《岩体工程力学》实验指导书.docx

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《岩体工程力学》实验指导书

《岩体工程力学》

实验指导书

实践教学是学生理解、综合运用所学知识的重要环节，对提高解决工程实际问题的能力具有特殊重要的作用。

因此，在《岩体工程力学》教学中，充分重视实验环节，安排足够的实验、实习内容，开展多种形式的实践教学，以提高实践教学效果。

任课教师参加指导实验，要求学生在实验指导教师指导下系统、独立完成实验过程和实验报告。

目前，实验开出率达100%，综合性和设计性实验比率超过30%。

目前，实验室不仅能开出本科教学的全部实验，也能满足研究生的实验项目和教师科研的需要，还可承接纵向、横向科研课题。

根据课程安排，将岩石单轴压缩实验，岩石单轴抗拉强度测定，岩石点荷载强度的测定，岩石三轴压缩实验以及电液伺服控制岩石力学试验系统的演示等项实验，分小组要求学生独立完成实验的全过程。

为了引导学生对岩石力学工程的特殊兴趣，充分利用教师的科研、科技项目及实践基地，以及实验室全面开放的有利条件，组织岩石力学科技小组活动，在岩石力学实验室，积极开展综合性和设计性实验，学生结合教师的科技服务项目，除大纲要求的实验内容外，还可进行煤和岩石的含水率、吸水率、坚固性系数、软化系数、动态破坏时间、弹性能指标等参数的实验。

在实验的过程中充分发挥学生的积极性，达到增强学生岩石力学的实践能力，锻炼学生的实践技能，培养学生动手和分析问题的能力，扩展知识面及实际工作能力的目的，更好地参与工程实践活动打下了基础。

学生实验守则

一、每次实验前必须做好复习和预习。

复习的内容为教科书上有关本次实验的教学内容；预习内容包括仔细阅读实验指导书和去实验室熟悉有关仪器设备。

二、经过预习应掌握该项实验的意义、目的、操作步骤。

对实验指导教师提出的检查性问题，应能回答，否则不得进行实验。

三、实验时态度应严肃认真，严格按教师及实验指导书上所讲的操做步骤进行实验，每台设备应按操作则进行，以免损坏设备或造成事故。

四、实验结束后，应在规定时间内提交实验报告。

实验报告必须独立完成。

书写、计算、制图要求公式、计算过程、单位齐全、清晰整齐。

实验成绩是期终考核成绩的一部分。

五、如实验结果未能达到要求或因故未做实验者，应申请补做实验，实验室同意后，在指定日期内进行补做。

煤和岩石物理力学性质测定的采样一般规定

1、在选择采样方法时，以及在采样操作过程中，应使试样原有结构和状态尽量不受破坏，一般采用打钻取样，也可以在巷道中或回采工作面采空区及煤壁直接采样。

2、采样地点应该符合研究的目的要求，并应特别注意岩（煤）样的代表性。

在研究某一局部地点的岩石性质时，应在所研究地点附近，找具有代表性的采样点采样；在研究较大范围内的岩石性质时，应根据岩性变化情况，分别在几个具有代表性的采样点采样；当沿层厚变化较大时应分别在上、中、下不同部位采样。

