巖體力學(xué)實驗指導(dǎo)書

《巖體力學(xué)》課堂實驗指導(dǎo)書課程中文名稱：巖體力學(xué)課程英文名稱：RockMassMechanics課程編號：020060180適用專業(yè)：新能源科學(xué)與工程學(xué)時數(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)期實驗一：巖石單軸壓縮強(qiáng)度實驗實驗類型：綜合型實驗學(xué)時：2實驗要求：5人/組一、實驗?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．通過該實驗掌握巖石單軸壓縮實驗方法，掌握巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比的計算方法；3．了解巖石單軸壓縮過程變形特征和破壞類型。二、實驗內(nèi)容1．實驗設(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．實驗步驟；5．實驗結(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、水平檢測臺、百分表及百分表架；(4)YE-600型液壓材料試驗機(jī)或RMT150C巖石力學(xué)試驗機(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，測試導(dǎo)線等。四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗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。國際上通常把單軸抗壓強(qiáng)度表示為UCS，我國習(xí)慣于將單軸抗壓強(qiáng)度表示為C，其值等于達(dá)到破壞時的最大軸向壓力P除以試件的橫截面積A。在測定單軸抗壓強(qiáng)度的同時，也可同時進(jìn)行變形試驗。本試驗可分為電阻應(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硬和較堅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于變形較大的軟巖和極軟巖可采用百分表測量變形。2．實驗方法和步驟(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(bǔ)償半橋連接方式。(4)將試樣放置在試驗機(jī)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)平衡或穩(wěn)定后讀取載荷為零時的初始值。(5)施加初載荷，檢查試驗機(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。每個試樣加載過程中讀數(shù)不得少于7個點，要求相同載荷下的縱向應(yīng)變、橫向應(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)象，并對試樣破壞特征進(jìn)行描述。五、實驗結(jié)果處理(1)計算巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度的計算公式，計算巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，并將其按要求填入試驗報告紙中。(2)繪制巖石單軸壓縮時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)巖石體積應(yīng)變的計算公式，計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，計算巖石的彈性模量和泊松比。(4)指出巖石單軸壓縮時的破裂模式和破裂機(jī)制。六、實驗注意事項1．巖石試樣的加工制備應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)；2．單軸壓縮時加載速率的設(shè)置應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)；3．試驗過程中應(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、試樣在制備過程中出現(xiàn)的問題、含水狀態(tài)等。七、預(yù)習(xí)與思考題1．試驗機(jī)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：巖石三軸壓縮強(qiáng)度實驗實驗類型：綜合型實驗學(xué)時：2實驗要求：5人/組一、實驗?zāi)康?．巖石常規(guī)三軸壓縮實驗是指巖石試樣在軸對稱應(yīng)力組合方式（1>2=3）的三軸壓縮實驗。2．通過該實驗使學(xué)生掌握巖石常規(guī)三軸實驗方法，依據(jù)巖石三軸實驗結(jié)果學(xué)會計算出巖石的內(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、實驗內(nèi)容1．實驗設(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．實驗步驟；5．實驗結(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、水平檢測臺、百分表及百分表架；(5)YE-2000型液壓材料試驗機(jī)；(6)三軸室，三軸液壓源；(6)熱縮管、膠帶、密封圈等。四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理巖石在三向壓縮荷載作用下，達(dá)到破壞時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，因而三軸試驗是限制性抗壓強(qiáng)度試驗。在測定三軸壓縮強(qiáng)度的同時，也可同時進(jìn)行變形試驗。2．實驗方法步驟(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)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)依據(jù)實驗?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)選擇試驗機(jī)量程，一般應(yīng)滿足0.2P0<Pmax<0.8P0，式中：P0為試驗機(jī)最大量程，kN；Pmax為預(yù)計試樣最大破壞載荷，kN。(5)施加初載荷，檢查試驗機(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。每個試樣加載過程中讀數(shù)不得少于7個點，要求相同載荷下的縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變盡可能同時讀出。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機(jī)的下承壓板上，并使壓力室的中心與試驗機(jī)的中心一致。(7)注油排氣，打開壓力室的排氣閥，啟動手動油泵向壓力室注油排氣，當(dāng)壓力室排氣閥有油排除時關(guān)閉排氣閥。(8)接通電源，開動開壓力機(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，變動范圍不應(yīng)超過選定的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、實驗結(jié)果處理(1)計算一定側(cè)壓力作用下巖石的壓縮強(qiáng)度。根據(jù)巖石壓縮強(qiáng)度的計算公式，計算巖石的三軸壓縮強(qiáng)度，并將其按要求填入試驗報告紙中。(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的破裂模式和破裂機(jī)制。六、實驗注意事項1．巖石試樣的加工制備應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)；2．巖石三軸壓縮時加載速率的設(shè)置應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)；3．試驗過程中應(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、試樣在制備過程中出現(xiàn)的問題、含水狀態(tài)等。七、預(yù)習(xí)與思考題1．三軸實驗過程中主要主意事項有哪幾項？2．通過三軸實驗說明巖石承載能力與哪些因素有關(guān)？3．你對本次實驗的建議和意見。實驗三：巖石抗拉強(qiáng)度實驗（巴西劈裂）實驗類型：綜合型實驗學(xué)時：2實驗要求：5人/組一、實驗?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．通過該實驗使學(xué)生掌握采用巴西劈裂法測定巖石抗拉強(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。二、實驗內(nèi)容1．實驗設(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．實驗步驟；5．實驗結(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型液壓材料試驗機(jī)。四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理巴西劈裂法測定巖石抗拉強(qiáng)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： (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。2．實驗方法和步驟(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機(jī)的上、下承壓板之間，使試樣中心線和試驗機(jī)的中心線在一條直線上。(5)開動試驗機(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)記錄破壞面通過兩條加載基線試樣的破壞載荷，描述破壞類型。五、實驗結(jié)果處理(1)巖石抗拉強(qiáng)度的計算公式為： (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的破裂模式和破裂機(jī)制。六、實驗注意事項1．巴西圓盤的加工制備應(yīng)滿足《水利水電工程巖石試驗規(guī)程(SL264-2019)》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)；2．巴西劈裂時加載速率的設(shè)置應(yīng)滿足《水利水電