岩体工程力学实验指导书

《岩体工程力学》实验指导书安全工程系采矿工程实验室学生实验守则一、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去实验室熟悉有关仪器设备。二、经过预习应掌握该项实验的意义、目的、操作步骤。对实验指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，严格按教师及实验指导书上所讲的操做步骤进行实验，每台设备应按操作则进行，以免损坏设备或造成事故。四、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。书写、计算、制图要求公式、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。五、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。实验一岩石单轴抗压强度测定实验一．实验目的1.掌握岩石单走抗压强度、弹性模量、泊松比的测定方法；2.了解岩石试件单轴压缩时的应力-应变与金属的应力-应变曲线的特点；3.了解岩石试件破坏的类型。二.实验设备、材料及工具三.实验步骤1实验前的准备试件制备、描述和尺寸测量（1）实验采用立方体试件，试件尺寸a*b*c（为50*50*50立方毫米）。（2）试件端面平整到0.02毫米，两端面垂直于试件轴最大偏差每50毫米不超过0.05毫米，在试件整个高度上，直径不超过0.3毫米，试件表面要光滑。（3）试件尺寸要在试件高度上、中、下三个部位测量其尺寸，取平均值，精度为0.1毫米试件高度测量精度为0.1毫米。（4）试件描述：其内容包括：岩石名称、颜色、主要矿物组分、结构、构造、风化程度、裂隙发育情况，沉积岩胶结物的性质、胶结程度以及加荷方向层理、片理方向的关系、主要裂隙与加荷方向的关系等。（5）每组试件数根据实际情况而定，但最好不少于五块2.试件安装将准备好的岩石试件放在压力实验机、下加压板的中心位置，试件整个端面应与加压板严密接触，若不符合要求，应予处理。3.施加载荷1岩石力学测试系统；RMT-150B2游标卡尺保持恒定的应力速率（5~10/厘米2/秒）对试件连续加载至破坏为止。记录破坏载荷数值，描述试件的破坏情况，描述内容为1破坏面与最大应力方向的交角。2破坏面上大颗粒的完整性3破坏面的完整性4破坏面是否沿预测破坏面破坏5实验过程中的特殊情况6记录初裂时的破坏值。四．计算岩石的抗压强度岩石的（单轴）抗压强度，按下式计算σc=P/A式中σc——岩石抗压强度，Pap——试件破坏时施加的最大载荷，NA——试件横截面积，m2五．岩石（单轴）抗压强度实验记录加载速率初始弹模峰值弹模与峰值弹模对应的应变峰值后的割线弹模实验二岩石抗拉强度试验一目的和要求1掌握岩石抗拉强度测量的巴西试验法；2了解岩石拉伸断裂特征。二实验原理将标准试件置于试验机上下压头之间进行单向静压匀速加载，使之发生破裂、破坏。岩石的抗拉强度是指岩石试件在单轴向抗拉伸条件下试件达到破坏的极限强度，在数值上就等于破坏时的最大拉应力－为抗拉伸强度。由弹性理论可知，在圆柱形试件表面上，沿轴面受均布线载荷加压时，在该轴面上会产生与之垂直分布的拉应力，其大小按下式计算dtpt2式中P—试件破坏时的载荷，N；D—试件直径，mm；t—试件载荷作用轴面的厚度mm。在这种外力条件下，岩石试件沿该轴面产生拉伸断裂破坏，可按dtpt2式计算岩石的抗拉强度。该法称为巴西试验法或劈裂法。如试件采用立方块，亦可近似按dtpt2计算，这时D=t为试件边长。三仪器设备1岩石力学测试系统；RMT-150B2游标卡尺；3直径1.5mm硬制钢丝。四试件要求1试件直径不能小于NX型岩心直径，大约为50mm，厚度近似等于试件半径，或取正方块岩样。2试件上不得有明显的解理裂隙，试件在厚度方向不平度误差不得超过0.0025mm，两端面的平直度应在0.25mm以内，且垂直度和平行度均不得超过0.25。3每组试样试验所需试件块数，依实际情况而定，最好采用10块五实验步骤1描述试件表面形态、颜色、颗粒组成、层理、裂隙方向等。