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0.2P0P0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。
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。
1-垫条；2-加具座；3-试样；4-加持螺钉
图7-1劈裂法抗拉实验加具示意图
1
2
3
4
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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