《巖石力學(xué)》課程實驗指導(dǎo)書

1、巖石力學(xué)課程實驗指導(dǎo)書(102239)江西理工大學(xué)巖石力學(xué)課程實驗指導(dǎo)書（適用于采礦、地質(zhì)、土木等專業(yè)）專業(yè)班級姓名礦業(yè)工程實驗室米礦工程教研室二O四年一月、八前試驗是巖石力學(xué)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，目的在于輔助課堂教學(xué)，直觀培養(yǎng) 學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和動手能力。本指導(dǎo)書是根據(jù)我校巖石力學(xué)課程實驗教學(xué) 大綱、并結(jié)合我校的實驗條件而編寫的，主要內(nèi)容有：1、巖石容重的測定；2、巖石含水率的測定；3、巖石單軸抗壓強度的測定；4、巖石變形參數(shù)的測定; 5、巖石單軸抗拉強度的測定；6、點荷載強度指標(biāo)的測定；7、巖石凝聚力及內(nèi) 摩擦角的測定。說明：本試驗指導(dǎo)書主要依據(jù)為：中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)

2、 GB/T50226-1999(2) 中華人民共和國水利部：水利水電工程巖石試驗規(guī)程(3) 國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM :巖石力學(xué)試驗建議方法由于我們水平有限，文中如有不當(dāng)之處，歡迎使用者批評指正目錄第一部分 緒論 4第二部分 基本實驗指導(dǎo) 6學(xué)生試驗守則 6試 驗 一 巖 石 容 重 的 測 定 7試驗二 巖石含水率的測 定 8試 驗 三 巖 石 單 軸 抗 壓 強 度 的 測 定 9試 驗 四 巖 石 變 形 參 數(shù) 的 測 定 10試 驗 五 巖 石 單 軸 抗 拉 強 度 的 測 定 12試 驗 六 點 荷 載 強 度 指 標(biāo) 的 測 定 13試驗七 巖石凝聚力及內(nèi)摩擦角的測定（ 抗剪

3、強度試驗） 15第一部分 緒論本實驗指導(dǎo)書是根據(jù) 巖石力學(xué) 課程實驗教學(xué)大綱 編寫，適用于 采礦工程等專業(yè) 。一、本課程室內(nèi)巖石試驗的任務(wù)和工作基本要求1、室內(nèi)巖石試驗的任務(wù) 了解巖塊的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其破壞機制；研 究在原巖應(yīng)力的作用下巖石工程或圍巖的工程性狀， 為巖石工程的評價和工程設(shè)計提供資料。2 、室內(nèi)巖石試驗工作基本要求 為使試驗工作符合實際情況，保證成果質(zhì)量， 巖石試驗工作，應(yīng)在詳細了解工程地質(zhì)條件、設(shè)計意 圖、巖石工程的特點和可能采用的施工方法等基礎(chǔ)上 進行。 試驗工作的安排和布置，應(yīng)和勘測設(shè)計階段相 適應(yīng)，既要滿足本設(shè)計階段的要求，又利于與以后各 設(shè)計階段的試驗工作相銜接。一

4、般的要求是：(1) 規(guī)劃選點階段 在充分分析和利用與巖石工程 地質(zhì)條件相類似的工程的試驗成果基礎(chǔ)上，可根據(jù)實 際情況布置少量的室內(nèi)巖塊試驗，通常不做現(xiàn)場試驗。(2) 初步設(shè)計階段 初期應(yīng)根據(jù)劃分的工程地質(zhì)單 元分別進行動力法測試和取代表性試樣進行室內(nèi)巖塊 試驗。對礦山主要井巷和采場采礦方法方案選擇起重 要作用的巖石力學(xué)問題，如主要結(jié)構(gòu)面的變形和穩(wěn)定 條件等，必要時，應(yīng)進行野外試驗。中后期，對關(guān)鍵 巖石工程的巖石力學(xué)問題應(yīng)采取室內(nèi)和野外試驗相結(jié) 合的原則進行試驗研究，為工程地質(zhì)評價和工程設(shè)計 提供可靠的巖石物理力學(xué)特性資料。(3) 施工圖設(shè)計階段 一般根據(jù)初步設(shè)計審查后新 發(fā)現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，地