每组岩（煤）样应采自岩性相同的同一层位。

对岩性变化很大的岩层，禁止将在不同地点和不同部位采取的岩（煤）样编为一组。

3、钻孔取样应尽量垂直层面打钻，偏斜不大于5º。

有特殊困难不能做到上述要求，应注明偏斜角度。

尽量不采样爆破方法采样，以产生大量人为裂隙。

如只能用爆破方法时，也应降低炮眼的装药量，以减小其影响。

所采煤块和岩块的规格大体为长×宽×高＝20cm×20cm×15cm的立方体。

4、采样时应有专人做好岩（煤）样描述记录和编号工作。

岩块岩样编号方式采用

，

…等标记，其中罗马数字表示煤层别，前一个阿拉伯数字表示煤层顶板（底板）之第几层，后一个阿拉伯数字表示该岩层之第几块岩样。

阿拉伯字在上（分子）表示为顶板岩样，在下（分母）表示底板岩样。

煤块煤样编号方式可采用（II-1），（II-2），罗马数字表示煤层别，阿拉伯数字表示第几块煤样。

钻孔采样时应附柱状图，岩芯岩（样）编号可采用柱状图上的岩层层序号。

编号用颜色漆写在岩（煤）样上，同时在岩（煤）样上用符号“╧”表明其层理方向。

5、每组煤样或岩样的数量，应满足试样制备的需要，按要求测定的项目确定。

考虑到加工是的损耗以及偏离度大于20％是试样数量要适当增高等因素，采样时一般应按表列数量的两倍采取。

对于软岩，采样数量还应该更大一些。

6、煤样或岩样采好后，迅即用纸包好，写上编号，运到井上后立即浸蜡整体封固。

对松软吸水风化的煤和岩石最好能在井下立即包装封固。

7、试样封固后装入上下四周均填塞木屑的木箱内，编号发运到实验单位

岩（煤）样送验单

地质时代及说明

柱状图

层次

累厚

层厚

煤岩名称

岩性描述

采样地点

采样日期

采样方法

采样深度

岩芯总长度

分段编号

分段长度

岩煤样编号

实验目的和要求

备注

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

注：

1、简要地质说明包括采样地点及其附近地质构造，裂隙和节理情况；

2、岩性描述填写，岩石主要充分，颜色，颗粒，胶结物，岩（煤）层沿厚度岩性变化；

3、柱状图应该做出详细分层；

4、非钻孔取样时，本表2，4，12三栏取消，13改为岩（煤）样块数编号，14改为岩（煤）样规格。

各项实验所需标准试样尺寸与最低数量表

测定项目

标准试样尺寸，cm

标准试样数量

备注

真密度

岩粉

300g

可用测视密度的试样粉碎

视密度，吸水性和含水率

用量积法测视密度时，可采用测定力学性质的试件，用不规则的试样时，可用加工规则试样时剩余的边角料

单向抗压强度

直径5，高10

3个

每个煤、岩块尺寸不小于10cm。

在上中下部位采取

变形参数

直径5，高10

3个

单向抗拉强度

直径5，高2.5

3个

抗剪实验（变角法）

5×5×5

9个

抗剪实验

直径2.5，高10

3个

三轴实验

直径5，高10

5个

坚固性系数

煤块

6个

膨胀率

高2，径高比≥2.5

3个

膨胀应力

高2，径高比≥2.5

3个

耐崩解性

大致球形40-50一个

450g

点荷载强度

直径5，高径比0.8-1.4

5个

规则实验

双点间距0.3-0.5

15

不规则实验

实验一岩石单轴压缩实验

一、实验目的：

1.掌握岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的测定方法。

2.了解岩石试件单轴压缩时的应力-应变与金属的应力---应变曲线特点。

3.了解岩石试件的破坏类型。

二、实验设备、仪器和材料

1.试件加工设备：

钻石机、锯石机、磨石机。

2.检测工具：

游标卡尺（精度0.02mm）、直角尺、水平检测台、百分表及百分表架。

3.实验设备及仪器：

YE-600型液压材料试验机；JN-16型静态电阻应变仪。

4.实验材料：

电阻应变片（BX-120型），胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。

三、石试件的规格、加工精度、数量及含水状态

1.试件规格：

标准试件均采用垂直于岩石层理的方向钻取，直径为5（-0.2+0.6）cm，高径比为2（-0.2+0.2）的圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用5cm×5cm×10cm的立方体，对于砾岩等大颗粒岩石，试件尺寸应放大，其直径应大于岩石最大颗粒尺寸的10倍，高径比不小于1.8；由于特殊原因（岩石松软）不能制取标准试件时，可采用非标准试件，需在实验结果加以说明。

2.试件加工精度：

a平行度：

试件两端面的平行度偏差不得大于0.01cm。

检测方法如图1-1所示，将试件放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表的测头紧贴试件表面，然后水平移动试件百分表指针的摆动幅度小于10格。

