巖體力學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、巖體力學(xué)實驗指導(dǎo)書姓名:學(xué)號:班級:土木學(xué)院 巖土工程教研室 2015.1.9學(xué)生實驗守則 一.每次實驗前必須做好復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)。復(fù)習(xí)的內(nèi)容為教科書上有關(guān)本次實驗的教學(xué)內(nèi)容；預(yù)習(xí)內(nèi)容包括仔細(xì)閱讀實驗指導(dǎo)書和熟悉實驗室有關(guān)儀器設(shè)備。 二.經(jīng)過預(yù)習(xí)應(yīng)掌握該項實驗的意義、目的、操作步驟。對輔導(dǎo)教師提出的檢查性問題，應(yīng)能回答，否則不得進(jìn)行實驗。三.實驗時態(tài)度應(yīng)嚴(yán)肅認(rèn)真，嚴(yán)格按輔導(dǎo)教師及實驗指導(dǎo)書上所講的操做步驟進(jìn)行實驗，每臺設(shè)備的操作應(yīng)按各設(shè)備的操作方法進(jìn)行，以免損壞設(shè)備或造成事故。非本次實驗使用的儀器設(shè)備不得亂動。四.每次實驗前由小組長填寫儀器設(shè)備領(lǐng)用單。實驗完畢后，應(yīng)將所用儀器設(shè)備

2、擦洗干凈，放回原處，經(jīng)小組長檢查，輔導(dǎo)教師驗收無誤后方可離開實驗室。如有損壞，應(yīng)填寫儀器設(shè)備損壞報告單，待后處理。五.實驗結(jié)束后，應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)提交實驗報告。實驗報告必須獨立完成。實驗報告的書寫、計算、制圖，公式、計算過程、單位齊全、清晰整齊。實驗成績是期終考核成績的一部分。 六.如實驗結(jié)果未能達(dá)到要求或因故未做實驗者，應(yīng)申請補做實驗，實驗室同意后，在指定日期內(nèi)進(jìn)行補做。 以上守則請同學(xué)們自覺遵守。實驗一 巖石單軸壓縮實驗一、實驗?zāi)康膸r石單軸壓縮是指巖石在單軸壓縮條件下的強度、變形和破壞特征。通過該實驗掌握巖石單軸壓縮實驗方法，學(xué)會巖石單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比的計算方

3、法；了解巖石單軸壓縮過程的變形特征和破壞類型。二、實驗設(shè)備、儀器和材料1. 鉆石機、鋸石機、磨石機；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；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，需在實驗結(jié)果加以

4、說明。2. 加工精度： (1) 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1-1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。 (2) 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。(3) 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1-2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

5、得接觸水面。 34121百分表 2-百分表架 3-試樣 4水平檢測臺圖1-1 試樣平行度檢測示意圖2311直角尺 2-試樣 3- 水平檢測臺圖1-2 試樣軸向偏差度檢測示意圖 四、電阻應(yīng)變片的粘貼圖1-3 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

6、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償半橋連接方式。4. 將試樣放置在試驗機的承壓板中心，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，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，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)

7、象，并對試樣破壞形態(tài)進(jìn)行描述。六、實驗結(jié)果整理1. 巖石單軸抗壓強度：式中： sC試樣單軸抗壓強度，MPa； P試樣破壞載荷，N； A試樣初始截面積，mm2。巖石單軸抗壓強度測定結(jié)果填入表1-1。表1-1 巖石單軸抗壓強度測定結(jié)果巖石名稱試件編號巖性描述試樣尺寸破壞載荷/kN抗壓強度 /MPaD×L/mm單值均值制作試塊150*100=5000271.44138.243130.7401250*100=5000261.37133.114350*100=5000326.50166.285450*100=5000167.5285.3172. 繪制巖石單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線實驗結(jié)束后檢查每一

8、組的實驗結(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、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：將單軸壓縮實驗記錄與計算結(jié)果填入表1-2。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。巖石試樣單軸壓縮實驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5-4。表1-2 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1-4 巖石單軸壓縮實驗

9、的應(yīng)力-應(yīng)變曲線3/10-3ABCD3. 彈性模量:根據(jù)巖石單軸壓縮實驗的應(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；

10、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1-3 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、實驗報告要求 實驗結(jié)束后認(rèn)真獨立填寫實驗報告，實驗報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：1. 實驗?zāi)康模?. 主要實驗儀器；3. 實驗步驟；4. 原始數(shù)據(jù)及實驗數(shù)據(jù)整理；5. 對本實驗的建議。八、注意事項1、當(dāng)試樣鄰近破壞時，需適當(dāng)放慢加荷速度，并事先設(shè)防護(hù)罩，以防止脆性堅硬巖石突然破壞時

