巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程作業(yè)

實(shí)驗(yàn)一、測定巖石三軸壓力條件下的強(qiáng)度與變形參數(shù)一、基本原理巖石三軸壓力條件下的強(qiáng)度與變形參數(shù)主要有：三軸壓縮強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力已及彈性模量和泊松比。室內(nèi)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)是將巖石試樣放在一密閉容器內(nèi)，施加三向應(yīng)力至試件破壞，在加壓過程中同時(shí)測定不同荷載下的應(yīng)變值。繪制出（σ1-σ3）--ε應(yīng)變關(guān)系曲線以及強(qiáng)度包絡(luò)線，求得巖石的三軸壓縮強(qiáng)度（σ1）、內(nèi)摩擦角（φ）、內(nèi)聚力（c)以及彈性模量（E）和泊松比（μ）等參數(shù)。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)的不同，可將三軸壓縮實(shí)驗(yàn)分為真三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力狀態(tài)為：σ1≠σ2≠σ3>0；及假三軸壓縮實(shí)驗(yàn)（或稱等側(cè)壓三軸壓縮實(shí)驗(yàn)),應(yīng)力狀態(tài)為σ1>σ2=σ3>0；而我們采用假三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。二、儀器設(shè)備（1）巖石三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)由如下部分組成。三軸應(yīng)力室（圖3-18）：由壓力室缸體、進(jìn)油口、傳力壓桿等組成。要求傳力桿端面光滑平整，平整度應(yīng)變?yōu)?.005mm。軸向加載系統(tǒng)：由主體、電動(dòng)高壓電泵及控制臺(tái)等組成，要求該系統(tǒng)有足夠的噸位，并能連續(xù)加荷，另外上、下承壓板需相互平行，其中之一配有球面座，軸向荷載約5000kN。側(cè)向加載系統(tǒng)：由控制臺(tái)、電動(dòng)油泵、增壓器和高壓輸油管組成，該機(jī)最大側(cè)向壓力可達(dá)150MPa。如無專門的三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，也可以用普通的壓力機(jī)，配上符合要求的簡易三軸應(yīng)力室和手搖油泵（側(cè)向加載裝置）代替。試樣制備設(shè)備：鉆石機(jī)、切石機(jī)、磨石機(jī)等。變形量測設(shè)備：百分表及表座或電阻應(yīng)變儀，電阻應(yīng)變片等。烘箱、干燥箱、煮沸設(shè)備或真空抽氣設(shè)備。其他：卡尺、乳膠套等。三、操作步驟1、試樣制備（1）試樣規(guī)格：采用直徑為5㎝、高為10㎝或直徑為10㎝、高為20㎝的圓柱體。（2）試樣加工精度：試樣周邊應(yīng)光滑，沿整個(gè)高度上的直徑誤差不超過0.3㎜；試樣端面不平整小于0.2㎜，兩端面不平整度最大不超過0.05㎜；試樣端面應(yīng)垂直于試樣軸線，其最大偏差不應(yīng)超過0.25°。（3）試件數(shù)量：視實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、受力方向和含水狀態(tài)等要求而定，每種受力方向和含水狀態(tài)需制備5～7塊。2、試樣描述和尺寸量測描述內(nèi)容包括：巖石名稱、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分等巖性特點(diǎn)以及試件形態(tài)、結(jié)構(gòu)面情況及與加荷方向的關(guān)系等。用卡尺測量試件上、中、下三個(gè)斷面的直徑及高，取其平均值作為試件的直徑，并計(jì)算試件的斷面積，取平均高作為試件高。試樣處理（1）按實(shí)驗(yàn)要求的含水狀態(tài)進(jìn)行含水狀態(tài)處理：風(fēng)干、烘干或飽和處理。