b直径偏差：

试件两端的直径偏差不得大于0.02cm，用游标卡尺检查。

c轴向偏差：

试件的两端面应垂直于试件轴线。

检测方法如图1-2所示，将试件放在水平检测台上，用直角尺紧贴试件垂直侧边，转动试件两者之间无明显缝隙。

3.试件数量：

每种状态下同一层煤、岩试件的数量一般不少于3个，当实验目的对试件数量有专门要求时，试件的数量可根据实验目的的要求另行确定。

4.试件的含水状态：

a.自然含水状态：

试件制成后，放在底部有水的干燥器内1—2天，以保持一定的湿度，但试件不得接触水面。

b.干燥状态：

将试件放在105～110℃的烘箱内干燥24小时。

c.其他含水状态按委托单位的要求确定，在实验报告中加以说明。

四、电阻应变片的粘贴

1.应变片的检查：

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0.5欧姆。

2.粘贴位置确定：

纵向和横向应变片均粘贴在试件中部，尽可能避开裂隙，节理等弱面，每个试件纵向和横向各贴一片。

3.电阻片粘贴工艺：

试件表面清洗处理→涂胶贴片→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件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、分化程度、含水状态等问题进行描述。

2.检查试件加工精度，测量试件尺寸，一般在试件中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。

3.选择实验机度盘，一般应满足0.2P0<

<0.8P。

式中：

P0—实验机度盘的最大值，KN；Pmax--预计试件最大破坏载荷，KN。

4.将电阻应变仪接通电源并预热数分钟后,连接测试导线，接线方式采用半桥连接。

5.将试件放置在实验机的承压板中心，调整试件位置和球形座，使试件上表面与上承压板接触均匀，然后纵、横应变片分别进行反复预调平衡。

6.施加初载荷，检查试验机和应变片工作情况，正常后以0.5～1.0

/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，纪录载荷和应变值，直至试件完全破坏。

每个测试过程读数不得少于7个点，同一试件的纵、横应变值尽可能同时读出。

7.记录破坏载荷值以及加载过程中出现的现象，并对试件的破坏形态进行描述。

六、实验结果

1.单轴抗压强度：

式中：

RC--试件单轴抗压强度

；

P--试件破坏载荷，KN；

A--试件初始截面积，cm2。

岩石单轴抗压强度测定结果填入表1-1。

表1-1单轴抗压强度测定结果

岩石

名称

试件

编号

岩性

描述

试件尺寸

破坏载荷

（KN）

抗压强度

D×L（cm）

单值

均值

2.岩石单轴压缩应力--应变曲线绘制：

检测实验结果，废弃可疑数据，分别计算应力值，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：

εv=ε1-2ε2

计算结果填入表1-2。

以轴向应力为纵坐标，以应变为横坐标描出各测点并光滑连接各测点。

岩石试件单轴压缩的应力--应变曲线如图1-3。

表1-2岩石试件变形测定纪录

试件

编号

载荷（KN）

项目

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

200

1

轴向应力σ（

）

纵向应变ε1

横向应变ε2

体积应变εv

2

轴向应力σ（

）

纵向应变ε1

横向应变ε2

体积应变εv

3

轴向应力σ（

）

纵向应变ε1

横向应变ε2

体积应变εv

3.岩石的弹性模量:

根据各岩石试件单轴压缩的应力-应变曲线计算弹性模量，由于岩石压缩过程中各个阶段的变形情况有所不同，弹性模量分为切线模量Eτ（弹性模量）和割线模量E50（变形模量），其值分别以下式计算：

式中：

△σ---应力---应变曲线中直线段的应力增量，

；

△ε---应力---应变曲线中直线段的应变增量；

σ５０---岩石的单向抗压强度的50%的应力值，

；

ε５０---岩石试件承受σ５０应力时的纵向应变值。

4.岩石泊松比:

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，把应力-纵向应变和应力-横向应变两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；

