《岩体工程力学》实验指导书-2012

1、岩石力学实验指导书河南理工大学能源学院 采矿工程实验室 2012.9.10 煤和岩石物理力学性质测定的采样一般规定1、 在选择采样方法时，以及在采样操作过程中，应使试样原有结构和状态尽量不受破坏，一般采用打钻取样，也可以在巷道中或回采工作面采空区及煤壁直接采样。2、 采样地点应该符合研究的目的要求，并应特别注意岩（煤）样的代表性。在研究某一局部地点的岩石性质时，应在所研究地点附近，找具有代表性的采样点采样；在研究较大范围内的岩石性质时，应根据岩性变化情况，分别在几个具有代表性的采样点采样；当沿层厚变化较大时应分别在上、中、下不同部位采样。每组岩（煤）样应采自岩性相同的同一层位。对岩性变化很大的

2、岩层，禁止将在不同地点和不同部位采取的岩（煤）样编为一组。3、 钻孔取样应尽量垂直层面打钻，偏斜不大于5。有特殊困难不能做到上述要求，应注明偏斜角度。尽量不采样爆破方法采样，以产生大量人为裂隙。如只能用爆破方法时，也应降低炮眼的装药量，以减小其影响。所采煤块和岩块的规格大体为长宽高20cm20cm15cm的立方体。4、 采样时应有专人做好岩（煤）样描述记录和编号工作。岩块岩样编号方式采用，等标记，其中罗马数字表示煤层别，前一个阿拉伯数字表示煤层顶板（底板）之第几层，后一个阿拉伯数字表示该岩层之第几块岩样。阿拉伯字在上（分子）表示为顶板岩样，在下（分母）表示底板岩样。煤块煤样编号方式可采用（II

3、-1），（II-2），罗马数字表示煤层别，阿拉伯数字表示第几块煤样。钻孔采样时应附柱状图，岩芯岩（样）编号可采用柱状图上的岩层层序号。编号用颜色漆写在岩（煤）样上，同时在岩（煤）样上用符号“ ”表明其层理方向。5、 每组煤样或岩样的数量，应满足试样制备的需要，按要求测定的项目确定。考虑到加工是的损耗以及偏离度大于20是试样数量要适当增高等因素，采样时一般应按表列数量的两倍采取。对于软岩，采样数量还应该更大一些。6、 煤样或岩样采好后，迅即用纸包好，写上编号，运到井上后立即浸蜡整体封固。对松软吸水风化的煤和岩石最好能在井下立即包装封固。7、 试样封固后装入上下四周均填塞木屑的木箱内，编号发运到实

4、验单位岩（煤）样送验单地质时代及说明柱状图层次累厚层厚煤岩名称岩性描述采样地点采样日期采样方法采样深度岩芯总长度分段编号分段长度岩煤样编号实验目的和要求备注1234567891011121314151617注：1、简要地质说明包括采样地点及其附近地质构造，裂隙和节理情况；2、岩性描述填写，岩石主要充分，颜色，颗粒，胶结物，岩（煤）层沿厚度岩性变化；3、柱状图应该做出详细分层；4、非钻孔取样时，本表2，4，12三栏取消，13改为岩（煤）样块数编号，14改为岩（煤）样规格。各项实验所需标准试样尺寸与最低数量表测定项目标准试样尺寸，cm标准试样数量备 注真密度岩粉300g可用测视密度的试样粉碎视密度

5、，吸水性和含水率用量积法测视密度时，可采用测定力学性质的试件，用不规则的试样时，可用加工规则试样时剩余的边角料单向抗压强度直径5，高103个每个煤、岩块尺寸不小于10cm。在上中下部位采取变形参数直径5，高103个单向抗拉强度直径5，高2.55个抗剪实验(变角法)5559个抗剪实验直径2.5，高103个三轴实验直径5，高105个坚固性系数煤块6个膨胀率高2，径高比2.53个膨胀应力高2，径高比2.53个耐崩解性大致球形40-50一个450g点荷载强度直径5，高径比0.8-1.45个规则实验双点间距0.3-0.515不规则实验实验一 岩石单轴压缩实验一、实验目的：1. 掌握岩石单轴抗压强度、弹性

