巖體力學(xué)實(shí)驗課件

1、巖體力學(xué)實(shí)驗一.實(shí)驗?zāi)康膸r石單軸壓縮是指巖石在單軸壓縮條件下的強(qiáng)度、變形和破壞特征。通過該實(shí)驗掌握巖石單軸壓縮實(shí)驗方法，學(xué)會巖石單軸抗壓強(qiáng)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(shí)驗設(shè)備、儀器和材料1.鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)；2.游標(biāo)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(jī)；5.JN-16型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀；6.電阻應(yīng)變片（BX-120型）；7.膠結(jié)劑，清潔劑，脫脂棉，測試導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)圓柱體，對于一些裂隙比

2、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(biāo)準(zhǔn)試樣時，可采用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，需在實(shí)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(biāo)卡尺檢查。 c 軸向偏差：試樣的兩端面應(yīng)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

3、： 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(yīng)變片的粘貼圖5-3 電阻應(yīng)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(bǔ)償片的電阻差值不超過0.5。2.位置確定：縱向、橫向電阻應(yīng)變片粘貼在試樣中部，縱向、橫向應(yīng)變片排列采用“”形，盡可能避開裂隙，節(jié)理等弱面。3.粘貼工

4、藝：試樣表面清洗處理涂膠貼電阻應(yīng)變片固化處理焊接導(dǎo)線防潮處理。五.實(shí)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(fēng)化程度、含水狀態(tài)等進(jìn)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(yīng)變儀接通電源并預(yù)熱數(shù)分鐘后, 連接測試導(dǎo)線，接線方式采用公共補(bǔ)償半橋連接方式。4. 將試樣放置在試驗機(jī)的承壓板中心，然后對縱向、橫向應(yīng)變片分別進(jìn)行反復(fù)預(yù)調(diào)平衡。5. 施加初載荷，檢查試驗機(jī)和應(yīng)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(jì)錄相應(yīng)載荷下的縱向、橫向應(yīng)變

5、，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(diǎn)，同一試樣的縱向、橫應(yīng)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(jìn)行描述。六.實(shí)驗結(jié)果整理 1. 巖石單軸抗壓強(qiáng)度： 式中： RC試樣單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度測定結(jié)果填入表5-1。 表5-1 巖石單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度 /MPaD×L/mm單值均值1232. 繪制巖石單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線實(shí)驗結(jié)束后檢查每一組的實(shí)驗結(jié)果，廢棄可疑數(shù)據(jù)，分別計算試樣所受應(yīng)力和與之對應(yīng)的縱向應(yīng)變1

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

7、實(shí)驗的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線中直線段的縱向應(yīng)力增量，MPa；縱向應(yīng)力-應(yīng)變曲線中直線段的縱向應(yīng)變增量；單向抗壓強(qiáng)度的50%的應(yīng)力值，MPa； 試樣與對應(yīng)的縱向應(yīng)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(yīng)變形，在軸向應(yīng)力-縱向應(yīng)變與軸向應(yīng)力-橫向應(yīng)變曲線上，對應(yīng)直線段縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變的平均值計算泊松比：式中：巖石的泊松比；p縱向應(yīng)力-縱向應(yīng)變曲線中對應(yīng)直線段部分的應(yīng)變的平均值； p縱向應(yīng)力-橫

8、向應(yīng)變曲線中對應(yīng)直線段部分的應(yīng)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(shí)驗報告要求 實(shí)驗結(jié)束后認(rèn)真獨(dú)立填寫實(shí)驗報告，實(shí)驗報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：1. 實(shí)驗?zāi)康模?. 主要實(shí)驗儀器；3. 實(shí)驗步驟；4. 原始數(shù)據(jù)及實(shí)驗數(shù)據(jù)整理；5. 對本實(shí)驗的建議。八.思考題1. 試驗機(jī)上為何要配備球形調(diào)節(jié)座？2. 影響單軸壓縮實(shí)驗結(jié)果的實(shí)驗因素有那些？ 3. 單軸壓縮破壞的類型有那幾種？ 實(shí)驗六 巖石常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗一.實(shí)驗?zāi)康膸r