11、巖屑飛射。2、在對試樣加荷載前，應(yīng)檢查試樣是否均勻受壓。3、在對試樣加荷載前，應(yīng)在試樣和試驗機接觸面處，涂抹凡士林或者黃油等，以減小接觸面處摩擦力。九、思考題1. 試驗機上為何要配備球形調(diào)節(jié)座？2. 影響單軸壓縮實驗結(jié)果的實驗因素有那些？ 3. 單軸壓縮破壞的類型有那幾種？ 實驗二 巴西劈裂實驗一、實驗?zāi)康膸r石抗拉強度是指巖石承拉伸條件下能夠承受的最大應(yīng)力值。通過該實驗使學(xué)生掌握采用巴西劈裂法測定巖石抗拉強度的方法，并與巖石抗壓強度進(jìn)行比較，從而了解脆性巖石材料的強度特點。二、實驗設(shè)備、儀器和材料 1. 鉆石機、鋸石機、磨石機；2. 游標(biāo)卡尺，精度0.02mm；3. 劈裂夾具；5. 鋼絲墊條，

12、用直徑為2.0 mm3.0 mm鋼絲；4. YE-300型液壓材料試驗機。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、 實驗原理巴西劈裂法測定巖石抗拉強度是國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法，對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(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

13、=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，但由于巖石抗拉強度遠(yuǎn)低于抗壓強度，一旦拉應(yīng)力達(dá)到試樣的抗拉強度時中心發(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2-1。1- 墊條； 2-加具座；3-試樣；4-加持螺釘圖2-1 劈裂法抗拉實驗加具示意圖12344. 把劈裂夾具放入試驗機的上、下承壓板之間，使試樣中心線和試驗機

14、的中心線在一條直線上。5. 開動試驗機，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、實驗結(jié)果整理 巖石抗拉強度：式中： RC試樣抗拉強度，MPa； P試樣破壞載荷，N； D試樣直徑（立方體試樣D為高度），mm；L試樣厚度，mm。 巖石抗拉強度測定結(jié)果填入表2-1。表2-1 巖石抗拉強度測定結(jié)果巖石名稱試樣編號巖性描述試樣尺寸破壞載荷/kN抗拉強度/MPaD×L/mm單值均值151.40*44.8014.804.093.91251.58*45.5013.783.74七、實驗報告要求 實驗結(jié)束后認(rèn)真

15、獨立填寫實驗報告，實驗報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：1. 實驗?zāi)康模?. 主要實驗儀器；3. 實驗原理；4. 實驗步驟；5. 原始數(shù)據(jù)及實驗數(shù)據(jù)整理；八、注意事項1、 試樣上、下兩根墊條應(yīng)與試樣中心面位于同一平面內(nèi)，以免產(chǎn)生偏心荷載2、 破壞面必須通過上、下兩加荷載線，若只產(chǎn)生局部破壞，須重新實驗。九、思考題1. 巖石抗拉強度為什么要重復(fù)進(jìn)行5次？2. 加載速度如何影響巖石抗拉強度？實驗三 巖體完整性系數(shù)測定一、實驗?zāi)康?1、判斷巖體中裂隙發(fā)育程度，對巖體進(jìn)行完整程度劃分2、計算準(zhǔn)巖體準(zhǔn)強度 準(zhǔn)巖體抗壓強度 準(zhǔn)巖體抗拉強度 3、計算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ） BQ=90+3cw+250 Kv （式中，cw

16、為巖石單軸飽水抗壓強度） 從而進(jìn)行巖體質(zhì)量分級 二、實驗設(shè)備、儀器和材料測量平臺； 巖石超聲波參數(shù)測定儀； 縱波換能器； 三、實驗原理根據(jù)巖石彈性波理論，在巖體介質(zhì)中，縱波波速約為橫波波速的1.61.7倍，所以可以利用聲波探測儀測定縱波在材料中的傳播速度。 巖體中往往包含有各種層面、節(jié)理和裂隙等結(jié)構(gòu)面，巖體中的這些結(jié)構(gòu)面在動荷載作用下產(chǎn)生變形，對巖體中的波動過程產(chǎn)生了一系列的影響，如反射、折射、繞射和散射等。尤其是繞射，聲波遇到巖體中的裂隙時發(fā)生繞射，影響走時，裂隙愈多速度就越小。 將室內(nèi)試驗獲得的巖塊中縱波速度 Vcl 和現(xiàn)場測得的巖體中縱波速度Vml 代入下面公式中，就算得到巖體完整性系數(shù)

17、(龜裂系數(shù)) 五、實驗結(jié)果整理表3.1 實驗結(jié)果處理樣品類型（巖體或巖塊）縱波（微秒）縱波均值（微秒）完整性系數(shù)巖塊10.8010.900.28510.8011.20巖體20.4020.4020.4020.40實驗四 巖石點荷載強度指標(biāo)測定一、實驗?zāi)康?巖石點荷載強度指標(biāo)是指巖石試樣在點荷載作用下破壞時承受點荷載強度指標(biāo)。通過該實驗使學(xué)生掌握巖石點荷載強度測定方法。 二、實驗設(shè)備、儀器和材料1. 鉆石機；2. 鋸石機；3. 游標(biāo)卡尺，精度0.02mm；4. 數(shù)顯式點荷載儀。三、試樣規(guī)格、加工精度、數(shù)量及含水狀態(tài)DL圖4-1 試樣長度和直徑示意圖1. 試樣規(guī)格：采用直徑為50 mm，高徑比約為0

