成正比關係，所以有時用非破壞性試驗得到的彈性模量數值，可間接推斷其強度大小。
試驗原理
彈性模量E的數值越大，其剛度越大，彈性變形就越小。岩石試樣經過鑽孔取樣、試件切平和雙端面磨平等工序，製作成圓柱體標準試件，即直徑為50mm，高度100mm，試件的高徑比為2.0，試件斷面磨平度小於0.02 mm，軸線垂度不超過0.001 弧度，側面不平度小於 0.3 mm。選擇攜帶型多通道精密應變儀，安裝好電阻應力片， 利用萬能試驗機進行載入試驗，重複進行，注意觀察， 記錄實驗數據。試驗在自然狀態下進行，每組試件取 3 塊。本次研究共進行了 4 組試驗。
試驗設備儀器：岩石彈性模量試驗所需主要儀器：立式鑽孔機，自動岩石切片機， 雙端面磨石機， 微機控制電液伺服萬能試驗機，最大試驗力為1000 kN，攜帶型多通道精密應變儀，量程為0～±30 000 με，數顯示卡尺、鋼直尺、25 W 烙鐵、萬用表、 烘箱和飽和設備、 溫度補償塊、測量導線、測量表架等。
實驗耗材：電阻應變片、 焊錫、 膠帶、 細砂紙、502膠液、凡士林、酒精等。
電阻應變片法
電阻應變片法是基於電阻絲的應變效應。即將電阻應變片貼上在被測試件上，當試件受到外荷載作用產生變形後，電阻應變片也產生相同變形，從而使應變片敏感柵的長度發生變化，引起金屬絲電阻值的變化，通過電阻應變儀測量應變片電阻值的微小變化，得到被測試件的應變變化。 此種方法的缺點是：貼上、布線複雜，需花費大量準備時間；膠粘劑不穩定且對周圍環境敏感，常用的KIH502膠粘劑耐用期一般為6個月，只適合短期測量；導線較長，橋臂的電阻值會隨導線長度增加而增加，從而影回響變片靈敏係數，導線在橋路電壓作用下會產生電容和電感，使測量值發生無規律漂移。電阻應變片法的優點是：電阻應變片價格低，如果措施得當（如做好防潮處理，使用禁止線等），測量精度也能滿足要求。在滿足施工監測要求的前提下，可結合其他應變監測手段以降低監測成本。
靜態彈性模量
靜態彈性模量是描述黏性土性質的關鍵參數，是工程選址、設計、施工等的科學依據，但靜態彈性模量需從地下取出待研究層段的岩芯、通過室內傳統的土工試驗來確定，並存在原位和試驗兩者邊界條件的差異，且因取樣的有限性和局限性難避免以點代線和代面現象。彈性波速度與岩土的密度、岩土性質、砂粒數量與膠結程度、孔隙充填物與飽和度等直接相關，由縱橫波速度可無損、低成本和快速獲取岩土的動態彈性模量。因此，為了便於套用於實際工程中，必須將它們轉換為靜態彈性模量，也就說必須建立起動、靜態彈性模量之間的關係。早在 1933 年，Harvard 大學的 W. Zisman就認為岩石動、靜態彈性模量之間存在差異，之後許多研究人員對此進行了研究。
