實驗五巖石單軸壓縮實驗

1、實驗五 巖石單軸壓縮實驗一.實驗目的巖石單軸壓縮是指巖石在單軸壓縮條件下的強度、變形和破壞特征。通過該實驗掌握巖石單軸壓縮實驗方法，學會巖石單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比的計算方法；了解巖石單軸壓縮過程的變形特征和破壞類型。二.實驗設備、儀器和材料1.鉆石機、鋸石機、磨石機；2.游標卡尺，精度0.02mm；3.直角尺、水平檢測臺、百分表及百分表架；4.YE-600型液壓材料試驗機；5.JN-16型靜態(tài)電阻應變儀；6.電阻應變片（BX-120型）；7.膠結(jié)劑，清潔劑，脫脂棉，測試導線等。三.試樣的規(guī)格、加工精度、數(shù)量及含水狀態(tài)1. 試樣規(guī)格：采用直徑為50 mm，高為100 mm的標準圓柱體，對

2、于一些裂隙比較發(fā)育的試樣，可采用50 mm×50 mm×100 mm的立方體，由于巖石松軟不能制取標準試樣時，可采用非標準試樣，需在實驗結(jié)果加以說明。2. 加工精度： a 平行度：試樣兩端面的平行度偏差不得大于0.1mm。檢測方法如圖5-1所示，將試樣放在水平檢測臺上，調(diào)整百分表的位置，使百分表觸頭緊貼試樣表面，然后水平移動試樣百分表指針的擺動幅度小于10格。 b 直徑偏差：試樣兩端的直徑偏差不得大于0.2 mm，用游標卡尺檢查。 c 軸向偏差：試樣的兩端面應垂直于試樣軸線。檢測方法如圖5-2所示，將試樣放在水平檢測臺上，用直角尺緊貼試樣垂直邊，轉(zhuǎn)動試樣兩者之間無明顯縫隙。

3、3.試樣數(shù)量： 每種狀態(tài)下試樣的數(shù)量一般不少于3個。4.含水狀態(tài)：采用自然狀態(tài)，即試樣制成后放在底部有水的干燥器內(nèi)12 d，以保持一定的濕度，但試樣不得接觸水面。 34121百分表 2-百分表架 3-試樣 4水平檢測臺圖5-1 試樣平行度檢測示意圖2311直角尺 2-試樣 3- 水平檢測臺圖5-2 試樣軸向偏差度檢測示意圖 四.電阻應變片的粘貼圖5-3 電阻應變片粘貼試樣電阻片1.阻值檢查：要求電阻絲平直，間距均勻，無黃斑，電阻值一般選用120歐姆，測量片和補償片的電阻差值不超過0.5。2.位置確定：縱向、橫向電阻應變片粘貼在試樣中部，縱向、橫向應變片排列采用“”形，盡可能避開裂隙，節(jié)理等弱面

4、。3.粘貼工藝：試樣表面清洗處理涂膠貼電阻應變片固化處理焊接導線防潮處理。五.實驗步驟1. 測定前核對巖石名稱和試樣編號，并對巖石試樣的顏色、顆粒、層理、裂隙、風化程度、含水狀態(tài)等進行描述。2. 檢查試樣加工精度。并測量試樣尺寸，一般在試樣中部兩個互相垂直方向測量直徑計算平均值。3. 電阻應變儀接通電源并預熱數(shù)分鐘后, 連接測試導線，接線方式采用公共補償半橋連接方式。4. 將試樣放置在試驗機的承壓板中心，然后對縱向、橫向應變片分別進行反復預調(diào)平衡。5. 施加初載荷，檢查試驗機和應變片工作情況，正常后以1.02.0 kN/s的加載速度均勻加載，按估計破壞載荷的十分之一間隔讀數(shù)，紀錄相應載荷下的縱