18、.81.4的圓柱體，見圖4-1，對于試樣兩端面無特殊要求。 2. 試樣數(shù)量：試樣數(shù)量一般510個。3. 含水狀態(tài)：一般采用自然含水狀態(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天，以保持一定的濕度，但試樣不得接觸水面。四、實驗步驟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、分化程度、含水狀態(tài)等問題進(jìn)行描述。2. 用游標(biāo)卡尺測量試樣尺寸。3. 打開數(shù)數(shù)顯點荷載儀電源，調(diào)整加載間距。4. 選擇點荷載測量范圍，一般選020 kN。5. 將試樣放入點荷載儀的加載錐頭之間，并使接觸電與試樣兩端頭的距離大致相等。6. 關(guān)閉手動油泵的卸載閥，緩緩搖動油泵手臂均勻加載至試樣

19、破壞，一般試樣在10 s60 s內(nèi)破壞，記錄破壞載荷，并對試樣加載過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象和破壞后的試樣進(jìn)行描述。7. 破裂面貫穿整個試樣，如果破裂面僅通過一個加載點，判斷測定結(jié)果無效。五、巖實驗結(jié)果整理 1. 巖石試樣的點荷載指數(shù)IS:式中： IS試樣點荷載指數(shù)，MPa； P試樣破壞載荷，N； D加載間距，mm。2.點荷載指數(shù)的算術(shù)平均值式中： ISP試樣平均點荷載指數(shù), MPa； Isi第i個試樣點荷載指數(shù), MPa； n每組試樣個數(shù)。 3.點荷載指數(shù)的偏離度 式中： v偏離度； M點荷載指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，MPa巖石點荷載強度測定結(jié)果填入表4-1表4-1 巖石點荷載強度測定結(jié)果試件編號試樣規(guī)格/mm破

20、壞載荷/kN點荷載指數(shù)巖石抗拉強度巖石抗壓強度平均點荷載指數(shù)平均巖石抗拉強度平均巖石抗壓強度寬度W厚度D/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa126.40 14.32 3.71 18.092 17.368 200.185 16.38 15.73 185.72 226.82 14.92 3.09 13.881 13.326 164.109 322.38 14.62 3.14 14.690 14.103 171.235 424.92 14.80 3.46 15.796 15.164 180.813 526.08 14.76 3.49 16.020 15.379 182.728 626.0

21、0 14.80 3.69 16.846 16.172 189.755 728.64 14.82 3.47 15.799 15.167 180.838 830.06 14.72 3.90 17.999 17.279 199.413 928.70 14.40 3.65 17.602 16.898 196.106 1029.14 14.34 3.52 17.118 16.433 192.043 注：舍去兩個最高值，兩個最低值求平均值，結(jié)果保留三位小數(shù)六、思考題1. 巖石點荷載強度測定法的優(yōu)點在哪里？2. 影響點荷載強度測定結(jié)果的主要因素有哪些？實驗五 巖石聲波實驗一.實驗?zāi)康?在實驗室測試巖塊的縱波

22、和橫波速度，據(jù)此可計算巖塊的動彈性模量、動剪切模量、動泊松比等動彈性參數(shù)，并可用于判斷巖體的完整性。二.實驗原理在巖石試樣中的同測線上分別測量聲波的縱波和橫波傳播速度值，然后根據(jù)縱波、橫波速度與巖石以及變形參數(shù)間的關(guān)系，求得動彈性模量、動泊松比。 三.儀器設(shè)備1、 巖石超聲波參數(shù)測定儀2、 換能器：包括縱波換能器和橫波換能器，頻率范圍為50kHz1.5MHz3、 耦合劑，一般用黃油、凡士林4、 游標(biāo)卡尺：精度為0.02毫米四、實驗步驟1、試樣制備方法和加工精度同實驗一，試樣規(guī)格用直徑為50mm，高度為100mm的圓柱體或邊長為50mm，高度為100mm的方柱體，常用作巖石變形實驗或單軸壓縮強度實驗的試樣，先行測定其動力學(xué)參數(shù)。2、試樣尺寸測量及描述試樣尺寸測量方法同實驗一。試樣描述內(nèi)容包括：巖石名稱、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及風(fēng)化程度。3、儀器調(diào)試首先接通電源，開機預(yù)熱3-5分鐘，然后分別測試換能器系統(tǒng)的延遲時間，具體方法是：將發(fā)射、接受兩個換能器對