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采矿专业岩石力学实验指导书

岩石力学实验指导书

XXX编

武汉科技大学资源与环境工程学院资源工程系

2013年10月

实验一测定岩石的静力变形参数

一、基本原理

岩石的变形是指岩石在外荷载作用下，内部颗粒间相对位置变化而产生与大小的变化，反映岩石变形性质的参数常用的有：

变形模量和松泊比。

岩石变形模量是指试件在单向压缩条件下，压应力与纵向应变之比，又可分为：

1、初始模量：

应力应变曲线原点处的切线斜率。

2、切线模量：

对应于应力应变曲线上某一点M处的切线斜率。

3、割线模量：

应力应变曲线某一点M与原点O的联线的斜率；一般取单轴抗压强度的50%的应变点与原点联线的斜率代表该岩石的变形模量。

泊松比是指单向压缩条件下横向应变与纵向应变之比；一般用单轴抗压强度的50%对应的横向与纵向应变之比作为岩石的泊松比。

本试验是将岩石试件置于压力机上加压，同时用应变计或位移计测记不同压力下的岩石变形值，求得应力应变曲线，然后通过该曲线求岩石的变形模量和泊松比。

目前，测记变形（或应变）的仪表很多，如电阻应变仪、千分表、线性差动变换器等等，其中以电阻应变仪使用最广，在此着重介绍这种仪器的测量方法。

电阻应变仪测量岩石应变的基本原理是将电阻应变片粘贴在试件的表面，当岩石受压变形时，电阻应变片与岩石一起变形，并使其电阻值产生变化，通过电阻应变仪的电桥装置，测出该变化的电阻值并自动转换为应变值，此值即为岩石的应变值。

二、仪器设备

1、测量平台；

2、材料试验机；

3、静态电阻应变仪；

4、惠斯顿电桥、万用表、兆欧表；

5、电阻片及贴片设备；

6、电线及焊接设备。

三、操作步骤

2、试件描述试验前，对试件应描述下列内容：

（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；

（3）含水状态。

3、试件尺寸测量

对园柱体试件：

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，取其平均值作为试件直径；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。

对方柱体：

每个边长取四个角点及中心点五处分别量测五个尺寸，取其平均值。

尺寸测量、均应精确到0.001cm。

5、电阻应变片的粘贴及防潮处理

（1）选择电阻片　要求电阻丝平直，间距均匀，电阻片阻栅长度大于试件中最大颗粒尺寸的10倍，并小于试件的半径；作为同一试件的工作片和补偿片的规格、灵敏系数等应相同，电阻值相差不超过0.2Ω。

（2）电阻应变片应牢固贴在试件中部表面，并尽量避开裂隙和个别较大的晶体、斑晶及砾石等；纵向、横向应变片的数量不少于两片，其绝缘电阻值要大于200MΩ。

（3）贴片及防潮处理　贴片用的胶，对于烘干、风干试件可采用一般胶合剂，对天然含水状态及饱和试件，需采用防潮胶液，并作防潮处理。

（4）粘合剂干固后，用细导线与电阻应变片的引线焊接牢固，然后将导线固定并在其线头作标记以便识别。

6、安点接线

将准备好的试件放置在压力机的承压板中心，按半桥联线方式将试件导线与电阻应变仪连接，如图，即在应变仪a、b接线柱之间测量片，b、d之间接补偿片。

ui为电源输入电压，uo为测试仪器测得的输出电压

7、电阻应变仪的调试

（1）用三芯电源线将交流电源（220V）与仪器和测试电脑电源插座接上，打开电源开关，预热一分钟后，进行平衡调节

（2）预势0.5h后，再检查一次平衡，就可以进行测量工作。

9、施加荷载

（1）开动试验机，使承压板与试件接触。

（2）以0.5~0.8MPa/s的速度施加荷载，直至试件破坏或至少超过抗压强度之50%，在加压过程中，测记各级压力下岩石试件的纵向和横向应变值。

（3）纵向、横向应变值的测读：

加载时应变仪指示电表指针偏转，这时需调整读数盘各档，使指针指零，各读数盘所指数即为应变值，正值代表压缩，负值代表拉伸，为求得完整的应力――应变曲线，所测应变值不应小于10个。

