巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

《巖體力學(xué)》課堂實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書課程中文名稱：巖體力學(xué)課程英文名稱：RockMassMechanics課程編號(hào)：020060180適用專業(yè)：新能源科學(xué)與工程學(xué)時(shí)數(shù)：48學(xué)分?jǐn)?shù)：3課程類別：專業(yè)課程應(yīng)開課學(xué)期：第五學(xué)期實(shí)驗(yàn)一：巖石單軸壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：綜合型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)要求：5人/組一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．巖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；2．通過(guò)該實(shí)驗(yàn)掌握巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)方法，掌握巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比的計(jì)算方法；3．了解巖石單軸壓縮過(guò)程變形特征和破壞類型。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器和材料；2．試樣的規(guī)格、加工精度、數(shù)量及含水狀態(tài)；3．電阻應(yīng)變片的粘貼；4．實(shí)驗(yàn)步驟；5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理。三、儀器設(shè)備(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(cè)臺(tái)、百分表及百分表架；(4)YE-600型液壓材料試驗(yàn)機(jī)或RMT150C巖石力學(xué)試驗(yàn)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(cè)試導(dǎo)線等。四、實(shí)驗(yàn)原理、方法、手段和步驟1．實(shí)驗(yàn)原理巖石在單軸壓縮荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。國(guó)際上通常把單軸抗壓強(qiáng)度表示為UCS，我國(guó)習(xí)慣于將單軸抗壓強(qiáng)度表示為C，其值等于達(dá)到破壞時(shí)的最大軸向壓力P除以試件的橫截面積A。在測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，也可同時(shí)進(jìn)行變形試驗(yàn)。本試驗(yàn)可分為電阻應(yīng)變片法和千分表法適用于能制成規(guī)則試件的各類巖石堅(jiān)硬和較堅(jiān)硬的巖石宜采用電阻應(yīng)變片法較軟巖宜采用千分表法對(duì)于變形較大的軟巖和極軟巖可采用百分表測(cè)量變形。2．實(shí)驗(yàn)方法和步驟(1)測(cè)定前核對(duì)巖石名稱和試樣編號(hào)，并對(duì)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(cè)量試樣尺寸，一般在試樣中部?jī)蓚€(gè)互相垂直方向測(cè)量直徑計(jì)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(cè)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(yàn)機(jī)的承壓板中心，然后對(duì)縱向、橫向應(yīng)變片分別進(jìn)行反復(fù)預(yù)調(diào)平衡或穩(wěn)定后讀取載荷為零時(shí)的初始值。(5)施加初載荷，檢查試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)變片工作情況，正常后以0.05–0.10kN/s的加載速度均勻加載，每次間隔5kN–10kN讀取相應(yīng)載荷下的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變值，直至試樣完全破壞。每個(gè)試樣加載過(guò)程中讀數(shù)不得少于7個(gè)點(diǎn)，要求相同載荷下的縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變盡可能同時(shí)讀出。(6)記錄破壞載荷值及加載過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，并對(duì)試樣破壞特征進(jìn)行描述。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理(1)計(jì)算巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式，計(jì)算巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，并將其按要求填入試驗(yàn)報(bào)告紙中。(2)繪制巖石單軸壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)巖石體積應(yīng)變的計(jì)算公式，計(jì)算巖石試樣的軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變及體積應(yīng)變等，并以軸向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和體積應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)繪制巖石單軸壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(3)根據(jù)巖石彈性模量和泊松比的定義，計(jì)算巖石的彈性模量和泊松比。(4)指出巖石單軸壓縮時(shí)的破裂模式和破裂機(jī)制。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1．巖石試樣的加工制備應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；2．