5、壓處理的需要等，進行專門 性的試驗。為了解巖體性狀的變化和為工程地質(zhì)預(yù)報 提供資料，在施工過程和轉(zhuǎn)運期間，應(yīng)對關(guān)鍵部位的 巖體進行現(xiàn)場監(jiān)測。 室內(nèi)巖塊試驗的樣品，一般在鉆孔、平洞和豎 井中采取，同組巖樣的性質(zhì)應(yīng)基本相同。取樣位置和 數(shù)量，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、工程特點和試驗要求而定。 布置室內(nèi)巖塊試驗的一般要求(1) 作為巖石類別劃分指標(biāo)的常規(guī)試驗項目，應(yīng)針 對巖類的現(xiàn)場分類進行選擇，為科學(xué)地劃分工程地質(zhì) 巖組及掌握不同巖類的自然特性提供資料。(2) 作為工程計算指標(biāo)的直剪試驗和三軸試驗，測 試條件應(yīng)符合地質(zhì)條件和設(shè)計要求。當(dāng)軟弱巖層、斷層破碎帶的厚度較大，充填物 性質(zhì)均一時，宜采用土工試驗的方法進

6、行抗剪強度、 壓縮試驗和其他試驗。二、本課程實驗的基礎(chǔ)知識掌握教科書上有關(guān)本次試驗的教學(xué)內(nèi)容，仔細閱讀 試驗指導(dǎo)書和去實驗室熟悉有關(guān)儀器設(shè)備的操作方法 及操作規(guī)程。三、本課程實驗教學(xué)項目及要求序 號實驗項目 名稱學(xué) 時實 驗 類 別實 驗 要 求實 驗 類 型每 組 人 數(shù)主要設(shè)備名稱目 的和 要求1巖石容重1專礎(chǔ)必修驗證6烘干燥 蠟稱量 置交實驗報告2巖石含水1專 礎(chǔ)必修驗證6烘干燥、 器平大交實驗報告3巖石覆軸1?；匦掾炞C6實5統(tǒng)系交實驗報告4和的變形E 測定2專礎(chǔ)必修驗證6實驗系字靜態(tài)交實驗報告5巖石巖石（巴單軸1?；匦掾炞C6實統(tǒng)系交實驗報告6度定載強2專礎(chǔ)必修驗證6數(shù)字點交實驗報告

7、抗剪實測2專 礎(chǔ)必修驗證6三巖石交實驗報告第二部分 基本實驗指導(dǎo)學(xué)生試驗守則一、每次試驗前必須做好復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)。復(fù)習(xí)的內(nèi)容 為教科書上有關(guān)本次試驗的教學(xué)內(nèi)容； 預(yù)習(xí)內(nèi)容包括仔細閱讀試驗指導(dǎo)書和去實驗室熟悉有 關(guān)儀器設(shè)備。二、經(jīng)過預(yù)習(xí)應(yīng)掌握該項試驗的意義、目的、操作 步驟。對輔導(dǎo)教師提出的檢查性問題， 應(yīng)能回答，否則不得進行試驗。三、試驗時態(tài)度應(yīng)嚴肅認真，嚴格按輔導(dǎo)教師及試 驗指導(dǎo)書上所講的操作步驟進行試驗， 每臺設(shè)備的操作應(yīng)按各設(shè)備的操作準(zhǔn)則進行，以免損 壞設(shè)備或造成事故。非本次試驗使用的儀 器設(shè)備不得亂動。四、每次試驗前由小組長填寫儀器設(shè)備領(lǐng)用單。試 驗完畢后，應(yīng)將所用儀器設(shè)備擦洗干凈， 放回