ε１---应力---纵向应变曲线中对应直线段部分的应变的平均值；

ε２---应力---横向应变曲线中对应直线段部分的应变的平均值。

岩石的弹性模量Eτ、变形模量E50及泊松比μ测定结果填入表1-3：

表1-3岩石的弹性模量Eτ、变形模量E50及泊松比μ测定结果

岩石

名称

试件

编号

岩性

描述

弹性模量Eτ（

）

变形模量E50（

）

泊松比μ

单值

均值

单值

均值

单值

均值

七、回答问题

1.试验机上为何要配备球形调节座？

2.影响实验结果的实验因素有那些？

3.岩样的描述主要包括那些内容？

4.岩样破坏的类型有那几种？

5.你对本实验的建议和意见。

实验二岩石抗拉强度测定

一、实验目的：

掌握用劈裂法测定岩石抗拉强度的测定方法，并与岩石的抗压强度作比较，从而了解岩石的强度特点。

二、实验设备和量具

1.试件加工设备：

钻石机、锯石机、磨石机。

2.检测工具：

游标卡尺（精度0.02mm），直角尺、水平检测台、百分表及百分表架。

。

3.实验设备及仪器：

YE-600型液压材料试验机；劈裂夹具。

三、试件的规格、加工精度、数量及含水状态

1.试件规格：

标准试件均采用垂直于岩石层理的方向钻取，直径为5（-0.2+0.6）cm，厚为2.5（-0.2+0.2）的圆盘体试件，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用5cm×5cm×2.5cm的立方体试件。

2.试件加工精度、数量和含水状态与同实验一的要求相同。

四、实验步骤

1.测定前核对岩石名称和试件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、分化程度、含水状态等问题进行描述。

2.检查试件加工精度，测量试件尺寸。

3.

选择压力机度盘，一般应满足0.2P0<

<0.8P，选600KN。

式中：

P0—试验机度盘的最大值，KN；Pmax--预计试件最大破坏载荷，KN。

4.通过试件直径的两端，沿轴线画两条相互平行的线作为加载基线。

将岩石试件放置劈裂夹具内，加具的上、下刀刃对准加载基线，用两侧加持螺钉固定好试件如图2-1。

5.把夹好的试件放入试验机的上、下承压板之间，使试件的中心线和试验机的中心线在一条直线上，调整试件位置和球形座，使刀刃与试件均匀接触。

6.开动试验机，松开劈裂夹具两侧的加持螺钉，然后以0.03——0.05

/s的加载速度均匀加载，直至破坏。

7.记录破坏载荷，破坏类型描述。

六、实验结果

1.岩石单向抗拉强度：

式中：

RC--试件单轴抗拉强度

；

P--试件破坏载荷，KN；

D--试件直径（试件为方试件时D为高度），cm；

L--试件厚度，cm。

岩石单向抗拉强度测定结果填入表2-1。

表2-1岩石单向抗拉强度测定结果

岩石

名称

试件

编号

岩性描述

试件尺寸

破坏载荷

（KN）

抗拉强度

D×L（cm）

单值

均值

七、回答问题

1.岩石的抗拉强度有哪几种测定方法，各自特点？

2.你认为影响抗拉强度实验结果的因素有那些？

？

3.你对本次实验的建议和意见。

实验三岩石点荷载强度实验

一、实验目的：

1.掌握煤和岩石试件点荷载强度测定方法。

2.了解煤和岩石抗压强度、抗拉强度与点荷载强度的折算关系。

二实验设备、仪器

1.试件加工设备：

钻石机、锯石机。

2.检测工具：

游标卡尺；

3.实验设备：

数显式点荷载仪。

三岩石试件的规格、加工精度、数量及含水状态

1.试件规格：

试件采用圆柱体，垂直层理钻取。

直径为5（-0.2+0.6）mm，高径比为0.8—1.4的圆柱体，对于两端面无特殊要求。

2.试件数量：

每个参数实验的试件数量一般5——10试件。

3.试件的含水状态：

一般采用自然含水状态，其他含水状态加以说明。

四、实验步骤

1.测定前核对岩石名称和试件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、分化程度、含水状态等问题进行描述。

2.用游标卡尺测量试件尺寸。

3.接通数数显点荷载仪电源，调整加载间距。

4.选择点荷载测量范围，一般选0--20KN。

5.将试件放入点荷载仪的加载锥头之间，加载锥头应在直径两端与试件接触，并使接触电与试件两端头的距离大致相等，试件层理一般应与纵向加载方向平行，其他方向应加以说明，

6.关闭手动油泵的卸载阀，缓缓摇动油泵均匀加载至试件破坏，记录破坏载荷

7.如果破裂面仅通过一个加载点，判断测定结果无效。

五、岩石点荷载强度测定结果计算。

1.岩石试件的点荷载指数IS:

