《岩石力学》课程实验指导书(102239)

岩石力学实验指导书 1 江西理工大学江西理工大学 岩石力学岩石力学 课程实验指导书课程实验指导书 适用于采矿 地质 土木等专业 专专 业业 班班 级级 姓姓 名名 矿 业 工 程 实 验 室 采 矿 工 程 教 研 室 二 一四年一月 岩石力学实验指导书 2 前前 言言 试验是岩石力学课程教学的重要环节 目的在于辅助课堂教学 直观培养 学生的知识结构和动手能力 本指导书是根据我校 岩石力学 课程实验教学 大纲 并结合我校的实验条件而编写的 主要内容有 1 岩石容重的测定 2 岩石含水率的测定 3 岩石单轴抗压强度的测定 4 岩石变形参数的测定 5 岩石单轴抗拉强度的测定 6 点荷载强度指标的测定 7 岩石凝聚力及内 摩擦角的测定 说明说明 本试验指导书主要依据为 1 中华人民共和国国家标准 工程岩体试验方法标准 GB T50226 1999 2 中华人民共和国水利部 水利水电工程岩石试验规程 3 国际岩石力学学会 ISRM 岩石力学试验建议方法 由于我们水平有限 文中如有不当之处 欢迎使用者批评指正 岩石力学实验指导书 3 目 录 第一部分 绪论 4 第二部分 基本实验指导 6 学生试验守则 6 试验一 岩石容重的测定 7 试验二 岩石含水率的测定 8 试验三 岩石单轴抗压强度的测定 9 试验四 岩石变形参数的测定 10 试验五 岩石单轴抗拉强度的测定 12 试验六 点荷载强度指标 的测定 13 试验七 岩石凝聚力及内摩擦角的测定 抗剪强度试验 15 岩石力学实验指导书 4 第一部分第一部分 绪论绪论 本实验指导书是根据 岩石力学学 课程实验教学大纲编写 适用于采矿矿工程等专业专业 一 一 本课程室内岩石试验的任务和工作基本要求本课程室内岩石试验的任务和工作基本要求 1 室内岩石试验的任务 了解岩块的基本物理力学性质及其破坏机制 研究在原岩应力的作用下岩石工程或围岩的工程性 状 为岩石工程的评价和工程设计提供资料 2 室内岩石试验工作基本要求 为使试验工作符合实际情况 保证成果质量 岩石试验工作 应在详细了解工程地质条件 设 计意图 岩石工程的特点和可能采用的施工方法等基础上进行 试验工作的安排和布置 应和勘测设计阶段相适应 既要满足本设计阶段的要求 又利于与以 后各设计阶段的试验工作相衔接 一般的要求是 1 规划选点阶段 在充分分析和利用与岩石工程地质条件相类似的工程的试验成果基础上 可根 据实际情况布置少量的室内岩块试验 通常不做现场试验 2 初步设计阶段 初期应根据划分的工程地质单元分别进行动力法测试和取代表性试样进行室内 岩块试验 对矿山主要井巷和采场采矿方法方案选择起重要作用的岩石力学问题 如主要结构面的变 形和稳定条件等 必要时 应进行野外试验 中后期 对关键岩石工程的岩石力学问题应采取室内和 野外试验相结合的原则进行试验研究 为工程地质评价和工程设计提供可靠的岩石物理力学特性资料 3 施工图设计阶段 一般根据初步设计审查后新发现的工程地质问题 地压处理的需要等 进行 专门性的试验 为了解岩体性状的变化和为工程地质预报提供资料 在施工过程和转运期间 应对关 键部位的岩体进行现场监测 室内岩块试验的样品 一般在钻孔 平洞和竖井中采取 同组岩样的性质应基本相同 取样位 置和数量 应根据地质条件 工程特点和试验要求而定 布置室内岩块试验的一般要求 1 作为岩石类别划分指标的常规试验项目 应针对岩类的现场分类进行选择 为科学地划分工程 地质岩组及掌握不同岩类的自然特性提供资料 2 作为工程计算指标的直剪试验和三轴试验 测试条件应符合地质条件和设计要求 3 当软弱岩层 断层破碎带的厚度较大 充填物性质均一时 宜采用土工试验的方法进行抗剪强 岩石力学实验指导书 5 度 压缩试验和其他试验 二 二 本课程实验的基础知识本课程实验的基础知识 掌握教科书上有关本次试验的教学内容 仔细阅读试验指导书和去实验室熟悉有关仪器设备的操 