岩体力学实验.doc

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岩体力学实验

一.实验目的

岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。

通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。

二.实验设备、仪器和材料

1.钻石机、锯石机、磨石机；

2.游标卡尺，精度0.02mm；

3.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架；

4.YE-600型液压材料试验机；

5.JN-16型静态电阻应变仪；

6.电阻应变片（BX-120型）；

7.胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。

三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态

1.试样规格：

采用直径为50mm，高为100mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50mm×50mm×100mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。

2.加工精度：

a平行度：

试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。

检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。

b直径偏差：

试样两端的直径偏差不得大于0.2mm，用游标卡尺检查。

c轴向偏差：

试样的两端面应垂直于试样轴线。

检测方法如图5-2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。

3.试样数量：

每种状态下试样的数量一般不少于3个。

4.含水状态：

采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。

3

4

1

2

1—百分表2-百分表架3-试样4水平检测台

图5-1试样平行度检测示意图

2

3

1

1—直角尺2-试样3-水平检测台

图5-2试样轴向偏差度检测示意图

四.电阻应变片的粘贴

图5-3电阻应变片粘贴

试样

电阻片

1.阻值检查：

要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电阻值一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超过0.5Ω。

2.位置确定：

纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部，纵向、横向应变片排列采用“┫”形，尽可能避开裂隙，节理等弱面。

3.粘贴工艺：

试样表面清洗处理→涂胶→贴电阻应变片→固化处理→焊接导线→防潮处理。

五.实验步骤

1.测定前核对岩石名称和试样编号，并对岩石试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。

2.检查试样加工精度。

并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。

3.电阻应变仪接通电源并预热数分钟后,连接测试导线，接线方式采用公共补偿半桥连接方式。

4.将试样放置在试验机的承压板中心，然后对纵向、横向应变片分别进行反复预调平衡。

5.施加初载荷，检查试验机和应变片工作情况，正常后以1.0～2.0kN/s的加载速度均匀加载，按估计破坏载荷的十分之一间隔读数，纪录相应载荷下的纵向、横向应变，均匀加载直至试样完全破坏。

每个测试过程读数不得少于7个点，同一试样的纵向、横应变尽可能同时读出。

6.记录破坏载荷值及加载过程中出现的现象，并对试样破坏形态进行描述。

六.实验结果整理

1.岩石单轴抗压强度：

式中：

RC—试样单轴抗压强度，MPa；

P—试样破坏载荷，N；

S—试样初始截面积，mm2。

岩石单轴抗压强度测定结果填入表5-1。

表5-1岩石单轴抗压强度测定结果

岩石名称

试件编号

岩性描述

试样尺寸

破坏载荷

/kN

抗压强度/MPa

D×L/mm

单值

均值

1

2

3

2.绘制岩石单轴压缩应力-应变曲线

实验结束后检查每一组的实验结果，废弃可疑数据，分别计算试样所受应力σ和与之对应的纵向应变ε1、横向应变ε2以及体积应变值εv，体积应变值按下式计算：

将单轴压缩实验记录与计算结果填入表5-2。

然后以纵向应力为纵坐标，以应变为横坐标描出并光滑连接测点。

岩石试样单轴压缩实验的应力-应变曲线，如图5-4。

表5-2岩石单轴压缩变形测定纪录

试样编号

载荷/kN

项目

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

200

1

轴向应力σ/MPa

纵向应变ε1

横向应变ε2

体积应变εv

2

轴向应力σ/MPa

纵向应变ε1

横向应变ε2

体积应变εv

3

轴向应力σ/MPa

纵向应变ε1

横向应变ε2

体积应变εv

σ1-ε2

σ1-εv

σ1-ε1

ε1/10-3

σ1/MPa

图5-4岩石单轴压缩实验的应力-应变曲线

ε3/10-3

A

B

C

D

3.弹性模量:

根据岩石单轴压缩实验的应力-应变曲线计算变形参数。

由于岩石压缩过程中各个阶段的变形情况有所不同，弹性模量又分为切线模量Eτ（又称弹性模量或杨氏模量）和割线模量E50（又称变形模量），分别按下式计算：

式中：

△σ—纵向应力-应变曲线中直线段的纵向应力增量，MPa；

△ε—纵向应力-应变曲线中直线段的纵向应变增量；

σ５０—单向抗压强度的50%的应力值，MPa；

ε５０—试样与σ５０对应的纵向应变值。

4.泊松比:

