《岩石力学》课程实验指导书102239.docx
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《岩石力学》课程实验指导书102239
江西理工大学
《岩石力学》课程实验指导书
（适用于采矿、地质、土木等专业）
专业
班级
姓名
矿业工程实验室
采矿工程教研室
二○一四年一月
前言
试验是岩石力学课程教学的重要环节，目的在于辅助课堂教学，直观培养
学生的知识结构和动手能力。
本指导书是根据我校《岩石力学》课程实验教学
大纲、并结合我校的实验条件而编写的，主要内容有：
1、岩石容重的测定；
2、岩石含水率的测定；3、岩石单轴抗压强度的测定；4、岩石变形参数的测定；
5、岩石单轴抗拉强度的测定；6、点荷载强度指标的测定；7、岩石凝聚力及内
摩擦角的测定。
说明：
本试验指导书主要依据为：
（1）中华人民共和国国家标准：
《工程岩体试验方法标准》GB/T50226-1999
（2）中华人民共和国水利部：
《水利水电工程岩石试验规程》
（3）国际岩石力学学会（ISRM）：
《岩石力学试验建议方法》
由于我们水平有限，文中如有不当之处，欢迎使用者批评指正。
第一部分绪论-------------------------------------------------------------------------------4
第二部分基本实验指导-------------------------------------------------------------------6
学生试验守则-----------------------------------------------------------------------------6
试验一岩石容重的测定------------------------------------------------7
试验二岩石含水率的测定-------------------------------------------8
试验三岩石单轴抗压强度的测定-----------------------------------9
试验四岩石变形参数的测定-----------------------------------------10
试验五岩石单轴抗拉强度的测定-----------------------------------12
试验六点荷载强度指标的测定--------------------------------------13
试验七岩石凝聚力及内摩擦角的测定（抗剪强度试验）-------15
第一部分绪论
本实验指导书是根据《岩石力学》课程实验教学大纲编写，适用于采矿工程等专业。
一、本课程室内岩石试验的任务和工作基本要求
1、室内岩石试验的任务
了解岩块的基本物理力学性质及其破坏机制；研究在原岩应力的作用下岩石工程或围岩的工程性状，为岩石工程的评价和工程设计提供资料。
2、室内岩石试验工作基本要求
①为使试验工作符合实际情况，保证成果质量，岩石试验工作，应在详细了解工程地质条件、设计意图、岩石工程的特点和可能采用的施工方法等基础上进行。
②试验工作的安排和布置，应和勘测设计阶段相适应，既要满足本设计阶段的要求，又利于与以后各设计阶段的试验工作相衔接。
一般的要求是：
（1）规划选点阶段在充分分析和利用与岩石工程地质条件相类似的工程的试验成果基础上，可根据实际情况布置少量的室内岩块试验，通常不做现场试验。
（2）初步设计阶段初期应根据划分的工程地质单元分别进行动力法测试和取代表性试样进行室内岩块试验。
对矿山主要井巷和采场采矿方法方案选择起重要作用的岩石力学问题，如主要结构面的变形和稳定条件等，必要时，应进行野外试验。
中后期，对关键岩石工程的岩石力学问题应采取室内和野外试验相结合的原则进行试验研究，为工程地质评价和工程设计提供可靠的岩石物理力学特性资料。
（3）施工图设计阶段一般根据初步设计审查后新发现的工程地质问题，地压处理的需要等，进行专门性的试验。
为了解岩体性状的变化和为工程地质预报提供资料，在施工过程和转运期间，应对关键部位的岩体进行现场监测。
③室内岩块试验的样品，一般在钻孔、平洞和竖井中采取，同组岩样的性质应基本相同。
取样位置和数量，应根据地质条件、工程特点和试验要求而定。