天然狀態(tài)試樣：應(yīng)在拆除密封后立即制樣試驗(yàn)，并測定其含水量；風(fēng)干試樣：在室內(nèi)放置4d以上；烘干試樣：在105～110℃溫度下烘干12h；④飽水試樣：用煮沸法或真空抽氣法強(qiáng)制飽和試樣。當(dāng)采用煮沸法時(shí)，試樣置于煮沸水槽內(nèi)，試樣之間應(yīng)留有空隙，然后加水煮沸，水槽內(nèi)的水位始終保持高于試樣，煮沸時(shí)間不少于6h；經(jīng)煮沸的試樣放置在原容器中冷卻至室溫。當(dāng)采用真空抽氣法時(shí)，將試樣放于飽和容器內(nèi)，使水面高于試樣，加蓋后開動(dòng)真空泵，使真空壓力表讀數(shù)達(dá)到100kPa，直至無氣泡溢出為止，總抽氣時(shí)間不少于4h；經(jīng)真空抽氣的試樣應(yīng)放置在原容器中，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下靜置4h。（2）實(shí)驗(yàn)前試件的防油處理，步驟如下：首先，在試件表面涂一層膠液（如聚乙烯醇縮醛膠或類似的膠液）；待膠液干后，在試件側(cè)面套上耐油乳膠套，對于試件較多或堅(jiān)硬裂隙不發(fā)育的巖石，可不用乳膠套，但須用塑料布包住，以防止試件破碎后過多的碎屑落入壓力室中。試件安裝（1）先將壓力室頂部的螺旋壓帽組件卸下并吊在主體的橫梁上升起，然后將裝有試件的保護(hù)簡用卡桿吊起放入壓力室中，此時(shí)要注意使連接于保護(hù)筒下端球柱的凸柱對準(zhǔn)壓力室底部中心的圓銷孔，并放置平穩(wěn)。（2）試件在壓力室安裝好后，用油泵向壓力室注油，直至油液達(dá)到預(yù)定的位置為止，然后打開排氣閥，放下螺旋壓帽組件，封閉壓力室。5、變形測量裝置的安裝（1）使用百分表測量軸向變形時(shí)：將百分表安裝在壓力室的頂部，測定軸向傳力活塞的位移，間接計(jì)算試件的軸向變形。（2）使用電阻應(yīng)變儀測量變形時(shí)：電阻應(yīng)變片：選擇電阻片時(shí)，要求電阻絲平直，間距均勻，電阻片阻柵長度大于試樣中最大顆粒尺寸的10倍，并小于試樣的半徑；同一試樣的工作片和補(bǔ)償片的規(guī)格、靈敏系數(shù)等應(yīng)相同，電阻值相差不超過0.2Ω。將電阻應(yīng)變片用黏合劑牢固的貼在試樣中部表面，并盡量避開裂隙和個(gè)別較大的晶體、斑晶及礫石等；縱向或橫向應(yīng)變片的數(shù)量不少于兩片，其絕緣電阻值要大于200MΩ；貼片用的膠，對于烘干、風(fēng)干試樣可采用一般膠合劑，對于天然含水狀態(tài)及飽和試樣，需采用防潮膠液，并做防潮處理。粘合劑干固后，用細(xì)導(dǎo)線與電阻應(yīng)變片的引線焊接牢固，然后將導(dǎo)線固定并在其線頭做標(biāo)記以便識(shí)別。電阻應(yīng)變儀：用三芯電源線將交流電源（220V）與儀器電源插座接上，把電源開關(guān)置于“BO”Z短路上，預(yù)熱一分鐘，轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)盤看指示電表有否偏轉(zhuǎn)，如有偏轉(zhuǎn)，說明儀器正常。將開關(guān)轉(zhuǎn)到“阻”上，用螺絲刀調(diào)“電阻平衡”電位器，使指示電表指零，然后再將開關(guān)轉(zhuǎn)到“容”上，調(diào)節(jié)“電容平衡”，使指示電表的指針指零或向零靠近。重復(fù)上述步驟，反復(fù)調(diào)整幾次，最后將開關(guān)轉(zhuǎn)到“阻”上。觀察靈敏度，旋轉(zhuǎn)微調(diào)偏轉(zhuǎn)10με時(shí)，指示電表也應(yīng)指示10με。側(cè)向壓力大的選擇側(cè)向壓力的選擇應(yīng)考慮：側(cè)向壓力的選擇應(yīng)依據(jù)工程實(shí)際情況，并考慮到側(cè)向裝置的精度；選定的側(cè)向壓力，須使求出的莫爾包絡(luò)線能明顯地反映出所需要的應(yīng)力區(qū)間；適當(dāng)照顧莫爾包絡(luò)線的各個(gè)階段。