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实验五岩石单轴压缩实验
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。
四.电阻应变片的粘贴
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
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。 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: 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: 式中: σ1—岩石三轴抗压强度,MPa; σ3—围压,MPa; n—试样数量。 根据库伦-摩尔准则,岩石的内摩擦角 和粘结力c可利用参数m和b按下式计算: 3.绘制摩尔圆及其包络线: 在纵横相同比例的直角坐标系内,选取3~5个σ3值,用回归后的直线方程 计算出相应的σ1值。 再分别以(σ3+σ1)/2,0为圆心,以(σ1-σ3)/2为半径绘制出一组摩尔圆,摩尔圆的外包络线,即为该组岩石的强度曲线,包络线在Y轴上的截距为粘结力 ,与X轴的夹角为内摩擦角 。 岩石三轴压缩实验结果填入表6-1。 表6-1三轴压缩实验结果 岩石 名称 编号 岩性描述 试样尺寸 σ3 /MPa 破坏载荷 /kN σ1 /MPa m b /MPa 内摩擦角 Φ/度 凝聚力c /MPa D×L/mm 1 2 3 4 5 六.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。 七.思考题 1.三轴实验过程中主要主意事项有哪几项? 2.通过三轴实验说明岩石承载能力与哪些因素有关? 3.你对本次实验的建议和意见。 4.实验七岩石抗拉强度测定 一.实验目的 岩石抗拉强度是指岩石承拉伸条件下能够承受的最大应力值。 通过该实验使学生掌握采用巴西劈裂法测定岩石抗拉强度的方法,并与岩石抗压强度进行比较,从而了解脆性岩石材料的强度特点。 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.劈裂夹具; 5.钢丝垫条,用直径为2.0mm~3.0mm钢丝; 4.YE-300型液压材料试验机。 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25mm~50mm的标准圆柱体。 2.试样数量: 每种岩石同一状态下,试样数量一般不少于5块。 3.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,圆盘加载直径上任一点(0,y)的应力状态为: (1) (2) 式中: P为载荷,D、L分别为试样直径和厚度,试样中心处(y=0)的应力状态为: (3) (4) 由式(3)、式(4)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。 五.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.用游标卡尺测量试样尺寸,保留两位小数。 3.将试样放置劈裂夹具内,再用V型卡具及两侧夹持螺钉固定好试样,见图7-1。 4. 把劈裂夹具放入试验机的上、下承压板之间,使试样中心线和试验机的中心线在一条直线上。 5.开动试验机,松开劈裂夹具两侧夹持螺钉,然后以0.07kN/s~0.12kN/s的加载速度均匀加载,直至破坏。 6.记录破坏载荷,破坏类型描述。 六.实验结果整理 岩石抗拉强度: 式中: RC—试样抗拉强度,MPa; P—试样破坏载荷,N; D—试样直径(立方体试样D为高度),mm; L—试样厚度,mm。 岩石抗拉强度测定结果填入表7-1。 表7-1岩石抗拉强度测定结果 岩石名称 试样编号 岩性描述 试样尺寸 破坏载荷 /kN 抗拉强度/MPa D×L/mm 单值 均值 1 2 3 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.实验原理; 4.实验步骤; 5.原始数据及实验数据整理; 八.思考题 1.岩石抗拉强度为什么要重复进行5次? 2.加载速度如何影响岩石抗拉强度?
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