④布置室内岩块试验的一般要求
（1）作为岩石类别划分指标的常规试验项目，应针对岩类的现场分类进行选择，为科学地划分工程地质岩组及掌握不同岩类的自然特性提供资料。
（2）作为工程计算指标的直剪试验和三轴试验，测试条件应符合地质条件和设计要求。
（3）当软弱岩层、断层破碎带的厚度较大，充填物性质均一时，宜采用土工试验的方法进行抗剪强度、压缩试验和其他试验。
二、本课程实验的基础知识
掌握教科书上有关本次试验的教学内容，仔细阅读试验指导书和去实验室熟悉有关仪器设备的操作方法及操作规程。
三、本课程实验教学项目及要求
序
号
实验项目名称
学
时
实验类别
实验要求
实验类型
每组人数
主要设备名称
目的和要求
1
岩石容重的测定
1
专业基础
必修
验证
6
烘箱、干燥器、熔蜡锅、天平、线、石蜡、水中称量装置
交实验报告
2
岩石含水率的测定
1
专业基础
必修
验证
6
烘箱、干燥器、天平
交实验报告
3
岩石单轴抗压强度的测定
1
专业基础
必修
验证
6
RMT-150C实验系统
交实验报告
4
岩石变形参数即弹性模量E和泊松比μ的测定
2
专业基础
必修
验证
6
RMT-150C实验系统、数字静态应变仪
交实验报告
5
岩石单轴抗拉强度的测定（巴西劈裂抗拉实验）
1
专业基础
必修
验证
6
RMT-150C实验系统
交实验报告
6
点荷载强度指标的测定
2
专业基础
必修
验证
6
数字点荷载仪
交实验报告
7
抗剪实验（C、φ测定）
2
专业基础
必修
验证
6
TYS-500岩石三轴试验机
交实验报告
第二部分基本实验指导
学生试验守则
一、每次试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试验的教学内容；
预习内容包括仔细阅读试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试验的意义、目的、操作步骤。
对辅导教师提出的检查性问题，
应能回答，否则不得进行试验。
三、试验时态度应严肃认真，严格按辅导教师及试验指导书上所讲的操作步骤进行试验，
每台设备的操作应按各设备的操作准则进行，以免损坏设备或造成事故。
非本次试验使用的仪
器设备不得乱动。
四、每次试验前由小组长填写仪器设备领用单。
试验完毕后，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室。
如有损坏，应填写仪器设备损坏报
告单，待后处理。
五、试验结束后，应在规定时间内提交试验报告。
试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。
试验成绩是期终考核成绩的一部分。
以上守则同学们应自觉遵守。
实验一、岩石容重的测定
岩石容重是指单位体积岩石的重量。
有两种做法：
称重法和蜡封法。
我们采用的是蜡封法。
一、主要仪器设备：
烘箱、干燥器、熔蜡锅、天平、线、石蜡、水中称量装置。
二、试件制备：
选取有代表性的边长约40~50mm近似立方体的岩石、选3块、修平棱角、刷取表面粘着物。
三、测定步骤：
1、将试样放入105~110οC的烘箱中烘至恒重（烘干24小时）后取出、放在干燥器内冷却至室温、称重得g
2、用线绑住试件、置于刚过熔点的石蜡中1~2秒钟提出、检查试件上，蜡有无气泡、可用小电烙铁或热针刺破并涂平孔眼、在天平上称重得g1
3、将蜡封后的试件挂在天平钩上、在水中称重得g2
四、结果计算：
式中：
dg——岩石的干密度，克／厘米3；
g——试件干重，克；
g1——蜡封试件在空气中重，克；
g2——蜡封试件在水重中，克；
ds——水的密度，克／厘米3；
gn——石蜡密度，克／厘米3，0.90克／厘米3。
岩石密度测定记录表
测
定
次
数
试件在空气中重
g
（克）
蜡封试件
在空气重
g1
（克）
蜡封试件在水中重
g2
（克）
试件容重
dg
（克／厘米3）
岩石平均
容重
（克／厘米3）
备
注
1
2
3
实验二、岩石含水率的测定
岩石在天然状态下所含水分的重量与岩石烘干后的重量之比为岩石的含水率。
一、仪器设备：
天平、烘箱、干燥箱。
二、试验步骤：
1、从岩样中心取保持天然含水状态的边长约4~6厘米的立方体试件，即称重得g1，在现场采取的岩石，测含水率就要用塑料袋把欲测岩石密封住，保持水分。