作方法及操作规程 三 三 本课程实验教学项目及要求本课程实验教学项目及要求 序序 号号 实验项目名称实验项目名称 学学 时时 实验实验 类别类别 实验实验 要求要求 实验实验 类型类型 每组每组 人数人数 主要设备名称主要设备名称 目目 的的 和要求和要求 1 岩石容重的测定 1 专业 基础 必修 验证 6 烘箱 干燥器 熔蜡锅 天平 线 石蜡 水 中称量装置 交实验 报告 2 岩石含水率的测定 1 专业 基础 必修 验证 6 烘箱 干燥器 天平 交实验 报告 3 岩石单轴抗压强度 的测定 1 专业 基础 必修 验证 6 RMT 150C 实 验系统 交实验 报告 4 岩石变形参数即弹 性模量 E 和泊松比 的测定 2 专业 基础 必修 验证 6 RMT 150C 实 验系统 数字 静态应变仪 交实验 报告 5 岩石单轴抗拉强度 的测定 巴西劈裂 抗拉实验 1 专业 基础 必修 验证 6 RMT 150C 实 验系统 交实验 报告 6 点荷载强度指标的 测定 2 专业 基础 必修 验证 6 数字点荷载仪 交实验 报告 7 抗剪实验 C 测 定 2 专业 基础 必修 验证 6 TYS 500 岩石 三轴试验机 交实验 报告 岩石力学实验指导书 6 第二部分第二部分 基本实验指导基本实验指导 学生试验守则 一 每次试验前必须做好复习和预习 复习的内容为教科书上有关本次试验的教学内容 预习内容包括仔细阅读试验指导书和去实验室熟悉有关仪器设备 二 经过预习应掌握该项试验的意义 目的 操作步骤 对辅导教师提出的检查性问题 应能回答 否则不得进行试验 三 试验时态度应严肃认真 严格按辅导教师及试验指导书上所讲的操作步骤进行试验 每台设备的操作应按各设备的操作准则进行 以免损坏设备或造成事故 非本次试验使用的仪 器设备不得乱动 四 每次试验前由小组长填写仪器设备领用单 试验完毕后 应将所用仪器设备擦洗干净 放回原处 经小组长检查 辅导教师验收无误后方可离室 如有损坏 应填写仪器设备损坏报 告单 待后处理 五 试验结束后 应在规定时间内提交试验报告 试验报告必须独立完成 书写 计算 制图要求公式 计算过程 单位齐全 清晰整齐 试验成绩是期终考核成绩的一部分 以上守则同学们应自觉遵守 岩石力学实验指导书 7 实验一 岩石容重的测定实验一 岩石容重的测定 岩石容重是指单位体积岩石的重量 有两种做法 称重法和蜡封法 我们采用的是蜡封法 一 主要仪仪器设备设备 烘箱 干燥器 熔蜡锅 天平 线 石蜡 水中称量装置 二 试试件制备备 选取有代表性的边长约 40 50mm 近似立方体的岩石 选 3 块 修平棱角 刷取表面粘着物 三 测测定步骤骤 1 将试样放入 105 110 C 的烘箱中烘至恒重 烘干 24 小时 后取出 放在干燥器内冷却至室温 称重得 g 2 用线绑住试件 置于刚过熔点的石蜡中 1 2 秒钟提出 检查试件上 蜡有无气泡 可用小电烙 铁或热针刺破并涂平孔眼 在天平上称重得 g1 3 将蜡封后的试件挂在天平钩上 在水中称重得 g2 四 结结果计计算 ns g g gg d gg g d 121 式中 dg 岩石的干密度 克 厘米 3 g 试件干重 克 g1 蜡封试件在空气中重 克 g2 蜡封试件在水重中 克 ds 水的密度 克 厘米 3 gn 石蜡密度 克 厘米 3 0 90 克 厘米3 岩石力学实验指导书 8 岩石密度测测定记录记录表 测 定 次 数 试件在空 气中重 g 克 蜡封试件 在空气重 g1 克 蜡封试件在 水中重 g2 克 试件容重 dg 克 厘米 3 岩石平均 容重 d 克 厘米 3 备 注 1 2 3 岩石力学实验指导书 9 实验二 岩石含水率的测定实验二 岩石含水率的测定 岩石在天然状态下所含水分的重量与岩石烘干后的重量之比为岩石的含水率 一 仪仪器设备设备 天平 烘箱 干燥箱 二 试验试验步骤骤 1 从岩样中心取保持天然含水状态的边长约 