選擇軸向荷載度量根據(jù)已選定的側(cè)向壓力值，按下式選擇軸向荷載度盤：式中：─軸向最大荷載（N）；─試樣的單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；─側(cè)向壓力（MPa）；─系數(shù)，一般為4～6；─試件斷面積()。8、實(shí)驗(yàn)（1）實(shí)驗(yàn)開始以每秒0.05MPa的加荷速度施加側(cè)壓力和軸向壓力，待加至預(yù)定的側(cè)向壓力值時(shí)，使其保持穩(wěn)定一段時(shí)間，其變化范圍不得超過預(yù)定值的29f，然后，再繼續(xù)以每秒0.8～1.0MPa的加荷速度施加軸向荷載，直至試件破壞，記下試件破壞時(shí)的最大軸向荷載及相應(yīng)的側(cè)壓力值。（2）在軸向加荷過程中，同時(shí)測記各級應(yīng)力下試件的軸向變形和側(cè)向變形，為了繪制曲線，變形測量點(diǎn)應(yīng)不少于10個(gè)。9、試件破壞的描述實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開壓力室取出試件進(jìn)行描述，并量出最大主應(yīng)力和破壞面之間的夾角。計(jì)算和資料成果整理（1）按下式計(jì)算不同側(cè)向壓力下的軸向應(yīng)力（三軸壓縮強(qiáng)度）式中：─不同側(cè)壓力下的軸向應(yīng)力值（MPa）；─某一側(cè)向壓力下試件破壞時(shí)的最大軸向荷載（N）；─試件的原始橫斷面面積（）。（2）用側(cè)向應(yīng)力作橫坐標(biāo)，軸向應(yīng)力作縱坐標(biāo)，繪制關(guān)系曲線（圖3-19），在曲線上選取一最佳直線段，求出其斜率（）和在軸上的載距（）。（3）按下式計(jì)算巖石的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力式中：─巖石的內(nèi)摩擦角(

)；─巖石的內(nèi)聚力（MPa）；─強(qiáng)度包絡(luò)線直線段斜率；─強(qiáng)度包絡(luò)線直線段在軸上的截距。（4）計(jì)算試件的應(yīng)變用測微表測定變形時(shí)，按下列計(jì)算軸向應(yīng)變式中:─軸向應(yīng)變值；─試件高度（）；─由測微表測定的總變形值()；─壓力機(jī)系統(tǒng)的變形值（）。用電阻應(yīng)變儀測應(yīng)變時(shí)，按下式計(jì)算試件的體積應(yīng)變值式中:─某一應(yīng)力下的體積應(yīng)變值；─同一應(yīng)力下的縱向應(yīng)變值；─同一應(yīng)力下的橫向應(yīng)變值。（5）繪制應(yīng)力（）─應(yīng)變關(guān)系曲線，并根據(jù)（）─應(yīng)變關(guān)系曲線求取巖石的彈性模量和泊松比。實(shí)驗(yàn)二、巖體的單軸抗壓強(qiáng)度一、基本原理巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試樣在單向受壓時(shí)單位面積上所承受的最大壓應(yīng)力，一般簡稱抗壓強(qiáng)度。根據(jù)巖石的含水狀態(tài)不同，又有干抗壓強(qiáng)度和飽和抗壓強(qiáng)的之分。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，常采用在壓力機(jī)上直接壓壞標(biāo)準(zhǔn)試樣測得，也可以與巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，或用其他方法間接測得。儀器設(shè)備（1）制樣設(shè)備：鉆巖機(jī)、切石機(jī)及磨片機(jī)；（2）測量平臺(tái)、卡尺、放大鏡等；（3）烘箱、干燥箱；（4）水槽、煮沸設(shè)備或真空抽氣設(shè)備；（5）壓力機(jī)。操作步驟1、試樣備份（1）試樣規(guī)格：一般采用直徑5cm、高10cm的圓柱體，或斷面邊長為5cm、高10cm的方主體，每組試樣不少于3塊。