6、模量、泊松比的测定方法。2. 了解岩石单轴压缩过程的变形特征。3. 了解岩石的破坏类型。二、实验设备、仪器和材料1. 试件加工设备：钻石机、锯石机、磨石机。2. 检测工具：游标卡尺（精度0.02mm）、直角尺、水平检测台、百分表及百分表架。3. 实验设备及仪器：YE-600型液压材料试验机；静态电阻应变仪。4. 实验材料：电阻应变片（BX-120型），胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。三、石试件的规格、加工精度、数量及含水状态1. 试件规格：标准试件均采用垂直于岩石层理的方向钻取，直径为50（-0.2+0.6）mm，高径比为2（-0.2+0.2）的圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用5

7、0mm50mm100mm的立方体，对于砾岩等大颗粒岩石，试件尺寸应放大，其直径应大于岩石最大颗粒尺寸的10倍，高径比不小于1.8；由于特殊原因（岩石松软）不能制取标准试件时，可采用非标准试件，需在实验结果加以说明。2. 试件加工精度： a 平行度：试件两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图1-1所示，将试件放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表的测头紧贴试件表面，然后水平移动试件百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差：试件两端的直径偏差不得大于0.2mm，用游标卡尺检查。34121百分表 2-百分表架 3-试件 4水平检测台图1-1 试件平行度检测示意图 c 轴向偏差

8、：试件的两端面应垂直于试件轴线。检测方法如图1-2所示，将试件放在水平检测台上，用直角尺紧贴试件垂直侧边，转动试件两者之间无明显缝隙。2311直角尺 2-试件 3- 水平检测台图1-2 试件轴向偏差度检测示意图 3.试件数量： 每种状态下同一层煤、岩试件的数量一般不少于3个，当实验目的对试件数量有专门要求时，试件的数量可根据实验目的的要求另行确定。 4.试件的含水状态： a.自然含水状态：试件制成后，放在底部有水的干燥器内12天，以保持一定的湿度，但试件不得接触水面。 b.干燥状态：将试件放在105110的烘箱内干燥24小时。 c.其他含水状态按委托单位的要求确定，在实验报告中加以说明。四、电

9、阻应变片的粘贴1.应变片的检查：要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电阻值一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超过0.5欧姆。2.粘贴位置确定：纵向和横向应变片均粘贴在试件中部，尽可能避开裂隙，节理等弱面，每个试件纵向和横向各贴一片。3.电阻片粘贴工艺：试件表面清洗处理涂胶贴片固化处理焊接导线防潮处理。五、实验步骤1. 测定前核对岩石名称和试件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等问题进行描述。2. 检查试件加工精度，测量试件尺寸，一般在试件中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。3. 将电阻应变仪接通电源并预热数分钟后, 连接测试导线，接线方式采用半桥连接。4.

10、 将试件放置在实验机的承压板中心，调整试件位置和球形座，使试件上表面与上承压板接触均匀，然后纵、横应变片分别进行反复预调平衡。5. 施加初载荷，检查试验机和应变片工作情况，正常后以0.20.3 kN/s的加载速度均匀加载，按估计破坏载荷的十分之一间隔读数，纪录相应载荷下的应变值，直至试件完全破坏。每个测试过程读数不得少于7个点，同一试件的纵、横应变值尽可能同时读出。6. 记录破坏载荷值以及加载过程中出现的现象，并对试件的破坏形态进行描述。六、实验结果 1. 单轴抗压强度： 式中： RC试件单轴抗压强度，Pa； P试件破坏载荷，N； S试件初始截面积，m2。岩石单轴抗压强度测定结果填入表1-1。