2、将试件放在105~110οC烘箱中烘至恒重（烘干24小时）后取出，放置干燥器中冷却至室温，称重得g2。
三、测定结果计算：
式中：
——岩石天然含水率；
——保持天然水分的试件重量，克；
——烘至恒重的试件重量，克。
岩石含水率测定记录表
试件编号
试件天然
重量
（克）
试件烘干
重量
（克）
试件含
水率
（%）
岩石平均含水率
（%）
备
注
1
2
3
试验三、岩石单向抗压强度的测定
一、仪器设备：
材料试验机、游标卡尺。
二、标准试件规格：
采用直接为50mm的圆柱体，高径比为2：
1；也可采用50×50×100mm的长方体。
三、测定步骤：
1、测试件尺寸（试件直径应在其高度中部两个互相垂直的方向量测，取算术平均值）填入记录表内。
2、选择压力机度盘（量程）：
一般应满足0.2P＜Pmax＜0.8P
式中：
Pmax——预计最大破坏载荷，KN
P——压力机度盘最大值，KN
3、开动压力机，使其处于可用状态，将试件置于压力机承压板中心，调整球形坐，使试件上下受力均匀，以（0.5~1.0MPa）/秒的速度加载直至破坏。
注：
如用RMT-150C电液伺服压力机加载，则按其操作手册正确操作，从控制电脑中获取Pmax。
四、测定结果的计算：
试件的抗压强度：
式中：
R——试件抗压强度，MPa
P——试件破坏载荷即Pmax，N
F——试件面积，mm2
岩石单向抗压强度测定记录表格
试
件
编
号
岩
石
名
称
试件
含水
状态
试件尺寸（mm）
试件
面积F
（mm2）
破坏载荷P
N
抗压
强度R
MPa
平均抗压强度
MPa
备注
长
宽
直径
高
1
2
3
试验四、岩石变形参数测定（弹性模量E和泊松比μ）
一、仪器设备：
电阻应变仪、万用表、试验机、电阻应变片、胶水等。
二、试件与抗压强度测定试件的要求相同。
三、测定步骤：
将数字电阻应变仪接上电源，预热半小时连接线路，预调平衡，施加初载荷，检查仪器工作情况，按每秒0.5~1.0MPa的速度逐渐加载，按估计破坏载荷的十分之一间隔读一次读数，纪录载荷与应变值。
直至破坏。
注：
如用RMT-150C电液伺服压力机加载，则按其操作手册正确操作，从控制电脑屏幕中获取载荷，从数字电阻应变仪上读取应变值。
四、测定结果的计算与整理：
1、应力按下式计算：
式中：
σ—应力，MPa；
P—与应变对应的载荷，N；
F—试件初始面积，mm2。
2、体积应变按下式计算
式中：
—体积应变值；
—纵向应变值；
—横向应变值。
3、绘制应力—纵向应变曲线；应力—横向应变曲线；应力—体积应变曲线。
4、根据破坏载荷计算单轴抗压强度σc
式中：
P—破坏载荷，N
F—试件初始面积，mm2。
5、在应力—纵向应变曲线上，原点与50%抗压强度点连线的斜率即为割线模量E50。
6、在应力—纵向应变曲线上，直线段的斜率为切线模量Et（通称弹性模量）。
7、根据应力—纵向应变和应力—横向应变曲线上对应直线段部分纵向和横向应变的平均值计算泊松比
式中：
——应力—横向应变曲线上对应直线段部分应变的平均值。
——应力—纵向应变曲线上对应直线段部分应变的平均值。
变形参数测定纪录表格
试件长mm、宽mm、直径mm、面积mm2。
序
号
纵向荷载P
N
纵向应力
MPa
纵向应变
横向应变
体积应变
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
E50=σc=
Et=
=
试验五、岩石抗拉强度的测定（劈裂法）
一、仪器设备：
材料试验机、劈裂法实验夹具、游标卡尺。
二、试件规格：
标准试件采用圆盘形，直径50mm、厚25mm；也可采用50×50×50mm方形试件。
三、测定步骤：
1、2同抗压强度相同。
3、通过试件直径的两端，沿轴线方向画两条互相平行的线作为加载基线，把试件放入夹具内，夹具上下刀刃对准加载基线，放入试验机的上下承压板之间，使试件的中心线和试验机的中心线在一条直线上。
4、开动试验机，以每秒0.03~0.05MPa的速度加载直至破坏。
四、测定结果计算：
式中：
RL——岩石单向抗拉强度，MPa
P——试件破坏载荷，N
D——试件直径，mm
L——试件厚度，mm
抗拉强度测定记录表
试
件
编
号
岩
石
名
称
试件
含水
状态
试件尺寸
（mm）
破坏
载荷P
N