2用游标卡尺量测试件尺寸，预定拉裂面的尺寸精度为0.1mm。3标记试件受压位置。圆柱体试件时，受压位置为同一轴面的柱面上；方块试件时，受压位置为试件两对应面的中线位置。注意，同组试件受压方向与试件层理等结构方向之间的关系应保持一致。4沿受压位置粘贴好硬质钢丝。5将试件放置于实验机压头下的抗拉模具之间，拧紧试样的定位螺丝。注意试件必须置于压板中心位置。使上下硬质钢丝与压板轻轻接触后，拧松试样的定位螺丝，并保持试件水平，（见图2）。6对试件施加等速度连续载荷，加载速度约为200N/S，至试件沿轴面或中心平面破坏，记下载荷（计算中已记录）。7按dtpt2式计算极限拉应力，岩石的抗拉强度取各试件极限拉应力的算术平均值。岩石抗拉强度试验记录表岩石名称试件编号试件外观试件尺寸破坏载荷（N）抗拉强度（MPa）平均值备注长宽高实验三岩石抗剪强度实验一、目的与要求1、掌握压模剪切试验方法；2、学会强度曲线的绘制方法；3、掌握岩石抗剪强度指标C，φ值的确定方法。二、基本原理岩石的抗剪强度就是指岩石抵抗剪切滑动的能力，它是岩石力学中需要研究的最重要的特性之一。把试件置与于剪切仪中，并放在试验机上加压，使其沿设计平面剪切破坏，见图3，试验机上所加的压力P分解为σ和τσ=Pcona/F(kg/cm2)1τ=Psina/F(kg/cm2)1式中P——破坏载荷，N；F——剪切面面积，cm2α——剪切面倾角。剪切压模可调节剪切面的倾角，因此，改变剪切面的倾角α，即可得相应的σ，τ值。将不同α值条件下的σ，τ值描在σ—τ坐标系上，得岩石的强度曲线，由强度曲线可直接量出内聚力C和内摩擦角φ，或通过数学拟合得强度曲线表达式。三、仪器设备1、岩石力学测试系统；RMT-150B2、剪切盒。四、试件要求1、试件为正方块，常用尺寸为50×50×50。各面垂直度和平行度要满足抗压强度试验要求。2、保证同组试验试件岩石结构方向性和剪切面的关系一致。五、实验步骤1、描述试件及量取尺寸同抗压抗拉试验。2、将剪切面角度选好，把剪切仪下压模置于试验机上，把试块置于压模内，将剪切仪上摸放在试件上，对齐。（见图3）3、开动机器，然后以每秒5～10Kg/cm2的速度加载，直至试件被剪坏。4、在5个以上不同的剪切面倾角上，分别做3～5块试件的剪切破坏试验。注意，为保证顺利剪切及仪器不发生倾覆，剪切面倾角范围宜为30。≤α≤70。。六、结果整理1、在σ——τ坐标系上绘制强度曲线。2、确定岩石的内聚力C和内摩擦角φ。岩石抗剪强度试验记录表岩石名称试件剪切面破坏载荷（N）剪切面倾角（。）剪切面正应力（MPa）剪切面剪应力（MPa）尺寸（cm）长宽15.6687.91213.628702.85413.6325.6088.01219.959505.69222.05635.0207.81435.6934556.62856.628实验四岩石变形试验一、试验目的本试验目的在于测定规则岩石试件在单轴压缩应力状态下的纵向和横向变形，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。弹性模量分为初始弹性模量，割线弹性模量和切线弹性模量。它们均由试验结果绘制的应力~应变曲线确定。泊松比是指单向压缩条件下横向应变与纵向应变之比；对于岩石，一般用应力~应变曲线近于直线段平均纵向应变与相应应力段平均横向应变计算。二、试验方法目前，实验室广泛采用电测法测定岩石变形。即用转换元件将待测非电量的变形转换成电量输入电子仪器进行测量。1、实验所用设备和备品（表1-1）表1-1实验所用设备和备品序号名称规格单位数量1制样设备套12压力试验机YE—1000台13静态电阻应变仪YJ—31台14万用表台15应变片3*5mm片86501胶KH—501瓶17卡尺砂纸电线等2、试件制备及尺寸测量(1)采用圆柱体试件，试件直径50mm，高100mm。(2)沿试件高度，直径的误差不超过0.03cm试件两端面不平行度误差，最大不超过0.005cm；(3)端面应垂直于轴线，最大偏差不超过0.25°；(4)直径应沿试件整个高度上分别量测两端面和中点三个断面的直径，取其平均值作试件直径；高度应在两端等距取三点量测试件的高，取其平均值，作为试件的高，同时检验两端面的不平整度。