11、 表1-1 单轴抗压强度测定结果岩石名称 试 件编 号岩 性描 述试件尺寸破坏载荷(kN)抗压强度 MPaDL(mm)单值均值2. 岩石单轴压缩应力-应变曲线绘制：检测实验结果，废弃可疑数据，分别计算应力值，纵向应变1、横向应变2以及体积应变值v，体积应变值按下式计算： 计算结果填入表1-2。以轴向应力为纵坐标，以应变为横坐标描出各测点并光滑连接各测点。岩石试件单轴压缩的应力-应变曲线如图1-3。表1-2 岩石试件变形测定纪录试件编号 载荷（KN）项目1020204050607080901001101轴向应力（MPa）纵向应变1横向应变2体积应变v2轴向应力（MPa）纵向应变1横向应变2体积应

12、变v3轴向应力（MPa）纵向应变1横向应变2体积应变v1-21-v1-11/10-3 1/MPa图1-3 岩石试件单轴压缩的应力-应变曲线3/10-3ABCD1.02.03.04.05.0-1.02.0-3.00.0202060801003.弹性模量: 根据各岩石试件单轴压缩的应力-应变曲线计算弹性模量，由于岩石压缩过程中各个阶段的变形情况有所不同，弹性模量分为切线模量E（弹性模量）和割线模量E50（变形模量），其值分别以下式计算： 式中： 应力-应变曲线中直线段的应力增量，MPa；应力-应变曲线中直线段的应变增量；岩石的单向抗压强度的50%的应力值，MPa； 岩石试件承受应力时的纵向应变值。

13、4.泊松比:岩石在单轴压缩过程中纵向变形的同时横向也发生相应变形，把应力-纵向应变和应力-横向应变两曲线上对应直线段纵向应变和横向应变的平均值计算泊松比：式中：岩石的泊松比；应力-纵向应变曲线中对应直线段部分的应变的平均值； 应力-横向应变曲线中对应直线段部分的应变的平均值。岩石的弹性模量E、变形模量E50及泊松比测定结果填入表1-3：表1-3 岩石的弹性模量E、变形模量E50及泊松比测定结果岩石名称试件编号岩 性描 述弹性模量E（GPa）变形模量E50（GPa）泊松比单值均值单值均值 单值均值 七、回答问题1. 试验机上为何要配备球形调节座？2. 影响实验结果的实验因素有那些？ 3. 岩样的

14、描述主要包括那些内容？4. 岩样破坏的类型有那几种？5. 你对本实验的建议和意见。 实验二 岩石抗拉强度测定一、实验目的：掌握用劈裂法测定岩石抗拉强度的测定方法，并与岩石的抗压强度作比较，从而了解岩石的强度特点。二、实验设备和量具 1.试件加工设备：钻石机、锯石机、磨石机。2.检测工具：游标卡尺（精度0.02mm），直角尺、水平检测台、百分表及百分表架。3.实验设备及仪器：YE-600型液压材料试验机；劈裂夹具。 三 、试件的规格、加工精度、数量及含水状态1.试件规格：标准试件均采用垂直于岩石层理的方向钻取，直径为50（-0.2+0.6）mm，25（-0.2+0.2）mm盘体试件，对于一些裂隙

15、比较发育的试样，可采用50mm50mm25mm的立方体试件。 2.试件加工精度、数量和含水状态与同实验一的要求相同。四、实验步骤1. 测定前核对岩石名称和试件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、分化程度、含水状态等问题进行描述。2. 检查试件加工精度，测量试件尺寸。3. 通过试件直径的两端，沿轴线画两条相互平行的线作为加载基线。将岩石试件放置劈裂夹具内，加具的上、下刀刃对准加载基线，用两侧加持螺钉固定好试件如图2-1。4. 把夹好的试件放入试验机的上、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，调整试件位置和球形座，使刀刃与试件均匀接触。5. 开动试验机，松开劈裂夹具两侧的加