式中：

IS--试件点荷载指数,

；

P--试件破坏载荷，KN；

d—加载双点间距，cm。

2.每组试件的点荷载指数的算术平均值

式中：

ISP--试件平均点荷载指数,

；

Isi—第i个试件点荷载指数,

；

n—每组试件个数。

3.每组试件的点荷载指数的偏离度

式中：

v—偏离度；

m--点荷载指数的标准差，

六.煤和岩石点荷载强度与单项抗压强度、单向抗拉强度的换算

1.点荷载指数与单轴抗压强度的换算：

a加载方向平行层理时：

煤和岩石径向点荷载强度换算

岩石：

Ιsp≥2MPa

Ιsp<2MPa

煤：

式中：

ISP--平均点荷载指数,

；

RCP---平均单轴抗压强度，

。

b加载方向垂直层理时：

煤和岩石的点荷载强度与抗压强度的换算

岩石：

煤：

式中：

ISP--平均点荷载指数,

；

RCP---平均单轴抗压强度，

。

2.加载方向垂直层理时：

煤和岩石点荷载指数与单向抗拉强度的换算

岩石：

煤：

式中：

ISP--平均点荷载指数,

；

RLP—煤、岩平均单轴抗压强度，

。

煤、岩点荷载强度以及抗压强度和抗拉强度测定结果填入表3-1。

表3-1煤、岩点荷载强度测定结果

岩

石

名

称

试

件

编

号

岩性描述

试件规格cm

加载方向

破坏

载荷KN

点荷载

指数

平均

点荷载

指数

偏

离

度

%

折算抗压强度

折算抗拉强渡

直径

长度

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

七、回答问题

1.点荷载强度测定法的优点在哪里？

2.影响点荷载强度测定结果的主要因素有哪些？

3.你对本次实验有何建议和意见。

实验四岩石的三轴压缩实验

一、实验目的：

掌握岩石在轴对称应力组合方式（σ1>σ2=σ3）应力条件下的三轴实验方法，并能根据实验结果计算出岩石的内摩擦角

与粘结力

，绘制出岩石的强度曲线。

二、实验设备、仪器和材料

1.试件加工设备：

钻石机、锯石机、磨石机。

2.检测工具：

游标卡尺（精度0.02mm）、直角尺、水平检测台、百分表及百分表架。

3.实验设备及仪器：

YE-2000型液压材料试验机；三轴压力室；三轴液压源。

4.实验材料：

防油乳胶套、胶、密封圈等。

三、石试件的规格、加工精度、数量及含水状态

1.试件规格：

标准试件均采用垂直于岩石层理的方向钻取，直径为5（-0.2+0.6）mm，高径比为2（-0.2+0.2）的圆柱体。

2.试件加工精度和含水状态：

试件加工精度与实验一相同。

3.试件数量：

每种岩石同一状态下，每个参数实验的试件数量一般不少于5试件做不同围压下的三轴压缩实验。

三、实验步骤。

1.测定前核对岩石名称和试件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等问题进行描述。

2.检查试件加工精度，测量试件尺寸，一般在试件中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。

3.围压力的选择应与所研究的范围内实际情况选定，一般可根据岩层在矿井所处的深度或原岩应力状况来确定围压的范围。

4.选择试验机度盘，一般应满足0.2P0<

<0.8P，选600KN。

式中：

P0—试验机度盘的最大值，KN；Pmax--预计试件最大破坏载荷，KN。

5.试件的安装,把上、下垫块端面擦净，将试件置于上、下垫块之间使三者中心为一条直线，再将试件与垫块套上防油乳胶套，乳胶套与垫块间用胶布缠紧，并再用密封圈固定试件两端见图4-1。

打开三轴压力室上压盖，再将制备好的试件下垫块置下放入三轴压力室底座中心，上好压力室顶盖活塞，将装有试件的三轴压力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。

6.

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，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40KN的纵向载荷固定试件，然后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。

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

8.以0.5～1.0

/s的加载速度均匀加载，直至试件破坏，立即打开液压泵的卸载阀卸围压，再打开试验机的回油阀卸轴压，纪录破坏载荷及围压值。

9.打开压力室的放气阀，卸掉上压盖取出试件，破坏类型描述。

四、实验结果计算与整理

1.计算一定侧压力作用下岩石的抗压强度σ1max：

式中：

σ1max—在一定围压作用下的岩石抗压强度

；

P--纵向破坏载荷，KN；

F—受压试件初始截面积，cm2。

2.计算内摩擦角和粘结力。

在直角坐标系绘制围压力σ3与轴向抗压强度σ1max的关系曲线图4-2，对各测点进行线性回归，计算出其斜率m