5、向、橫向應變，均勻加載直至試樣完全破壞。每個測試過程讀數(shù)不得少于7個點，同一試樣的縱向、橫應變盡可能同時讀出。6. 記錄破壞載荷值及加載過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，并對試樣破壞形態(tài)進行描述。六.實驗結(jié)果整理 1. 巖石單軸抗壓強度： 式中： RC試樣單軸抗壓強度，MPa； P試樣破壞載荷，N； S試樣初始截面積，mm2。巖石單軸抗壓強度測定結(jié)果填入表5-1。 表5-1 巖石單軸抗壓強度測定結(jié)果巖石名稱 試件編號巖性描述試樣尺寸破壞載荷/kN抗壓強度 /MPaD×L/mm單值均值1232. 繪制巖石單軸壓縮應力-應變曲線實驗結(jié)束后檢查每一組的實驗結(jié)果，廢棄可疑數(shù)據(jù)，分別計算試樣所受應力和與之對應

6、的縱向應變1、橫向應變2以及體積應變值v，體積應變值按下式計算： 將單軸壓縮實驗記錄與計算結(jié)果填入表5-2。然后以縱向應力為縱坐標，以應變?yōu)闄M坐標描出并光滑連接測點。巖石試樣單軸壓縮實驗的應力-應變曲線，如圖5-4。表5-2 巖石單軸壓縮變形測定紀錄試樣編號 載荷/kN項目204060801001201401601802002001軸向應力/MPa縱向應變1橫向應變2體積應變v2軸向應力/MPa縱向應變1橫向應變2體積應變v3軸向應力/MPa縱向應變1橫向應變2體積應變v1-21-v1-11/10-3 1/MPa圖5-4 巖石單軸壓縮實驗的應力-應變曲線3/10-3ABCD3.彈性模量: 根據(jù)

7、巖石單軸壓縮實驗的應力-應變曲線計算變形參數(shù)。由于巖石壓縮過程中各個階段的變形情況有所不同，彈性模量又分為切線模量E（又稱彈性模量或楊氏模量）和割線模量E50（又稱變形模量），分別按下式計算： 式中： 縱向應力-應變曲線中直線段的縱向應力增量，MPa；縱向應力-應變曲線中直線段的縱向應變增量；單向抗壓強度的50%的應力值，MPa； 試樣與對應的縱向應變值。4.泊松比:巖石在單軸壓縮過程中縱向變形的同時橫向也發(fā)生相應變形，在軸向應力-縱向應變與軸向應力-橫向應變曲線上，對應直線段縱向應變和橫向應變的平均值計算泊松比：式中：巖石的泊松比；p縱向應力-縱向應變曲線中對應直線段部分的應變的平均值； p

8、縱向應力-橫向應變曲線中對應直線段部分的應變的平均值。彈性模量E、變形模量E50及泊松比測定結(jié)果填入表5-3：表5-3 彈性模量E、變形模量E50及泊松比測定結(jié)果巖石名稱試樣編號巖 性描 述彈性模量E/GPa變形模量E50/GPa泊松比單值均值單值均值 單值均值 七.實驗報告要求 實驗結(jié)束后認真獨立填寫實驗報告，實驗報告應包括以下內(nèi)容：1. 實驗目的；2. 主要實驗儀器；3. 實驗步驟；4. 原始數(shù)據(jù)及實驗數(shù)據(jù)整理；5. 對本實驗的建議。八.思考題1. 試驗機上為何要配備球形調(diào)節(jié)座？2. 影響單軸壓縮實驗結(jié)果的實驗因素有那些？ 3. 單軸壓縮破壞的類型有那幾種？ 實驗六 巖石常規(guī)三軸壓縮實驗一

9、.實驗目的巖石常規(guī)三軸壓縮實驗是指巖石試樣在軸對稱應力組合方式（1>2=3）的三軸壓縮實驗。通過該實驗使學生掌握巖石常規(guī)三軸實驗方法，并能根據(jù)巖石在不同圍壓下實驗結(jié)果計算出內(nèi)摩擦角與粘結(jié)力，繪制出巖石的強度曲線，進一步理解巖石的強度準則。二.實驗設備、儀器和材料1. 鉆石機、鋸石機、磨石機；2. 游標卡尺，精度0.02mm；3. 干燥器；4. 直角尺、水平檢測臺、百分表及百分表架；5. YE-2000型液壓材料試驗機；6. 三軸室，三軸液壓源；7. 熱縮管、膠帶、密封圈等。三.試樣的規(guī)格、加工精度、數(shù)量及含水狀態(tài)1. 試樣規(guī)格：采用直徑為50 mm，高為100 mm的標準圓柱體。2. 加