16、持螺钉，然后以0.030.05kN/s的加载速度均匀加载，直至破坏。6. 记录破坏载荷，观测破坏类型描述。若破裂面没有通过加载基线，舍去该值。六、实验结果 1. 岩石单向抗拉强度： 式中： RC试件单轴抗拉强度Pa； P试件破坏载荷，N； D试件直径（方试件D为高度），m；L试件厚度，m。 岩石单向抗拉强度测定结果填入表2-1。表2-1 岩石单向抗拉强度测定结果岩 石名 称试件编号岩 性描 述试件尺寸破坏载荷(kN)抗拉强度 MPaDL(mm)单值均值七、回答问题1. 岩石的抗拉强度有哪几种测定方法，各自特点？2. 你认为影响抗拉强度实验结果的因素有那些？3. 你对本次实验的建议和意见。 实验

17、三 岩石的三轴压缩实验一、实验目的：掌握岩石在轴对称应力组合方式（12=3）应力条件下的三轴实验方法，并能根据实验结果计算出岩石的内摩擦角与粘结力，绘制出岩石的强度曲线。二、实验设备、仪器和材料1. 试件加工设备：钻石机、锯石机、磨石机。2. 检测工具：游标卡尺（精度0.02mm）、直角尺、水平检测台、百分表及百分表架。3. 实验设备及仪器：YE-2000型液压材料试验机；三轴压力室；三轴液压源。4. 实验材料：塑料热缩管、密封胶带等。三、石试件的规格、加工精度、数量及含水状态1. 试件规格：标准试件均采用垂直于岩石层理的方向钻取，直径为50（-0.2+0.6）mm，高径比为2（-0.2+0.

18、2）的圆柱体。2. 试件加工精度和含水状态：试件加工精度与实验一相同。3. 试件数量：每种岩石同一状态下，每个参数实验的试件数量一般不少于5试件做不同围压下的三轴压缩实验。三、 实验步骤。1. 测定前核对岩石名称和试件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等问题进行描述。 2. 检查试件加工精度，测量试件尺寸，一般在试件中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。3. 围压力的选择应与所研究的范围内实际情况选定，一般可根据岩层在矿井所处的深度或原岩应力状况来确定围压的范围（5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa）。 4. 选择试验机度盘，一般应满足 0.2P0

19、Pmax0.8P，选600 kN。式中：P0试验机度盘的最大值，kN；Pmax预计试件最大破坏载荷，kN。5. 试件的安装,把上、下垫块端面擦净，将试件置于上、下垫块之间使三者中心为一条直线，将试件与垫块套塑料热缩管，用吹风机加热塑料热缩管包裹试件，塑料热缩管与垫块间用胶布缠紧，并再用密封圈固定试件两端见图4-1。打开三轴压力室上压盖，再将制备好的试件下垫块置下放入三轴压力室底座中心，上好压力室顶盖活塞，然后打开压力室的放气阀，启动围压油泵向压力室注油排气，当压力室有油排除时关闭排气阀。再将装有试件的三轴压力室放入试验机下承压板上，并使三轴压力室的中心与试验机的中心一致。12341上垫块；2密

20、封圈；3岩石试件；4下垫块图4-1 试件防油安装示意图6. 接通电源，开动开压力机，打开送油阀，使压力机的下承压板的拖轮离开轨道510mm左右，关闭送油阀，调整试验机上承压板位置与压力室的上压头接触，缓缓打开送油阀施加50 kN的纵向载荷固定试件.7. 施加围压，缓缓施加围压到指定值，稳定数分钟后，使围压保持恒定时，要求变动范围不应超过选定的2%。8. 以0.51.0 kN/s的加载速度均匀加载，直至试件破坏，立即打开液压泵的卸载阀卸围压，再打开试验机的回油阀卸轴压，纪录破坏载荷及对应围压值。9. 打开压力室的放气阀，卸掉上压盖取出试件，破坏类型描述。 四、 实验结果计算与整理1.计算一定侧压