岩石在单轴压缩过程中纵向变形的同时横向也发生相应变形，在轴向应力-纵向应变与轴向应力-横向应变曲线上，对应直线段纵向应变和横向应变的平均值计算泊松比μ：

式中：

μ—岩石的泊松比；

ε１p—纵向应力-纵向应变曲线中对应直线段部分的应变的平均值；

ε２p—纵向应力-横向应变曲线中对应直线段部分的应变的平均值。

弹性模量Eτ、变形模量E50及泊松比μ测定结果填入表5-3：

表5-3弹性模量Eτ、变形模量E50及泊松比μ测定结果

岩石

名称

试样

编号

岩性

描述

弹性模量Eτ/GPa

变形模量E50/GPa

泊松比μ

单值

均值

单值

均值

单值

均值

七.实验报告要求

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.主要实验仪器；

3.实验步骤；

4.原始数据及实验数据整理；

5.对本实验的建议。

八.思考题

1.试验机上为何要配备球形调节座？

2.影响单轴压缩实验结果的实验因素有那些？

3.单轴压缩破坏的类型有那几种？

实验六岩石常规三轴压缩实验

一.实验目的

岩石常规三轴压缩实验是指岩石试样在轴对称应力组合方式（σ1>σ2=σ3）的三轴压缩实验。

通过该实验使学生掌握岩石常规三轴实验方法，并能根据岩石在不同围压下实验结果计算出内摩擦角与粘结力，绘制出岩石的强度曲线，进一步理解岩石的强度准则。

二.实验设备、仪器和材料

1.钻石机、锯石机、磨石机；

2.游标卡尺，精度0.02mm；

3.干燥器；

4.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架；

5.YE-2000型液压材料试验机；

6.三轴室，三轴液压源；

7.热缩管、胶带、密封圈等。

三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态

1.试样规格：

采用直径为50mm，高为100mm的标准圆柱体。

2.加工精度：

a平行度：

试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。

检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。

b直径偏差：

试样两端的直径偏差不得大于0.2mm，用游标卡尺检查。

c轴向偏差：

试样的两端面应垂直于试样轴线。

检测方法如图5-2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。

3.试样数量：

每种岩石同一状态下，试样数量一般不少于5个，每个试样在一定围压下的进行实验。

4.含水状态：

采用自然状态，试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。

四.实验步骤

1.测定前核对岩石名称和试样编号，并对试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。

2.检查试样加工精度。

并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。

3.围压一般取5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa。

4.试验机量程，一般应满足0.2P0

P0为试验机最大量程，kN；Pmax为预计试样最大破坏载荷，kN。

5.试样的安装，首先把钢垫块端部擦净，将试样置于上、下垫块之间，使三者中心为一条直线，再将试样与垫块套上热缩管，热缩管长度稍大于试样高度，用吹风机缓慢加热热缩管，并再用密封胶带固定试样两端，见图6-1。

6.打开三轴室上压盖，再将制备好的试样下垫块置下放入三轴室底座中心，上好压力室顶盖活塞，将装有试样的三轴室放入试验机的下承压板上，并使三轴压力室的中心与试验机的中心一致。

7.注油排气，打开压力室的放气阀，启动围压油泵向压力室注油排气，当压力室有油排除时关闭排气阀。

1

2

3

4

1—上垫块；2—密封圈；3—岩石试样；4—下垫块

图6-1试样防油安装示意图

8.接通电源，开动开压力机，打开送油阀，使压力机的下承压板的拖轮离开轨道10cm左右，关闭送油阀，然后调整试验机上承压板位置与压力室的上压头接触，缓缓打开送油阀施加50kN的纵向载荷固定试样。

9.施加围压，缓缓施加围压到指定值，稳定数2分钟后，使围压保持恒定时，要求变动范围不应超过选定的2%。

10.再以1.0kN/s～2.0kN/s的加载速度均匀加载，直至试样破坏，立即关闭液压泵卸载阀，再打开试验机的回油阀卸轴压。

11.纪录破坏载荷及围压值。

打开三轴室的放气阀，卸掉上压盖取出试样，破坏类型描述。

五.实验结果整理

1.计算一定侧压力作用下岩石的抗压强度σ1：

图6-2围压与纵向抗压强度关系曲线

式中：

σ1max—岩石三轴抗压强度，MPa；

P—纵向破坏载荷，N；

F—试样初始截面积，m2。

2.计算内摩擦角和粘结力。

在直角坐标系绘制σ3-σ1的关系曲线图6-2，对实验值采用最小二乘法进行线性回归，计算出其斜率m和纵轴上的截距b，即线性方程，其中m和b可用下式计算：

图6-3岩石三轴试验摩尔园及包络线

式中：

σ1—岩石三轴抗压强度，MPa；

σ3—围压，MPa；

n—试样数量。