抗拉
强度RL
MPa
平均抗拉强度
MPa
备
注
直径
D
厚度
L
1
2
3
试验六、点荷载强度指标的测定
一、概述：
岩石的点荷载强度指标，可换算成抗拉或抗压强度。
由于测点载荷指标的设备轻巧，便于现场工作，试验成本低廉、时间短等优点，所以此法精度虽然较常规试验低，但仍有其使用价值。
尤其对于严重风化的低强度岩石，易于测出点载荷指标，此法更有实际意义。
二、试样备制：
岩石点荷载强度指标试验（如图所示），试样有圆柱形或不规则形两种，前者加载有轴向与径向两种，而以径向加载常用，其加载点离自由端的距离，不应小于试样直径的0.7倍。
不规则形须将试样修整成椭圆型或卵状。
为保证数据的精度，圆柱形试样一般不少于10件，不规则形不少于15件。
岩石点荷载强度指标测定示意图
（a）径向加载（b）轴向加载（c）不规则试样加载
三、设备仪器：
点载荷仪（如图），游标卡尺等。
千斤顶
加载架
数显表头
点荷载试验装置
四、试验方法：
将试样放在点载荷仪的两压头之间，启动油泵加载，直到试样断裂为止，同时记录下岩石断裂时的载荷。
岩石断裂面经过两压点处，试验有效。
如果岩石断裂面未经过两压点处或压头陷入岩石中，则认为试验数据无效。
五、试验数据分析整理：
（1）点荷载强度指标按下式计算
式中：
——点载荷强度指标（MPa）；
——试样断裂载荷（N）；
——上下压头间距（mm）。
（2）点载荷指标和抗拉强度T的关系如下：
式中：
为比例系数，对于岩心试样，
=0.79，球形试样，
=0.95，不规则样，
=0.9～0.96。
（3）点载荷指标和抗压强度c的关系如下：
式中：
比例系数
和试样尺寸有关，当
等于54、50、42、和21.5mm时，
相应的等于24、23.5、21和18。
也可采取以下方法：
国际岩石力学学会（ISRM）将50mm直径圆柱体径向加载点荷载试验的强度指标IS（50）确定为标准值，其他尺寸试件的试验结果需用公式:
Is（50）=kIs（D）进行修正。
k＝0.2717+0.01457D当D≤55mm时
k＝0.7540+0.0058D当D＞55mm时
式中D为非标准试件的直径也即y。
进行现场岩石分级时需用Is（50）——换算而来的值。
可转换为单轴抗压强度：
——相当于L:
D=2:
1的试件单轴抗压强度值。
试验七、岩石的抗剪试验
一、仪器设备：
材料试验机、变角剪切夹具、游标卡尺。
二、试件规格：
标准试件采用50×50×50mm或70×70×70mm。
做三个角度：
30°、45°、60°，每个角度做三个试件取平均值。
三、试验步骤：
1、实验机度盘的选择原则与抗压强度测定之盘选择原则相同。
2、测量试件尺寸、选择剪切角度填入表内。
3、把变角剪夹具选好角度，试件放上后即可以每秒0.5~1.0MPa的速度加载直至破坏。
四、测定结果的计算：
单个试件剪切破坏面上的正应力、剪应力按下式计算：
式中：
P——试件剪断破坏载荷，N
F——剪切面面积，mm2
α——试件（剪切面）与水平面夹角，或也是加载力方向与剪切面法线的夹角。
岩石剪切试验记录表
岩
石
试
件
编
号
岩
石
名
称
试
件
含
水
状
态
试件尺寸（mm）
剪
切
面
积
（mm2）
剪
切
角
度
（度）
破
坏
载
荷
（N）
平均
正应力
（MPa）
平均
剪应力
（MPa）
备
注
长
宽
1
30
2
3
4
45
5
6
7
60
8
9
五、画强度曲线、求C、φ值。
①从图上量出：
C=φ=
②用解方程法求岩石的C、φ值：
【例】根据上表各值作
关系图，如上图所示：
由公式：
τ=C+σtgφ
又假设τ30=90.00kg/cm2，σ30=155.88kg/cm2
90=C+155.88tgφ
所以C=90-155.88tgφ
（1）
又假设τ60=69.28kg/cm2，σ60=40.00kg/cm2
69.28=C+40tgφ
（2）
将
（1）式代入
（2）式，则得：
69.28=90-155.88tgφ+40tgφ
115.88tgφ=20.72，tgφ=0.179 （3）
故φ=10.1480
将（3）式代入
（1）式，则得：
C=90-155.88×0.179=62.097kg/cm2
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