岩体力学实验指导书

《岩体力学》课堂实验指导书课程中文名称：岩体力学课程英文名称：RockMassMechanics课程编号：020060180适用专业：新能源科学与工程学时数：48学分数：3课程类别：专业课程应开课学期：第五学期实验一：岩石单轴压缩强度实验实验类型：综合型实验学时：2实验要求：5人/组一、实验目的1．岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征；2．通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，掌握岩石单轴抗压强度、弹性模量和泊松比的计算方法；3．了解岩石单轴压缩过程变形特征和破坏类型。二、实验内容1．实验设备、仪器和材料；2．试样的规格、加工精度、数量及含水状态；3．电阻应变片的粘贴；4．实验步骤；5．实验结果整理。三、仪器设备(1)钻石机、锯石机、磨石机；(2)游标卡尺，精度0.02mm；(3)直角尺、水平检测台、百分表及百分表架；(4)YE-600型液压材料试验机或RMT150C岩石力学试验机；(5)JN-16型静态电阻应变仪；(6)电阻应变片（BX-120型）；(7)胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度。国际上通常把单轴抗压强度表示为UCS，我国习惯于将单轴抗压强度表示为C，其值等于达到破坏时的最大轴向压力P除以试件的横截面积A。在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。本试验可分为电阻应变片法和千分表法适用于能制成规则试件的各类岩石坚硬和较坚硬的岩石宜采用电阻应变片法较软岩宜采用千分表法对于变形较大的软岩和极软岩可采用百分表测量变形。2．实验方法和步骤(1)测定前核对岩石名称和试样编号，并对岩石试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。(2)检查试样加工精度。并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。(3)电阻应变仪接通电源并预热数分钟后,连接测试导线，接线方式采用公共补偿半桥连接方式。(4)将试样放置在试验机的承压板中心，然后对纵向、横向应变片分别进行反复预调平衡或稳定后读取载荷为零时的初始值。(5)施加初载荷，检查试验机和应变片工作情况，正常后以0.05–0.10kN/s的加载速度均匀加载，每次间隔5kN–10kN读取相应载荷下的纵向应变和横向应变值，直至试样完全破坏。每个试样加载过程中读数不得少于7个点，要求相同载荷下的纵向应变、横向应变尽可能同时读出。(6)记录破坏载荷值及加载过程中出现的现象，并对试样破坏特征进行描述。五、实验结果处理(1)计算岩石的单轴抗压强度。根据岩石单轴抗压强度的计算公式，计算岩石的单轴抗压强度，并将其按要求填入试验报告纸中。(2)绘制岩石单轴压缩时的应力-应变曲线。根据岩石体积应变的计算公式，计算岩石试样的轴向应力、轴向应变、环向应变及体积应变等，并以轴向应力为横坐标，轴向应变、环向应变和体积应变为纵坐标绘制岩石单轴压缩时的应力-应变曲线。(3)根据岩石弹性模量和泊松比的定义，计算岩石的弹性模量和泊松比。(4)指出岩石单轴压缩时的破裂模式和破裂机制。六、实验注意事项1．岩石试样的加工制备应满足《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2019)》等相关国家标准；2．单轴压缩时加载速率的设置应满足《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2019)》等相关国家标准；3．试验过程中应准确详细描述岩石的名称、颜色、矿物成分、风化程度、层理裂隙及其与加载方向的关系、试样在制备过程中出现的问题、含水状态等。七、预习与思考题1．试验机上为何要配备球形调节座？2．影响单轴压缩实验结果的实验因素有那些？3．单轴压缩破坏的类型有那几种？实验二：岩石三轴压缩强度实验实验类型：综合型实验学时：2实验要求：5人/组一、实验目的1．岩石常规三轴压缩实验是指岩石试样在轴对称应力组合方式（1>2=3）的三轴压缩实验。2．通过该实验使学生掌握岩石常规三轴实验方法，依据岩石三轴实验结果学会计算出岩石的内摩擦角与黏聚力c，绘制出岩石的强度曲线，进一步理解岩石的强度准则。二、实验内容1．实验设备、仪器和材料；2．试样的规格、加工精度、数量及含水状态；3．电阻应变片的粘贴；4．实验步骤；5．实验结果整理。三、仪器设备(1)钻石机、锯石机、磨石机；(2)游标卡尺，精度0.02mm；(3)干燥器；(4)直角尺、水平检测台、百分表及百分表架；(5)YE-2000型液压材料试验机；(6)三轴室，三轴液压源；(6)热缩管、胶带、密封圈等。四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度。与单轴压缩试验相比，试样除受轴向压力外，还受侧向压力，侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限制性抗压强度试验。在测定三轴压缩强度的同时，也可同时进行变形试验。2．实验方法步骤(1)测定前核对岩石名称和试样编号，并对试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。(2)检查试样加工精度，并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。(3)依据实验目的和要求选取围压值，可以参照埋深而定。