單軸壓縮時(shí)加載速率的設(shè)置應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；3．試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)準(zhǔn)確詳細(xì)描述巖石的名稱、顏色、礦物成分、風(fēng)化程度、層理裂隙及其與加載方向的關(guān)系、試樣在制備過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題、含水狀態(tài)等。七、預(yù)習(xí)與思考題1．試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)因素有那些？3．單軸壓縮破壞的類型有那幾種？實(shí)驗(yàn)二：巖石三軸壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：綜合型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)要求：5人/組一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．巖石常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)是指巖石試樣在軸對(duì)稱應(yīng)力組合方式（1>2=3）的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。2．通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握巖石常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)方法，依據(jù)巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果學(xué)會(huì)計(jì)算出巖石的內(nèi)摩擦角與黏聚力c，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(yàn)內(nèi)容1．實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器和材料；2．試樣的規(guī)格、加工精度、數(shù)量及含水狀態(tài)；3．電阻應(yīng)變片的粘貼；4．實(shí)驗(yàn)步驟；5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理。三、儀器設(shè)備(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(cè)臺(tái)、百分表及百分表架；(5)YE-2000型液壓材料試驗(yàn)機(jī)；(6)三軸室，三軸液壓源；(6)熱縮管、膠帶、密封圈等。四、實(shí)驗(yàn)原理、方法、手段和步驟1．實(shí)驗(yàn)原理巖石在三向壓縮荷載作用下，達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力稱為巖石的三軸抗壓強(qiáng)度。與單軸壓縮試驗(yàn)相比，試樣除受軸向壓力外，還受側(cè)向壓力，側(cè)向壓力限制試件的橫向變形，因而三軸試驗(yàn)是限制性抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。在測(cè)定三軸壓縮強(qiáng)度的同時(shí)，也可同時(shí)進(jìn)行變形試驗(yàn)。2．實(shí)驗(yàn)方法步驟(1)測(cè)定前核對(duì)巖石名稱和試樣編號(hào)，并對(duì)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(cè)量試樣尺寸，一般在試樣中部?jī)蓚€(gè)互相垂直方向測(cè)量直徑計(jì)算平均值。(3)依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵筮x取圍壓值，可以參照埋深而定。一般圍壓取5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa。(4)選擇試驗(yàn)機(jī)量程，一般應(yīng)滿足0.2P0<Pmax<0.8P0，式中：P0為試驗(yàn)機(jī)最大量程，kN；Pmax為預(yù)計(jì)試樣最大破壞載荷，kN。(5)施加初載荷，檢查試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)變片工作情況，正常后以0.05–0.10kN/s的加載速度均勻加載，每次間隔5kN–10kN讀取相應(yīng)載荷下的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變值，直至試樣完全破壞。每個(gè)試樣加載過(guò)程中讀數(shù)不得少于7個(gè)點(diǎn)，要求相同載荷下的縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變盡可能同時(shí)讀出。試樣防油處理，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(zhǎng)度稍大于試樣高度，用吹風(fēng)機(jī)緩慢加熱熱縮管，并再用密封膠帶固定試樣兩端。(6)安裝試樣，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，依次將壓力室活塞，鎖緊壓蓋和壓頭安裝到位，將裝有試樣的三軸壓力室放入試驗(yàn)機(jī)的下承壓板上，并使壓力室的中心與試驗(yàn)機(jī)的中心一致。(7)注油排氣，打開壓力室的排氣閥，啟動(dòng)手動(dòng)油泵向壓力室注油排氣，當(dāng)壓力室排氣閥有油排除時(shí)關(guān)閉排氣閥。(8)接通電源，開動(dòng)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10cm左右，關(guān)閉送油閥，然后調(diào)整試驗(yàn)機(jī)上承壓板位置與壓力室的上壓頭接觸。打開送油閥3周緩緩給試樣施加50kN的縱向載荷固定試樣。(9)施加圍壓，搖動(dòng)手泵緩緩施加圍壓到指定值約穩(wěn)定數(shù)2分鐘后，使圍壓保持恒定時(shí)，變動(dòng)范圍不應(yīng)超過(guò)選定的2%。(10)再以1.0kN/s～2.0kN/s的加載速度均勻加載，直至試樣破壞，打開試驗(yàn)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，卸掉上壓頭和壓蓋取出試樣，描述破壞類型。