8、原處，經(jīng)小組長檢查，輔導(dǎo)教師驗收無誤后方可 離室。如有損壞，應(yīng)填寫儀器設(shè)備損壞報 告單，待后處理。五、試驗結(jié)束后，應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)提交試驗報告。 試驗報告必須獨立完成。書寫、計算、 制圖要求公式、計算過程、單位齊全、清晰整齊。試 驗成績是期終考核成績的一部分。 以上守則同學(xué)們應(yīng)自覺遵守。實驗一、巖石容重的測定巖石容重是指單位體積巖石的重量。有兩種做法： 稱重法和蠟封法。我們采用的是蠟封法。一、 主要儀器設(shè)備 ： 烘箱、干燥器、熔蠟鍋、天平、線、石蠟、水中 稱量裝置。二、 試件制備 ： 選取有代表性的邊長約 4050mm 近似立方體的 巖石、選 3 塊、修平棱角、刷取表面粘著物。三、 測定步驟 ：

9、1、將試樣放入105110 C的烘箱中烘至恒重（烘干 24 小時）后取出、放在干燥器內(nèi)冷卻至室溫、稱重得g2、 用線綁住試件、置于剛過熔點的石蠟中12秒鐘提出、檢查試件上，蠟有無氣泡、可用小電烙鐵或 熱針刺破并涂平孔眼、在天平上稱重得gi3、將蠟封后的試件掛在天平鉤上、在水中稱重得92四、結(jié)果計算：式中：dg巖石的干密度，克/厘米3； g試件干重，克；gi蠟圭寸試件在空氣中重，克；g2蠟封試件在水重中，克；ds水的密度，克/厘米3;gn石蠟密度，克/厘米3, 0.90克/厘米3。dgggi g2 gi g dsgn巖石密度測定記錄表測試件蠟封蠟封試件容巖石平備疋在空試件試件重均注次氣中在空在水

10、dg容重d數(shù)重g（克）氣重g1（克）中重g2（克）（克/ 厘米3）（克/ 厘米3）123實驗二、巖石含水率的測定巖石在天然狀態(tài)下所含水分的重量與巖石烘干 后的重量之比為巖石的含水率。一、 儀器設(shè)備：天平、烘箱、干燥箱。、 試驗步驟：1、 從巖樣中心取保持天然含水狀態(tài)的邊長約46 厘米的立方體試件，即稱重得gi,在現(xiàn)場采取的巖石， 測含水率就要用塑料袋把欲測巖石密封住，保持水分。2、將試件放在105110 C烘箱中烘至恒重（烘干 24小時）后取出，放置干燥器中冷卻至室溫，稱重得 g2。、測定結(jié)果計算：g1 g2g2100%式中：w 巖石天然含水率；g1 保持天然水分的試件重量，克;g2烘至恒重的

11、試件重量，克。巖石含水率測定記錄表試件編號試件天 然 重量gi （克）試件烘 干重量g2（克）試件 含 水率w（%）巖石 平均 含水 率Wo （ %）備 注123試驗三、巖石單向抗壓強度的測定一、 儀器設(shè)備 ：材料試驗機、游標(biāo)卡尺。二、 標(biāo)準(zhǔn)試件規(guī)格 ：采用直接為 50mm 的圓柱體， 高徑比為 2 ：1；也 可采用50X 50X 100mm的長方體。三、 測定步驟 ：1 、 測試件尺寸（試件直徑應(yīng)在其高度中部兩個互 相垂直的方向量測，取算術(shù)平均值）填入記錄表 內(nèi)。2、 選擇壓力機度盤（量程）：一般應(yīng)滿足0.2P VPmax V 0.8P式中：Pmax預(yù)計最大破壞載荷，KNP壓力機度盤最大值，