一般围压取5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa。(4)选择试验机量程，一般应满足0.2P0<Pmax<0.8P0，式中：P0为试验机最大量程，kN；Pmax为预计试样最大破坏载荷，kN。(5)施加初载荷，检查试验机和应变片工作情况，正常后以0.05–0.10kN/s的加载速度均匀加载，每次间隔5kN–10kN读取相应载荷下的纵向应变和横向应变值，直至试样完全破坏。每个试样加载过程中读数不得少于7个点，要求相同载荷下的纵向应变、横向应变尽可能同时读出。试样防油处理，首先把钢垫块端部擦净，将试样置于上、下垫块之间，使三者中心为一条直线，再将试样与垫块套上热缩管，热缩管长度稍大于试样高度，用吹风机缓慢加热热缩管，并再用密封胶带固定试样两端。(6)安装试样，打开三轴室上压盖，再将制备好的试样下垫块置下放入三轴室底座中心，依次将压力室活塞，锁紧压盖和压头安装到位，将装有试样的三轴压力室放入试验机的下承压板上，并使压力室的中心与试验机的中心一致。(7)注油排气，打开压力室的排气阀，启动手动油泵向压力室注油排气，当压力室排气阀有油排除时关闭排气阀。(8)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10cm左右，关闭送油阀，然后调整试验机上承压板位置与压力室的上压头接触。打开送油阀3周缓缓给试样施加50kN的纵向载荷固定试样。(9)施加围压，摇动手泵缓缓施加围压到指定值约稳定数2分钟后，使围压保持恒定时，变动范围不应超过选定的2%。(10)再以1.0kN/s～2.0kN/s的加载速度均匀加载，直至试样破坏，打开试验机的回油阀卸轴压。(11)纪录破坏载荷及围压值。打开三轴室的放气阀，卸掉上压头和压盖取出试样，描述破坏类型。五、实验结果处理(1)计算一定侧压力作用下岩石的压缩强度。根据岩石压缩强度的计算公式，计算岩石的三轴压缩强度，并将其按要求填入试验报告纸中。(2)在平面直角坐标系绘制3–1的应关系曲线。根据最小二乘法进行线性回归，计算该直线的斜率和截距，并根据直线斜率和截距与岩石黏聚力和内摩擦角的关系，获得岩石的内摩擦角和黏聚力。(3)根据不同围压与其对应的压缩强度，绘制不同受力状态下的莫尔圆及其包络线。(4)指出岩石三轴压缩时的破裂模式和破裂机制。六、实验注意事项1．岩石试样的加工制备应满足《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2019)》等相关国家标准；2．岩石三轴压缩时加载速率的设置应满足《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2019)》等相关国家标准；3．试验过程中应准确详细描述岩石的名称、颜色、矿物成分、风化程度、层理裂隙及其与加载方向的关系、试样在制备过程中出现的问题、含水状态等。七、预习与思考题1．三轴实验过程中主要主意事项有哪几项？2．通过三轴实验说明岩石承载能力与哪些因素有关？3．你对本次实验的建议和意见。实验三：岩石抗拉强度实验（巴西劈裂）实验类型：综合型实验学时：2实验要求：5人/组一、实验目的1．岩石抗拉强度是指岩石承拉伸条件下能够承受的最大应力值；2．通过该实验使学生掌握采用巴西劈裂法测定岩石抗拉强度的方法，并与岩石抗压强度进行比较，从而了解脆性岩石材料的强度特点。二、实验内容1．实验设备、仪器和材料；2．试样的规格、加工精度、数量及含水状态；3．电阻应变片的粘贴；4．实验步骤；5．实验结果整理。三、仪器设备(1)钻石机、锯石机、磨石机；(2)游标卡尺，精度0.02mm；(3)劈裂夹具；(4)钢丝垫条，用直径为2.0mm～3.0mm钢丝；(5)YE-300型液压材料试验机。四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理巴西劈裂法测定岩石抗拉强度是国际岩石力学学会标准推荐的方法，对称圆盘试样受集中载荷P的作用下，依据弹性理论得知，圆盘加载直径上任一点(0，y)的应力状态为： (3-1) (3-2)式和中：P—试样载荷，N；D——试样直径，mm；L——试样厚度，mm。在试样中心处y的应力状态为： (3-3) (3-4)由式和可得出，圆盘试样中心处压应力是拉应力的倍，但由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，一旦拉应力达到试样的抗拉强度时中心发生破坏，通常认为拉应力对破裂起主导作用。2．实验方法和步骤(1)测定前核对岩石名称和试样编号，并对试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。(2)用游标卡尺测量试样直径和厚度，保留两位小数。(3)将试样放置劈裂夹具内，再用V型卡具及两侧夹持螺钉固定好试样。(4)把劈裂夹具放入试验机的上、下承压板之间，使试样中心线和试验机的中心线在一条直线上。(5)开动试验机，松开劈裂夹具两侧夹持螺钉，然后以0.05kN/s～0.10kN/s的加载速度均匀加载，直至破坏。(6)记录破坏面通过两条加载基线试样的破坏载荷，描述破坏类型。五、实验结果处理(1)岩石抗拉强度的计算公式为： (3-5)式中：RL—试样抗拉强度，MPa；P—试样破坏载荷，N；D—试样直径，mm；L—试样厚度，mm。(2)指出岩石巴西劈裂时的破裂模式和破裂机制。六、实验注意事项1．巴西圆盘的加工制备应满足《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2019)》等相关国家标准；2．巴西劈裂时加载速率的设置应满足《水利水电