（2）試樣制備精度應(yīng)滿足如下要求：①沿試樣高度，直徑的誤差不超過0.03cm；②試樣兩端面不平整度誤差最大不超過0.005cm；③端面應(yīng)垂直于軸線，最大偏差不超過0.25°；④方主體試樣的相鄰兩面應(yīng)互相垂直，最大偏差不超過0.25°；2、試樣描述描述內(nèi)容包括：巖石名稱、顏色、礦物成分、結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、膠結(jié)物性質(zhì)等：加荷方向與巖石試樣內(nèi)層理、節(jié)理、裂隙的關(guān)系及試樣加工中出現(xiàn)的問題；含水狀態(tài)及使用的方法。3、試樣烘干或飽和處理根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求需對試樣進(jìn)行烘干或飽和處理。烘干試樣：在105~110℃溫度下烘干24h。（1）自由浸水法飽和試樣：將試樣放入水槽，先注水至試樣高度的1/4處，以后每隔2h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6h后全部浸沒式樣，試樣在水中自由吸水48h。（2）煮沸法飽和試樣：煮沸容器內(nèi)的水面始終高于試樣，煮沸時(shí)間不少于6h。（3）真空抽氣法飽和試樣：飽和容器內(nèi)的水面始終高于試樣，真空壓力表讀數(shù)宜為100kPa，直至無氣泡逸出為止，總抽氣時(shí)間不應(yīng)少于4h。4、測量試樣尺寸（1）測量試樣兩端和中間三個(gè)斷面上相互垂直的兩個(gè)直徑或邊長，按平均只計(jì)算截面積；（2）量測端面周長對稱四點(diǎn)和中心的五個(gè)高度，計(jì)算高度平均值。尺寸量測應(yīng)精確至0.001cm，尺寸量完后，按相應(yīng)公式計(jì)算試樣體積（V）。量測試樣斷面的邊長，求取其斷面面積（A）。5、安裝試樣、加荷將試樣置于試驗(yàn)機(jī)承壓板中心，調(diào)整球形座，使之均勻受載，然后以0.5~1.0MPa/s的加載速度加荷，直至試樣破壞，記下破壞荷載（P）。6、記錄描述試樣破壞后的形態(tài)，并記錄有關(guān)情況。7、計(jì)算按下式計(jì)算巖石的單軸抗壓強(qiáng)度式中：─巖石單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；─破壞荷載（N）；─試樣截面面積（）。計(jì)算值取3為有效數(shù)字。實(shí)驗(yàn)三、巖石的抗折強(qiáng)度基本原理巖石的抗折強(qiáng)度是指巖石受彎曲至折斷時(shí)所能承受的最大壓力，測定巖石抗折強(qiáng)度的方法是將巖石加工成條形試件，置于固定的兩個(gè)支點(diǎn)上，然后在其中點(diǎn)施加集中荷載，直至試件破壞，從而通過彈性力學(xué)方法求得巖石的抗折強(qiáng)度。儀器設(shè)備（1）制樣設(shè)備：切石機(jī)、磨石機(jī)等；（2）測量平臺(tái)、卡尺、放大鏡等；（3）萬能材料試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)滿足下列要求：有足夠的出力；能連續(xù)加荷而沒有沖擊；測力示值誤差應(yīng)小于2%；④附有簡支梁彎曲實(shí)驗(yàn)裝置（圖3-9）。（4）其他：烘箱、干燥器等。操作步驟1、試件制備試件規(guī)格采用長12cm、寬4cm、高2cm的長條形主體，每組不少于3塊。加工精度要求：寬、高的誤差不大于0.1cm，長度誤差不大于1mm，受力的上、下兩面應(yīng)平行，相鄰面應(yīng)相互垂直，并且在試件上不允許有肉眼可見的裂紋。2、試件描述試驗(yàn)前應(yīng)詳細(xì)描述試件的巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面特征，試件端部和邊角形態(tài)等，并按實(shí)驗(yàn)要求對試件進(jìn)行烘干或報(bào)水處理。3、量測試件尺寸按量積法中的規(guī)定測量試件長（l）、寬（b）、和高（h），并在中心5cm的部位作出標(biāo)記。安裝試件調(diào)節(jié)材料實(shí)驗(yàn)機(jī)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置上的兩個(gè)下支點(diǎn)，使其間距為10cm，然后將