12、KN3、開動壓力機，使其處于可用狀態(tài)，將試件置于 壓力機承壓板中心，調(diào)整球形坐，使試件上下受 力均勻，以 （0.51.0MPa） / 秒的速度加載直至破 壞。注：如用 RMT-150C 電液伺服壓力機加載，則按其 操作手冊正確操作，從控制電腦中獲取 Pmax 。四、 測定結(jié)果的計算 ：試件的抗壓強度：式中:R 試件抗壓強度，MPaP試件破壞載荷即Pmax , NF試件面積，mm2巖石單向抗壓強度測定記錄表格試 件 編 口號巖 石 名 稱試 件 含 水 狀 態(tài)試件尺寸（mm）試 件 面積F(mm2)破 壞 載 荷PN抗 壓 強 度RMPa平 均 抗 壓 強 度MPa備注長寬直 徑高123試驗四、

13、巖石變形參數(shù)測定（彈性模量E和泊松比卩）一、儀器設(shè)備：電阻應(yīng)變儀、萬用表、試驗機、電阻應(yīng)變片、膠 水等。二、試件與抗壓強度測定試件的要求相同。三、測定步驟：將數(shù)字電阻應(yīng)變儀接上電源，預(yù)熱半小時連接線 路，預(yù)調(diào)平衡，施加初載荷，檢查儀器工作情況，按 每秒0.51.0MPa的速度逐漸加載，按估計破壞載荷的 十分之一間隔讀一次讀數(shù)，紀錄載荷與應(yīng)變值。直至 破壞。注：如用RMT-150C電液伺服壓力機加載，則按 其操作手冊正確操作，從控制電腦屏幕中獲取 載荷，從數(shù)字電阻應(yīng)變儀上讀取應(yīng)變值。四、測定結(jié)果的計算與整理：1、應(yīng)力按下式計算：PCT 一F式中：應(yīng)力，MPa ;P與應(yīng)變對應(yīng)的載荷，N ;F 試件

14、初始面積，mm2。2、體積應(yīng)變按下式計算i 2 d式中：一體積應(yīng)變值；1縱向應(yīng)變值； d 橫向應(yīng)變值。3、繪制應(yīng)力一縱向應(yīng)變曲線；應(yīng)力一橫向應(yīng)變曲 線；應(yīng)力一體積應(yīng)變曲線。4、根據(jù)破壞載荷計算單軸抗壓強度。cPc F式中：P破壞載荷，NF 試件初始面積，mm2。5、在應(yīng)力一縱向應(yīng)變曲線上，原點與 50%抗壓強 度點連線的斜率即為割線模量 E50。6、在應(yīng)力一縱向應(yīng)變曲線上，直線段的斜率為切 線模量Et （通稱彈性模量）。7、根據(jù)應(yīng)力一縱向應(yīng)變和應(yīng)力一橫向應(yīng)變曲線上 對應(yīng)直線段部分縱向和橫向應(yīng)變的平均值計算泊 松比dl式中：d應(yīng)力一橫向應(yīng)變曲線上對應(yīng)直線段部分 應(yīng)變的平均值。l 應(yīng)力一縱向應(yīng)變曲

15、線上對應(yīng)直線段部 分應(yīng)變的平均值。變形參數(shù)測定紀錄表格試件長mm、寬mm、直徑mm、面積mm2。序縱向 何載PN縱向應(yīng) 力MPa縱向 應(yīng)變l橫向 應(yīng)變d體積應(yīng)變1234567891011121314151617181920E 50=(T c=Et=試驗五、巖石抗拉強度的測定（劈裂法）儀器設(shè)備：材料試驗機、劈裂法實驗夾具、游標(biāo)卡尺。、試件規(guī)格：標(biāo)準(zhǔn)試件采用圓盤形，直徑 50mm、厚25mm; 也可采用50X 50x 50mm方形試件。三、測定步驟：1、2同抗壓強度相同。3、通過試件直徑的兩端，沿軸線方向畫兩條互相 平行的線作為加載基線，把試件放入夾具內(nèi)，夾具上 下刀刃對準(zhǔn)加載基線，放入試驗機的上