10、计算与成果整理

（1）按下式计算单轴抗压强度：

式中：

σc――岩石的单轴抗压强度（MPa）；

P――破坏荷载（N）；

A――垂直于加荷方向试件断面积（mm2）。

（2）按下式计算各级应力值：

式中：

σ――压应力值（MPa）；    

P――垂直荷载（N）；

A――试件横断面面积（mm2）。

（3）纵制应力-纵向应变曲线、应力-横向应变及应力-体积应变曲线（图4-2）。

体积应变按下式计算：

式中：

εv――某一级应力下的体积应变；

εa――同一级应力下的纵向应变；

εc――同一级应力下的横向应变。

（4）计算岩石平均变形模量及平均泊松比

式中：

Eav――岩石平均变形模量（MPa）；

μav――岩石平均泊松比；

σa――应力-纵向应变曲线上直线段始点的应力值（MPa）；

σb――应力-纵向应变曲线上直线段终点的应力值（MPa）；

εla――应力为σa时的纵向应变值；

εlb――应力为σb时的纵向应变值；

εda――应力为σa时的横向应变值；

εdb――应力为σb时的横向应变值。

（5）计算岩石割线弹性模量及相应的泊松比

式中：

E50——岩石割线弹性模量（MPa）；

μ50――岩石泊松比；

σ50――相当于抗压强度50%的应力值（MPa）；

εl50―应力为σ50时的纵向应变；

εd50―应力为σ50时的横向应变。

岩石变形模量取3位有效数字，泊松比计算值精确至0.01。

四、试验报告内容

1、整理记录表格；格式如附表。

变形参数测定记录表

试件长mm、宽mm、直径mm、高度mm、面积mm2。

纵向荷载P/N

纵向应力

/MPa

纵向应变

横向应变

体积应变

E50=R=

Et=

=

2、根据记录资料作应力――纵向应变；应力-横向应变及就力――体积应变曲线并计算变形模量和泊松比值。

五、注意事项

1、如压力机承压板的尺寸大于试件尺寸的两倍时，需要在试件上、下端加辅助承压板。

2、贴片时胶要涂得薄而均匀，贴后需细心检查，不能有气泡存在。

3、在试件加压之前，应检查试件是否均匀受压；其方法是给试件加上少许压力，观测两纵向应变值是否接近，如相差较大，应重新调整试件。

六、思考题

1、用电阻应变仪量测岩石变形的原理是什么？

电阻片及其粘贴技术对测量结果有什么影响？

2、为什么不能将电阻应变片贴在大的晶体、斑晶、砾石及裂隙上？

3、为什么选用E50作为岩石的变形模量？

实验二测定岩石的单轴抗压强度

一、基本原理

岩石的单轴抗压强度是指岩石试件在单向受压至破坏时，单位面积上所承受的最大压应力，一般简称抗压强度。

根据岩石的含水状态不同，又有干抗压强度和饱和抗压强度之分。

岩石的单轴抗压强度，常采用在压力机上直接压坏标准试件测得，也可与岩石单轴压缩变形试验同时进行，或用其它方法间接求得。

二、仪器设备

1、测量平台、卡尺；

2、材料试验机，见下图。

三、操作步骤

1、试件描述

试验前，对试件应描述下列内容：

（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。

4、测量试件尺寸

对园柱体试件：

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，取其平均值作为试件直径；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。