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理(1)計(jì)算一定側(cè)壓力作用下巖石的壓縮強(qiáng)度。根據(jù)巖石壓縮強(qiáng)度的計(jì)算公式，計(jì)算巖石的三軸壓縮強(qiáng)度，并將其按要求填入試驗(yàn)報(bào)告紙中。(2)在平面直角坐標(biāo)系繪制3–1的應(yīng)關(guān)系曲線。根據(jù)最小二乘法進(jìn)行線性回歸，計(jì)算該直線的斜率和截距，并根據(jù)直線斜率和截距與巖石黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系，獲得巖石的內(nèi)摩擦角和黏聚力。(3)根據(jù)不同圍壓與其對(duì)應(yīng)的壓縮強(qiáng)度，繪制不同受力狀態(tài)下的莫爾圓及其包絡(luò)線。(4)指出巖石三軸壓縮時(shí)的破裂模式和破裂機(jī)制。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1．巖石試樣的加工制備應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；2．巖石三軸壓縮時(shí)加載速率的設(shè)置應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；3．試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)準(zhǔn)確詳細(xì)描述巖石的名稱、顏色、礦物成分、風(fēng)化程度、層理裂隙及其與加載方向的關(guān)系、試樣在制備過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題、含水狀態(tài)等。七、預(yù)習(xí)與思考題1．三軸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要主意事項(xiàng)有哪幾項(xiàng)？2．通過(guò)三軸實(shí)驗(yàn)說(shuō)明巖石承載能力與哪些因素有關(guān)？3．你對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的建議和意見。實(shí)驗(yàn)三：巖石抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（巴西劈裂）實(shí)驗(yàn)類型：綜合型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)要求：5人/組一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．巖石抗拉強(qiáng)度是指巖石承拉伸條件下能夠承受的最大應(yīng)力值；2．通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握采用巴西劈裂法測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的方法，并與巖石抗壓強(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(yàn)內(nèi)容1．實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器和材料；2．試樣的規(guī)格、加工精度、數(shù)量及含水狀態(tài)；3．電阻應(yīng)變片的粘貼；4．實(shí)驗(yàn)步驟；5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理。三、儀器設(shè)備(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；(4)鋼絲墊條，用直徑為2.0mm～3.0mm鋼絲；(5)YE-300型液壓材料試驗(yàn)機(jī)。四、實(shí)驗(yàn)原理、方法、手段和步驟1．實(shí)驗(yàn)原理巴西劈裂法測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法，對(duì)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(diǎn)(0，y)的應(yīng)力狀態(tài)為： (3-1) (3-2)式和中：P—試樣載荷，N；D——試樣直徑，mm；L——試樣厚度，mm。在試樣中心處y的應(yīng)力狀態(tài)為： (3-3) (3-4)由式和可得出，圓盤試樣中心處壓應(yīng)力是拉應(yīng)力的倍，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(shí)中心發(fā)生破壞，通常認(rèn)為拉應(yīng)力對(duì)破裂起主導(dǎo)作用。2．實(shí)驗(yàn)方法和步驟(1)測(cè)定前核對(duì)巖石名稱和試樣編號(hào)，并對(duì)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(cè)量試樣直徑和厚度，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。(4)把劈裂夾具放入試驗(yàn)機(jī)的上、下承壓板之間，使試樣中心線和試驗(yàn)機(jī)的中心線在一條直線上。(5)開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，松開劈裂夾具兩側(cè)夾持螺釘，然后以0.05kN/s～0.10kN/s的加載速度均勻加載，直至破壞。(6)記錄破壞面通過(guò)兩條加載基線試樣的破壞載荷，描述破壞類型。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理(1)巖石抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式為： (3-5)式中：RL—試樣抗拉強(qiáng)度，MPa；P—試樣破壞載荷，N；D—試樣直徑，mm；L—試樣厚度，mm。(2)指出巖石巴西劈裂時(shí)的破裂模式和破裂機(jī)制。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1．巴西圓盤的加工制備應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；2．巴西劈裂時(shí)加載速率的設(shè)置應(yīng)滿足《水利水電