9、石常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗是指巖石試樣在軸對稱應(yīng)力組合方式（1>2=3）的三軸壓縮實(shí)驗。通過該實(shí)驗使學(xué)生掌握巖石常規(guī)三軸實(shí)驗方法，并能根據(jù)巖石在不同圍壓下實(shí)驗結(jié)果計算出內(nèi)摩擦角與粘結(jié)力，繪制出巖石的強(qiáng)度曲線，進(jìn)一步理解巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則。二.實(shí)驗設(shè)備、儀器和材料1. 鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)；2. 游標(biāo)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(jī)；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(biāo)準(zhǔn)圓柱體。2. 加工精度： a

10、 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(biāo)卡尺檢查。 c 軸向偏差：試樣的兩端面應(yīng)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(jìn)行實(shí)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，但試樣不得接

11、觸水面。 四.實(shí)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(fēng)化程度、含水狀態(tài)等進(jìn)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(jī)量程，一般應(yīng)滿足0.2P0<Pmax<0.8P0，式中：P0為試驗機(jī)最大量程，kN；Pmax為預(yù)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，用吹風(fēng)機(jī)緩慢加熱

12、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(jī)的下承壓板上，并使三軸壓力室的中心與試驗機(jī)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(dāng)壓力室有油排除時關(guān)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(jī)，打開送油閥，使壓力機(jī)的下承壓板的拖輪離開軌道10 cm左右，關(guān)閉送油閥，然后調(diào)整試驗機(jī)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。 9. 施

13、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(yīng)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(guān)閉液壓泵卸載閥，再打開試驗機(jī)的回油閥卸軸壓。11. 紀(jì)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(shí)驗結(jié)果整理1.計算一定側(cè)壓力作用下巖石的抗壓強(qiáng)度1： 圖6-2 圍壓與縱向抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線式中： 1max巖石三軸抗壓強(qiáng)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(biāo)系繪制3-1的關(guān)系曲線圖6-2， 對實(shí)驗值采用最小二乘法進(jìn)行線性回

14、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?zāi)枅@及包絡(luò)線 式中： 1巖石三軸抗壓強(qiáng)度，MPa； 3圍壓，MPa； n試樣數(shù)量。根據(jù)庫倫-摩爾準(zhǔn)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(luò)線：在縱橫相同比例的直角坐標(biāo)系內(nèi)，選取35個3值，用回歸后的直線方程計算出相應(yīng)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(luò)線，即為該組巖石的強(qiáng)度曲線，包絡(luò)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(shí)驗結(jié)果填入表6-1。 表6-1 三軸壓縮實(shí)驗結(jié)果巖石名

15、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(shí)驗報告要求 實(shí)驗結(jié)束后認(rèn)真獨(dú)立填寫實(shí)驗報告，實(shí)驗報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：1. 實(shí)驗?zāi)康模?. 主要實(shí)驗儀器；3. 實(shí)驗步驟；4. 原始數(shù)據(jù)及實(shí)驗數(shù)據(jù)整理；5. 對本實(shí)驗的建議。七.思考題1. 三軸實(shí)驗過程中主要主意事項有哪幾項？2. 通過三軸實(shí)驗說明巖石承載能力與哪些因素有關(guān)？3. 你對本次實(shí)驗的建議和意見。4. 實(shí)驗七 巖石抗拉強(qiáng)度測定一.實(shí)驗?zāi)康膸r石抗拉強(qiáng)度是指巖石承拉伸條件下能夠承受的最大應(yīng)力值。通過該實(shí)驗使學(xué)生掌握采用巴西劈裂法測定巖石抗拉強(qiáng)度的方法，并與

16、巖石抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較，從而了解脆性巖石材料的強(qiáng)度特點(diǎn)。二.實(shí)驗設(shè)備、儀器和材料 1.鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)；2.游標(biāo)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(jī)。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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗原理巴西劈裂法測定巖石抗拉強(qiáng)度是國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法，對稱圓

17、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(diǎn)(0，y)的應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)為： （3）（4）由式（3）、式（4）得出，圓盤試樣中心處壓應(yīng)力是拉應(yīng)力的3倍，但由于巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，一旦拉應(yīng)力達(dá)到試樣的抗拉強(qiáng)度時中心發(fā)生破壞，通常認(rèn)為拉應(yīng)力對破裂起主導(dǎo)作用。五.實(shí)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(fēng)化程度、含水狀態(tài)等進(jìn)行描述。2. 用游標(biāo)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(shí)驗加具示意圖12344. 把劈裂夾具放入試驗機(jī)的上、下承壓板之間，使試樣中心線和試驗機(jī)的中心線在一條直線上。5. 開動試驗機(jī)，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(shí)驗結(jié)果整理