10、工精度： a 平行度：試樣兩端面的平行度偏差不得大于0.1mm。檢測方法如圖5-1所示，將試樣放在水平檢測臺上，調(diào)整百分表的位置，使百分表觸頭緊貼試樣表面，然后水平移動試樣百分表指針的擺動幅度小于10格。 b 直徑偏差：試樣兩端的直徑偏差不得大于0.2 mm，用游標卡尺檢查。 c 軸向偏差：試樣的兩端面應垂直于試樣軸線。檢測方法如圖5-2所示，將試樣放在水平檢測臺上，用直角尺緊貼試樣垂直邊，轉(zhuǎn)動試樣兩者之間無明顯縫隙。3.試樣數(shù)量：每種巖石同一狀態(tài)下，試樣數(shù)量一般不少于5個，每個試樣在一定圍壓下的進行實驗。4.含水狀態(tài)：采用自然狀態(tài)，試樣制成后放在底部有水的干燥器內(nèi)12 d，以保持一定的濕度，

11、但試樣不得接觸水面。 四.實驗步驟1. 測定前核對巖石名稱和試樣編號，并對試樣的顏色、顆粒、層理、裂隙、風化程度、含水狀態(tài)等進行描述。 2. 檢查試樣加工精度。并測量試樣尺寸，一般在試樣中部兩個互相垂直方向測量直徑計算平均值。3. 圍壓一般取5MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa和25 MPa。 4. 試驗機量程，一般應滿足0.2P0<Pmax<0.8P0，式中：P0為試驗機最大量程，kN；Pmax為預計試樣最大破壞載荷，kN。5. 試樣的安裝，首先把鋼墊塊端部擦凈，將試樣置于上、下墊塊之間，使三者中心為一條直線，再將試樣與墊塊套上熱縮管，熱縮管長度稍大于試樣高度，用吹

12、風機緩慢加熱熱縮管，并再用密封膠帶固定試樣兩端，見圖6-1。6. 打開三軸室上壓蓋，再將制備好的試樣下墊塊置下放入三軸室底座中心，上好壓力室頂蓋活塞，將裝有試樣的三軸室放入試驗機的下承壓板上，并使三軸壓力室的中心與試驗機的中心一致。7. 注油排氣，打開壓力室的放氣閥，啟動圍壓油泵向壓力室注油排氣，當壓力室有油排除時關閉排氣閥。12341上墊塊；2密封圈；3巖石試樣；4下墊塊圖6-1 試樣防油安裝示意圖8. 接通電源，開動開壓力機，打開送油閥，使壓力機的下承壓板的拖輪離開軌道10 cm左右，關閉送油閥，然后調(diào)整試驗機上承壓板位置與壓力室的上壓頭接觸，緩緩打開送油閥施加50 kN的縱向載荷固定試樣

13、。 9. 施加圍壓，緩緩施加圍壓到指定值，穩(wěn)定數(shù)2分鐘后，使圍壓保持恒定時，要求變動范圍不應超過選定的2%。10. 再以1.0 kN/s2.0 kN/s的加載速度均勻加載，直至試樣破壞，立即關閉液壓泵卸載閥，再打開試驗機的回油閥卸軸壓。11. 紀錄破壞載荷及圍壓值。打開三軸室的放氣閥，卸掉上壓蓋取出試樣，破壞類型描述。 五.實驗結(jié)果整理1.計算一定側(cè)壓力作用下巖石的抗壓強度1： 圖6-2 圍壓與縱向抗壓強度關系曲線式中： 1max巖石三軸抗壓強度，MPa； P縱向破壞載荷，N； F試樣初始截面積，m2。 2.計算內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力。在直角坐標系繪制3-1的關系曲線圖6-2， 對實驗值采用最小二乘