4 6 厘米的立方体试件 即称重得 g1 在现场采取的 岩石 测含水率就要用塑料袋把欲测岩石密封住 保持水分 2 将试件放在 105 110 C 烘箱中烘至恒重 烘干 24 小时 后取出 放置干燥器中冷却至室温 称重得 g2 三 测测定结结果计计算 100 2 21 g gg w 式中 岩石天然含水率 w 保持天然水分的试件重量 克 1 g 烘至恒重的试件重量 克 2 g 岩石含水率测测定记录记录表 试件编号 试件天然 重量 1 g 克 试件烘干 重量 2 g 克 试件含 水率w 岩石平均 含水率 w 备 注 1 2 3 岩石力学实验指导书 10 试验三 岩石单向抗压强度的测定试验三 岩石单向抗压强度的测定 一 仪仪器设备设备 材料试验机 游标卡尺 二 标标准试试件规规格 采用直接为 50mm 的圆柱体 高径比为 2 1 也可采用 50 50 100mm 的长方体 三 测测定步骤骤 1 测试件尺寸 试件直径应在其高度中部两个互相垂直的方向量测 取算术平均值 填入记录表 内 2 选择压力机度盘 量程 一般应满足 0 2P Pmax 0 8P 式中 Pmax 预计最大破坏载荷 KN P 压力机度盘最大值 KN 3 开动压力机 使其处于可用状态 将试件置于压力机承压板中心 调整球形坐 使试件上下受 力均匀 以 0 5 1 0MPa 秒的速度加载直至破坏 注 注 如用 RMT 150C 电液伺服压力机加载 则按其操作手册正确操作 从控制电脑中获取 Pmax 四 测测定结结果的计计算 试件的抗压强度 F P R 式中 R 试件抗压强度 MPa P 试件破坏载荷即 Pmax N F 试件面积 mm2 岩石单单向抗压压强度测测定记录记录表格 试件尺寸 mm 试 件 编 号 岩 石 名 称 试件 含水 状态 长宽 直 径 高 试件 面积 F mm2 破坏 载荷 P N 抗压 强度 R MPa 平均抗 压强度 MPa 备 注 1 2 3 岩石力学实验指导书 11 试验四 岩石变形参数测定试验四 岩石变形参数测定 弹性模量 E 和泊松比 一 仪仪器设备设备 电阻应变仪 万用表 试验机 电阻应变片 胶水等 二 试试件与与抗压压强度测测定试试件的要求相同 三 测测定步骤骤 将数字电阻应变仪接上电源 预热半小时连接线路 预调平衡 施加初载荷 检查仪器工作情况 按每秒 0 5 1 0MPa 的速度逐渐加载 按估计破坏载荷的十分之一间隔读一次读数 纪录载荷与应变值 直至破坏 注 注 如用 RMT 150C 电液伺服压力机加载 则按其操作手册正确操作 从控制电脑屏幕中获取载 荷 从数字电阻应变仪上读取应变值 四 测测定结结果的计计算与与整理 1 应力按下式计算 F P 式中 应力 MPa P 与应变对应的载荷 N F 试件初始面积 mm2 2 体积应变按下式计算 dl 2 式中 体积应变值 纵向应变值 l 横向应变值 d 3 绘制应力 纵向应变曲线 应力 横向应变曲线 应力 体积应变曲线 4 根据破坏载荷计算单轴抗压强度 c c P F 式中 P 破坏载荷 N F 试件初始面积 mm2 5 在应力 纵向应变曲线上 原点与 50 抗压强度点连线的斜率即为割线模量 E50 6 在应力 纵向应变曲线上 直线段的斜率为切线模量 Et 通称弹性模量 7 根据应力 纵向应变和应力 横向应变曲线上对应直线段部分纵向和横向应变的平均值计算泊 松比 l d 岩石力学实验指导书 12 式中 应力 横向应变曲线上对应直线段部分应变的平均值 d 应力 纵向应变曲线上对应直线段部分应变的平均值 l 变变形参数参数测测定纪录纪录表格 试件长 mm 宽 mm 直径 mm 面积 mm2 序 号 纵向荷载 P N 纵向应力 MPa 纵向应变 l 横向应变 d 体积应变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 E50 c Et d