对方柱体：

每个边长取四个角点及中心点五处分别量测五个尺寸，取其平均值。

尺寸测量、均应精确到0.001cm。

5、安装试件、加荷

将试件置于试验机承压板中心，调整有球形座，使之均匀受载，然后以每秒0.5~1.0MPa的加载速度加荷，直至试件破坏，记下破坏荷载（P）。

6、描述试件破坏后的形态，并记录有关情况。

7、按下式计算岩石的单轴抗压强度

式中：

σC――岩石的单轴抗压强度（MPa）；

P――破坏荷载（N）；

A――垂直于加荷方向试件断面积（mm2）。

计算值取3位有效数字。

四、试验报告内容

1、整理记录表（格式如下表）

单轴抗压强度实验记录表

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

试验：

　　　　　    　　   计算：

　　　 　　　  　校核：

　　　　            　　　　年　　　月　　　日

2、描述试件。

五、注意事项

1、当试件临近破坏时，需适当放慢加荷速度，并事先设防护罩，以防止脆性坚硬岩石突然破坏时岩屑飞射。

2、在对试件加荷前，应检查试件是否均匀受压。

六、相关知识点

1、破坏方式

 岩石的破坏方式主要有三种，分别为拉破坏（图a）、剪破坏（图b）和对顶锥破坏（图c），见下图。

 试件破坏照片：

2、影响因素

（1）岩石自身的性质

矿物组成、粒间连接、岩性、结构特征、颗粒大小及形状、风化程度、微结构面

（2）实验条件

试件形状、尺寸及加工精度

断面形状：

强度:

圆形>六多边形>四边形>三边形试件

尺寸效应：

尺寸越大，岩块强度越低。

试件的高径比h/D增大，岩块强度降低。

加工精度

加荷速率：

强度常随加荷速率增大而增高

温度、湿度：

含水量越高,强度越低;温度越高，强度越低。

端面条件、端面效应，由于端面效应，试样两端为三向应力状态，强度增大，见下图。

层理结构、强度各向异性

七、思考题

影响岩石单轴抗压强度的试验条件有哪些？

试件形态、高经比、加荷速度等是怎样影响岩石单轴抗压强度的？

实验三测定岩石的点荷载强度

一、基本原理

点荷载试验是将岩石试件置于两个球形园锥状压板之间，对试件施加集中荷载，直至破坏，然后根据破坏荷载求得岩石的点荷载强度。

点荷载强度，可作为岩石强度分类及岩体风化分类的指标，也可用于评价岩石强度的各向异性程度，预估与之相关的其它强度如单轴抗压强度和抗拉强度等指标。

二、仪器设备

1、点荷载试验仪：

如下图所示，它包括：

（1）加载系统，由摇式油泵、承压框架，球端园锥状压板组成。

油泵出力一般约为50kN；加载框架应有足够的刚度，要保证在最大破坏荷载反复作用下不产生永久性扭曲变形；球端园锥状压板球面曲率半径为5mm，园锥的顶角为60°（见下图），采用坚硬材料制成。

（2）油压表：

量程约为10MPa，其测量精度应保证达到破坏荷载读数（P）的2%，整个荷载测量系统应能抵抗液压冲击和振动，不受反复加载的影响。

（3）标距测量部分：

采用0.2mm刻度钢尺或位移传感器，应保证试件加荷点间的测量精度达±0.2mm。

2、卡尺或钢卷尺；

3、地质锤。

三、操作步骤

1、试件制备

（1）试件分组：

将肉眼可辨的、工程地质特征大致相同的岩石试件分为一组，如果岩石是各向异性的（如层理、片理明显的沉积岩和变质岩），还应再分为平行和垂直层理加荷的亚组，每组试件约须15块。

（2）本试验可用岩芯样，规则或不规则岩块样，对不同形状试件的尺寸要求如下：

岩芯径向试验，试件的径长比应大于1.0；轴向试验，试件的径长比应等于或小于1.0；不规则岩块样，其长（L）、宽（W）、高（h）应尽可能满足L≥W≥h（图9-3d），试件高度（h）一般控制在0.5~10cm间，使之能满足试验仪器加载系统对试件尺寸的要求，另外，试件加荷点附近的岩面要修平整。

（3）根据试验要求对试件进行烘干或饱水处理。

烘干试件：

是在105~110℃温度下烘干12h；饱水试件，是先将试件逐步浸水，按试件高的1/4、1/2、3/4及4/4等份用6h将试件全部浸入水中（如试件高度很小，允许分1/2、1等份浸水），自由吸水48h，然后用煮沸法或真空抽气法饱和试件。