14、法進行線性回歸，計算出其斜率m和縱軸上的截距b，即線性方程，其中m和b可用下式計算： 圖6-3 巖石三軸試驗摩爾園及包絡線 式中： 1巖石三軸抗壓強度，MPa； 3圍壓，MPa； n試樣數(shù)量。根據(jù)庫倫-摩爾準則，巖石的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力c可利用參數(shù)m和b按下式計算： 3.繪制摩爾圓及其包絡線：在縱橫相同比例的直角坐標系內(nèi)，選取35個3值，用回歸后的直線方程計算出相應的1值。再分別以（3+1）/2，0為圓心，以（1-3）/2為半徑繪制出一組摩爾圓，摩爾圓的外包絡線，即為該組巖石的強度曲線，包絡線在Y軸上的截距為粘結(jié)力，與X軸的夾角為內(nèi)摩擦角。巖石三軸壓縮實驗結(jié)果填入表6-1。 表6-1 三軸壓縮實

15、驗結(jié)果巖石名稱編號巖性描述試樣尺寸3/MPa破壞載荷/kN1/MPamb/MPa內(nèi)摩擦角/度凝聚力c/ MPaD×L/mm12345六.實驗報告要求 實驗結(jié)束后認真獨立填寫實驗報告，實驗報告應包括以下內(nèi)容：1. 實驗目的；2. 主要實驗儀器；3. 實驗步驟；4. 原始數(shù)據(jù)及實驗數(shù)據(jù)整理；5. 對本實驗的建議。七.思考題1. 三軸實驗過程中主要主意事項有哪幾項？2. 通過三軸實驗說明巖石承載能力與哪些因素有關？3. 你對本次實驗的建議和意見。4. 實驗七 巖石抗拉強度測定一.實驗目的巖石抗拉強度是指巖石承拉伸條件下能夠承受的最大應力值。通過該實驗使學生掌握采用巴西劈裂法測定巖石抗拉強度

16、的方法，并與巖石抗壓強度進行比較，從而了解脆性巖石材料的強度特點。二.實驗設備、儀器和材料 1.鉆石機、鋸石機、磨石機；2.游標卡尺，精度0.02mm；3.劈裂夾具；5.鋼絲墊條，用直徑為2.0 mm3.0 mm鋼絲；4. YE-300型液壓材料試驗機。三.試樣的規(guī)格、加工精度、數(shù)量及含水狀態(tài)1.試樣規(guī)格：采用直徑為50 mm，高為25 mm50 mm的標準圓柱體。2.試樣數(shù)量：每種巖石同一狀態(tài)下，試樣數(shù)量一般不少于5塊。3.含水狀態(tài)：采用自然狀態(tài)，試樣制成后放在底部有水的干燥器內(nèi)12 d，以保持一定的濕度，但試樣不得接觸水面。四.實驗原理巴西劈裂法測定巖石抗拉強度是國際巖石力學學會標準推薦的

17、方法，對稱圓盤試樣受集中載荷P的作用下，依據(jù)彈性理論得知，圓盤加載直徑上任一點(0，y)的應力狀態(tài)為： （1）（2）式中：P為載荷，D、L分別為試樣直徑和厚度，試樣中心處（y=0）的應力狀態(tài)為： （3）（4）由式（3）、式（4）得出，圓盤試樣中心處壓應力是拉應力的3倍，但由于巖石抗拉強度遠低于抗壓強度，一旦拉應力達到試樣的抗拉強度時中心發(fā)生破壞，通常認為拉應力對破裂起主導作用。五.實驗步驟1. 測定前核對巖石名稱和試樣編號，并對試樣的顏色、顆粒、層理、裂隙、風化程度、含水狀態(tài)等進行描述。2. 用游標卡尺測量試樣尺寸，保留兩位小數(shù) 。3. 將試樣放置劈裂夾具內(nèi)，再用V型卡具及兩側(cè)夾持螺釘固定好試樣，見圖7-1。1- 墊條； 2-加具座；3-試樣；4-加持螺釘圖7-1 劈裂法抗拉實驗加具示意圖12344. 把劈裂夾具放入試驗機的上、下承壓板之間，使試樣中心線和試驗機的中心線在一條直線上。5. 開動試驗機，松開劈裂夾具兩側(cè)夾持螺釘，然后以0.07kN/s0.12 kN/s的加載速度均勻加載，直至破壞。6. 記錄破壞載荷，破壞類型描述。六.實驗結(jié)果整理