21、力作用下岩石的抗压强度1max： 式中： 1max在一定围压作用下的岩石抗压强度，Pa； P纵向破坏载荷，N； F受压试件初始截面积，m2。图4-2 围压与轴向应力关系曲线 2. 计算内摩擦角和粘结力。在直角坐标系绘制围压力3与轴向抗压强度1max的关系曲线图4-2， 对各测点进行线性回归，计算出其斜率m和纵轴上的截距b,即线性方程，其中m和b可用下式计算： 根据库伦摩尔准则，岩石的内摩擦角和粘结力c可利用参数m和b按下式计算： 图4-3 岩石三轴试验摩尔园及包络线 6. 绘制摩尔园及其包络线：在相同比例的直角坐标系内，选取35个3值，用回归后的直线方程计算出相应的1值。分别以（3+1）/2，

22、0为圆心，以（1-3）/2为半径绘制出一组摩尔圆，摩尔圆的外包络线即为该组岩石的强度曲线，包络线在Y轴上的截距为粘结力，与X轴的夹角为内摩擦角。岩石三轴压缩实验结果填入表4-1。 表4-1 三轴压缩实验结果岩石名称编号岩性描述试件尺寸3/MPa破坏载荷/kN1maxMPamb/MPa内摩擦角/度凝聚力c/ MPaDL/mm12345五、 回答问题1. 影响实验结果的实验因素有那些？2. 三轴实验过程中主要主意事项有哪几项？3. 通过三轴实验说明岩样的承载能力与哪些因素有关？4. 你对本次实验的建议和意见。实验四、伺服试验机演示实验一、实验目的：1. 熟悉岩石伺服试验机的基本功能；2. 了解岩石

23、服试验机的基本实验方法。二、试验系统简介： RMT-150B电液伺服控制岩石力学试验系统是专为岩石和混凝土一类的工程材料进行力学性能设计的。具有轴向压缩和水平剪切两种加载方式。最大轴向载荷为100吨，最大剪切载荷50吨，该系统试验功能齐全，操作方便，自动化程度高，试验完全在计算机控制下进行。试验过程中，可以进行干预，转换控制方式和试验参数；也可以预先设置试验步骤，由计算机自动完成，试验数据自动采样，实时显示，试验结束后，系统可自动退出到初始状态，并能方便地给出试验结果，可输出各种图表和原始试验数据。三、系统功能： 主要功能：可以进行单轴压缩试验、三轴压缩试验、间接拉伸试验、直接拉伸试验、剪切试

24、验和疲劳等试验。四、控制方式： 控制方式：力控制、位移控制和行程控制。五、系统组成： 主要组成：控制计算机、伺服控制器、三轴液压源、液压动力源、主加载架。 六 系统附件：主要附件：三轴液压室、上、下剪切盒、滚轴板、直接拉伸装置、间接拉伸装置、承压座和垫板等。七、伺服控制原理：在计算机上设定的数字控制值，由伺服控制器转换成电信号驱动伺服阀动作，使加载油缸动作同时位移传感器或力传感器采集位移或力值，再由伺服控制器转换成数字信号，两者的差值，再经伺服控制器转换成电信号对伺服阀进行调整，直到满足设定的控制条件。 实验五 岩石点荷载强度实验一、实验目的： 1. 掌握煤和岩石试件点荷载强度测定方法。2.

25、了解煤和岩石抗压强度、抗拉强度与点荷载强度的折算关系。二 实验设备、仪器1. 试件加工设备：钻石机、锯石机。2. 检测工具：游标卡尺；3. 实验设备：数显式点荷载仪。 三 岩石试件的规格、加工精度、数量及含水状态1. 试件规格： 试件采用圆柱体，垂直层理钻取。直径为50（-0.2+0.6）mm，高径比为0.81.4的圆柱体，对于两端面无特殊要求。 2. 试件数量：每个参数实验的试件数量一般510试件。3. 试件的含水状态：一般采用自然含水状态，其他含水状态加以说明。四、实验步骤1. 测定前核对岩石名称和试件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、分化程度、含水状态等问题进行描述。2. 用游标卡尺测量试件尺寸。3. 接通数数显点荷载仪电源，调整加载间距。4. 选择点荷载测量范围，一般选020 kN。5. 将试件放