2、描述试件

　　描述内容：

除岩性外，重点应对其结构构造特征（如颗粒粗细，排列以及节理、层理等发育特征）及风化程度等进行描述。

3、试件尺寸粗测

　　对岩芯样及规则样，分别量测各试件的长（L）、宽（W）、高（h）的尺寸；对不规则岩块样，可过试件中心点测量试件的长（L）、宽（W）、高（h）的尺寸。

4、安装试件

　　试件安装前，先检查试验仪器的上、下两个加荷锥头是否准确对中，然后将试件放置试验仪中，摇动手摇油泵升起下锥头，使加荷锥头与试件的最短边方向（即h方向）紧密接触，注意让接触点尽量与试件中心重合。

若需要测定结构面（层理、片理、节理等）的强度，则应确保两加点的連线在同一结构中，如图9-4所示。

5、加荷

试件安装后，调整压力表指针到零点，以在10~60秒钟内能使试件破坏（相当于每秒0.05-0.1MPa）的加荷速度匀速加荷，直到试件破坏，记下破坏时的压力表读数（F）。

6、描述试件破坏的特点

正常的试件破坏面应同时通过上、下两个加荷点，如果破坏面只通过一个加荷点，如图9-5所示，便产生局部破坏，则该次试验无效，应舍弃，破坏面的描述还应包括破坏面的平直或弯曲等情况。

　　7、破坏面尺寸测量

　　试件破坏后，须对破坏面的尺寸进行测量，测量的尺寸包括上、下两加荷点间的距离（D）和垂直于加荷点連线的平均宽度（Wf），其方法见图9-3，图中分岩芯径向试验、岩芯轴向试验和不规则块体试验3种情况说明了D和Wf的测量方法，测量误差不超过±0.2mm。

8、重复试验

　　重复步骤3~7对其余试件进行试验。

9、计算及成果资料整理

（1）按下式计算试件破坏荷载

式中：

P――试件破坏时总荷载（N）；

C――仪器标定系数（为千斤顶的活塞面积，mm2），一般在各仪器的说明书都有该仪器的标定系数供参考；

F――试件破坏时的油压表读数（MPa）。

（2）按下式计算试件的破坏面积和等效园直径的平方值

式中：

Af　――试件的破坏面面积（mm2）；

D――在试件破坏面上测量的两加荷点之间的距离（mm）；

Wf　――试件破坏面上垂直于加荷点连续的平均宽度（mm）；

De　――等效园直径，为面积与破坏面面积相等的园的直径（mm）。

（3）按下式计算岩石试件的点荷载强度

式中：

IS――试件点荷载强度（MPa），其余符号同前。

（4）求平均值

当测得的点荷载强度数据在每组15个以上时，将最高和最低值各删去3个，如果测得的数据较少时，则仅将最高和最低值删去，然后再求其算术平均值，作为该组岩石的点荷载强度，最后结果取至小数后二位。

四、试验报告内容

1、整理记录表格，格式附表9-1。

附表9-1　　　　　　　　　点荷载试验记录表

1

试件编组

岩石

名称

采样

地点

仪器系

数　C

2

试件编号

3

试件形状

4

含水状态

5

加荷方向

6

试件尺寸

长L　（mm）

宽W　（mm）

高h　（mm）

7

压力表读数F（MPa）

8

总荷载

（N）

9

加荷点间距离D　（mm）

10

破坏面宽度Wf　（mm）

11

等效园直径平方

12

点荷载强度（

（MPa）

13

IS平均值（MPa）

14

试件破坏特征

   试验：

　   　　　　　　　计算：

　　　　        　　　　校核：

　　　   　　　　　年　　　月　　　日

2、整理试件描述资料。

五、注意事项

1、由于岩石点荷载强度一般都比较低，因此在试验中一定要控制好加荷速度，慢慢加压，使压力表指针缓慢而均匀地前进。

2、安装试件时，上、下加荷点应注意对准试件的中心，并使其加荷面垂直于加荷点的连线。

3、在对软岩进行试验时，加荷锥头常有一定的嵌入度，因此，在测量加荷点是距离D时，应将卡尺对准试件破坏上加荷锥留下来的两个凹痕底进行量测。