16、下承壓板之間， 使試件的中心線和試驗機的中心線在一條直線上。4、開動試驗機，以每秒0.030.05MPa的速度加載 直至破壞。四、測定結(jié)果計算：Rl2P3.14DL式中：Rl巖石單向抗拉強度,MPaP試件破壞載荷，ND試件直徑，mmL試件厚度，mm抗拉強度測定記錄表試 件 編 號巖 石 名 稱試 件 含 水 狀 態(tài)試件寸(m2尺m)破 壞 載荷P N抗拉 強度RlMPa平均 抗拉 強度MPa備 注直 徑D厚 度L123試驗六、點荷載強度指標(biāo)的測定一、 概述：巖石的點荷載強度指標(biāo)，可換算成抗拉或抗壓強 度。由于測點載荷指標(biāo)的設(shè)備輕巧，便于現(xiàn)場工作， 試驗成本低廉、時間短等優(yōu)點，所以此法精度雖然較

17、 常規(guī)試驗低，但仍有其使用價值。尤其對于嚴重風(fēng)化 的低強度巖石，易于測出點載荷指標(biāo)，此法更有實際、 試樣備制：巖石點荷載強度指標(biāo)試驗（如圖所示），試樣有圓 柱形或不規(guī)則形兩種，前者加載有軸向與徑向兩種， 而以徑向加載常用，其加載點離自由端的距離，不應(yīng) 小于試樣直徑的0.7倍。不規(guī)則形須將試樣修整成橢 圓型或卵狀。為保證數(shù)據(jù)的精度，圓柱形試樣一般不巖石點荷載強度指標(biāo)測定示意圖（a）徑向加載（b ）軸向加載（c）不規(guī)則試樣加載二、 設(shè)備儀器：點載荷儀（如圖），游標(biāo)卡尺等加數(shù)顯千點荷載試驗裝置四、試驗方法：將試樣放在點載荷儀的兩壓頭之間，啟動油泵加 載，直到試樣斷裂為止，同時記錄下巖石斷裂時的載荷。

18、巖石斷裂面經(jīng)過兩壓點處，試驗有效。如果巖石 斷裂面未經(jīng)過兩壓點處或壓頭陷入巖石中，則認為試 驗數(shù)據(jù)無效。五、試驗數(shù)據(jù)分析整理：(1) 點荷載強度指標(biāo)按下式計算2yIsy 上下壓頭間距(mr)(2) 點載荷指標(biāo)和抗拉強度 t的關(guān)系如下:t k11 s、式中：ki為比例系數(shù)，對于巖心試樣，ki = 0.79球形試樣，ki = 0.95，不規(guī)則樣，ki = 0.90.96。(3) 點載荷指標(biāo)和抗壓強度c的關(guān)系如下：c k21 s式中：比例系數(shù)k2和試樣尺寸有關(guān)，當(dāng)D等于54、 50、42、和 21.5mm 時，k?相應(yīng)的等于 24、23.5、21 和18。也可米取以下方法：國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM

19、將50mr直徑圓柱體徑向加載點荷載試驗的強度指標(biāo) I s(50) 確定為標(biāo)準(zhǔn)值，其他尺寸試件的試驗結(jié)果需用公式 ：ls(50)=kls(D)進行修正。k = 0.2717+0.01457D當(dāng) D 55mm時式中D為非標(biāo)準(zhǔn)試件的直徑也即y。進行現(xiàn)場巖石分級時需用Is (50)換算而來 的值?？赊D(zhuǎn)換為單軸抗壓強度：24Is(50)c相當(dāng)于L:D = 2:1的試件單軸抗壓強度值。試驗七、巖石的抗剪試驗一、 儀器設(shè)備 ：材料試驗機、變角剪切夾具、游標(biāo)卡尺。二、 試件規(guī)格 ：標(biāo)準(zhǔn)試件采用50 x 50 x 50mm或70 x 70 x 70mm。做三個角度： 30、 45、60，每個角度做三個 試件取平均值。三、 試驗步驟 ：1、實驗機度盤的選擇原則與