尺寸测量、均应精确到0.1mm。3、试件描述(1)岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；(2)加荷方向与岩石试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工中出现的问题。4、电阻应变片粘贴(1)选择合适的应变片待用。同一组所用的应变片应是同一包装袋中的，并且两片之间的电阻值相差不应超过0.5欧姆。轴线在应变片底座上标出。在拿取和摆放应变片时，注意不要用手接触应变片的底座，也不要与其它未经清洗的物体接触，以免造成污染。禁止用镊子或其他坚硬的器具夹持敏感栅部分，防止人为损伤应变片。(2)用细沙布打磨试件需要粘贴应变片表面。打磨方向与贴片方向成交叉450，面积约为5×10mm2。(3)用棉球蘸少量丙酮(酒精)擦洗贴片位置，棉球脏了再换一个，只到棉球不变色为止。用铅笔画出贴片位置的方位线，然后在用棉球擦一次。此后，被清洗的表面不能与其它不清洁的物体接触。(4)左手捏住应变片的引出线，右手拿501（或502）粘结剂瓶，在应变片上涂上一薄层粘结剂。迅速将应变片平放于粘贴位置，稍稍移动应变片，让粘结剂均匀分布在整个粘贴面上，并使应变片的轴线对准试件的定位线，将一小片塑料布盖在应变片上，用大母指挤压应变片一分钟，压时不能使应变片错动。轻轻揭开薄膜，检查应变片的颜色，如发现小块白色，说明有气泡存在，应用划针占少量胶水沿应变片边缘涂抹，胶水很快就渗进气泡中。再次垫上薄膜用拇指剂压，直到应变片全部颜色均匀。(5)用万用表检查应变片的电阻值应与粘贴前一致。如有电阻变大或变小者，应检查应变片有无断路或短路，若应变片已损坏，应将应变片铲去重贴，步骤同前。(6)把接线端子用胶水粘贴在应变片引出线附近，用塑料套或绝缘带把应变片引出线进行绝缘处理，用胶带把上好锡的塑料导线固定于试件上。先将引线上锡，再将导线与应变片引出线的两对焊点分别熔接在接线端子上。焊接时间要尽量短，焊点要求光滑小巧，成球状。(7)在应变片的表面涂上一层防潮剂，涂料应将整个应变片罩住，最好在试件尚未冷却时涂防潮剂。在整个操作过程中不要损坏应变片及应变片的引出线三、应变仪的基本原理、各部分功能及使用方法1、YJ—31型静态电阻应变仪结构与工作原理（图1-1）应变仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪器，应变测量的转换元件—应变片，用粘贴剂将应变片牢固地粘在试件上，当被测试件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在试件上的应变片的电阻值也随着发生了变化，这样就把机械量—变形转换成电量（电阻值的变化）。这个变化量通过一定的组桥方式经放大器放大，通过A/D转换后，就可以直接读出应变值，完成了非电量的电测。2、仪表各部分功能说明放大器滤波器A/D数字显示测量桥电压变换器电源图1-1静态电阻应变仪原理框图图1-2给出了应变仪面板图及各部分功能。电源线及电源开关在应变仪面板后侧，开关向上拨动，表示仪器接通电源。标定、基零、测量是三位一体琴键互锁开关，按其中一键，表示一种作用，而其它键不起作用。灵敏度电位器：根据应变片灵敏系数不同，可调节该电位器使仪器灵敏系数与应变片灵敏系数一致。当灵敏系数为2时，标定值为-10000με，灵敏系数与标定值关系如表1-2所示，当应变片灵敏系数为表中未列出的数值，可通过插值求得。表1-2：灵敏系数与标定值对应表灵敏系数K1.801.901.952.002.052.102.202.302.402.502.60表定值(με)111111052610256100009756952390918696833380007692调节灵敏度电位器：使仪器显示为ε值为应变片的灵敏系数值。调零电位器：当测量桥路处于不平衡状态时，调节该电位器使仪器显示为零。本机—切换开关：在本机测量时开关置“本机”状态，当10点测量时开关置“切换”状