l 岩石力学实验指导书 13 试验五 岩石抗拉强度的测定 劈裂法 试验五 岩石抗拉强度的测定 劈裂法 一 仪仪器设备设备 材料试验机 劈裂法实验夹具 游标卡尺 二 试试件规规格 标准试件采用圆盘形 直径 50mm 厚 25mm 也可采用 50 50 50mm 方形试件 三 测测定步骤骤 1 2 同抗压强度相同 3 通过试件直径的两端 沿轴线方向画两条互相平行的线作为加载基线 把试件放入夹具内 夹 具上下刀刃对准加载基线 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 4 开动试验机 以每秒 0 03 0 05MPa 的速度加载直至破坏 四 测测定结结果计计算 DL P RL 14 3 2 式中 RL 岩石单向抗拉强度 MPa P 试件破坏载荷 N D 试件直径 mm L 试件厚度 mm 抗拉强度测测定记录记录表 试件尺寸 mm 试 件 编 号 岩 石 名 称 试件 含水 状态 直径 D 厚度 L 破坏 载荷 P N 抗拉 强度 RL MPa 平均抗 拉强度 MPa 备 注 1 2 岩石力学实验指导书 14 3 岩石力学实验指导书 15 试验六 点荷载强度指标的测定试验六 点荷载强度指标的测定 一 概概述 岩石的点荷载强度指标 可换算成抗拉或抗压强度 由于测点载荷指标的设备轻巧 便于现场工 作 试验成本低廉 时间短等优点 所以此法精度虽然较常规试验低 但仍有其使用价值 尤其对于 严重风化的低强度岩石 易于测出点载荷指标 此法更有实际意义 二 试样备试样备制 岩石点荷载强度指标试验 如图所示 试样有圆柱形或不规则形两种 前者加载有轴向与径向两 种 而以径向加载常用 其加载点离自由端的距离 不应小于试样直径的 0 7 倍 不规则形须将试样修 整成椭圆型或卵状 为保证数据的精度 圆柱形试样一般不少于 10 件 不规则形不少于 15 件 岩石点荷载载强度指标测标测定示意图图 a 径向加载 b 轴向加载 c 不规则试样加载 三 设备仪设备仪器 点载荷仪 如图 游标卡尺等 岩石力学实验指导书 16 点荷载试验载试验装置 四 试验试验方法 将试样放在点载荷仪的两压头之间 启动油泵加载 直到试样断裂为止 同时记录下岩石断裂时 的载荷 岩石断裂面经过两压点处 试验有效 如果岩石断裂面未经过两压点处或压头陷入岩石中 则认为试验数据无效 五 试验试验数数据分析整理 1 点荷载强度指标按下式计算 2 s P I y 式中 点载荷强度指标 MPa s I 试样断裂载荷 N P 上下压头间距 mm y 2 点载荷指标和抗拉强度 T的关系如下 st Ik 1 式中 为比例系数 对于岩心试样 0 79 球形试样 0 95 不规则样 1 k 1 k 1 k 1 k 0 9 0 96 3 点载荷指标和抗压强度 c的关系如下 sc Ik 2 式中 比例系数 和试样尺寸有关 当等于 54 50 42 和 21 5mm 时 相应的等于 2 kD 2 k 24 23 5 21 和 18 也可采取以下方法也可采取以下方法 国际岩石力学学会 ISRM 将 50mm 直径圆柱体径向加载点荷载试验的强度指标 IS 50 确 定为标准值 其他尺寸试件的试验结果需用公式 Is 50 kIs D 进行修正 加载架 千斤顶 数显表头 岩石力学实验指导书 17 k 0 2717 0 01457D 当 D 55mm 时 k 0 7540 0 0058D 当 D 55mm 时 式中 D 为非标准试件的直径也即 y 进行现场岩石分级时需用 Is 50 换算而来 的值 可转换为单轴抗压强度 相当于 L D 2 1 的试件单轴抗压强度值 24 50 cs I c 试验七 岩石的抗剪试验试验七 岩石的抗剪试验 一 仪仪器设备设备 材料试验机 变角剪切夹具 游标卡尺 二 试试件规规格 标准试件采用 50 50 50mm 或 70 70 70mm 做三个角度 30 45