《岩石力学》实验指导书

河南理工大学能源学院

 采矿工程实验室

 2013.9.10

目   录

学生实验守则... 3

一.实验目的... 4

二.实验设备、仪器和材料... 4

三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态... 4

四.电阻应变片的粘贴... 5

五.实验步骤... 5

六.实验结果整理... 6

七.实验报告要求... 8

八.思考题... 8

实验二  岩石常规三轴压缩实验... 10

一.实验目的... 10

二.实验设备、仪器和材料... 10

三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态... 10

四.实验步骤... 11

五.实验结果整理... 12

六.实验报告要求... 13

七.思考题... 13

实验三  岩石抗拉强度测定... 14

一.实验目的... 14

二.实验设备、仪器和材料... 14

三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态... 14

四.实验原理... 14

五.实验步骤... 15

六.实验结果整理... 15

七.实验报告要求... 16

八.思考题... 16

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熟悉实验室有关仪器设备。

 二.经过预习应掌握该项实验的意义、目的、操作步骤。对辅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，严格按辅导教师及实验指导书上所讲的操做步骤进行实验，每台设备的操作应按各设备的操作方法进行，以免损坏设备或造成事故。非本次实验使用的仪器设备不得乱动。

四.每次实验前由小组长填写仪器设备领用单。实验完毕后，应将所用仪器设备擦洗干净，放回原处，经小组长检查，辅导教师验收无误后方可离开实验室。如有损坏，应填写仪器设备损坏报告单，待后处理。

五.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。实验报告的书写、计算、制图，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。

 六.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。

 以上守则请同学们自觉遵守。

实验一  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50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mm×50 mm×100 mm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0.2 mm，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1～2 d，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1.0～2.0 kN/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： R_C—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

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ε_v，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

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E_τ（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；

σ_５０—单向抗压强度的50%的应力值，MPa；

    ε_５０—试样与σ_５０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；

ε_１p—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；

  ε_２p—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E_τ、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E_τ、变形模量E₅₀及泊松比μ测定结果

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？

实验二  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50 mm，高为100 mm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0.2 mm，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1～2 d，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、10 MPa、15 MPa、20 MPa和25 MPa。

4. 试验机量程，一般应满足0.2P₀<P_max<0.8P₀，式中：P₀为试验机最大量程，kN；P_max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10 cm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50 kN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1.0 kN/s～2.0 kN/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： σ_1max—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

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。

实验三  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2.0 mm～3.0 mm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50 mm，高为25 mm～50 mm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1～2 d，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～0.12 kN/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： R_C—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

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？