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岩体力学实验指导书
岩体力学实验指导书
前言
本书是作为水文地质及工程地质专业《岩体力学》教材的组成部分,共编入岩石物理力学性质实验12个,岩石力学实验教学是《岩体力学》教学的重要环节,通过实验教学使学生在学习岩体力学基本理论的同时,能理论联系实践,培养实际工作能力及严谨的科学态度,进一步巩因课堂教学内容,为此要求学生掌握实验的基本原理与方法,其中包括仪器的装置以及工作原理,为了使学生理解,在本书编写过程中,力求从教学出发,联系生产实际,配合理论课,阐明实验基本原理与实验步骤,并辅以思考题。
本书是在我校《岩体力学实验讲义》油印教材基础上,并参阅了长春地院、水电部
及地矿部出版的有关岩石力学实验指导及及规程编写而成的。
根据教育部《关于教材采用国际单位制的通知),书中一律采用国际单位制单位。
但目前实验仪器尚未改进,为弥补这一缺陷,除书后编入《国际单位制及与工程实用制
单位的换算关系),以备读者查阅外,教师在课堂上应予适当提醒。
限于编者水平,书中难免存在缺点和不当之处,敬请读者指正。
实验1测定岩石的颗粒密度
一、基本原理
岩石的颗粒密度(ρ)是指岩石固体矿物颗粒部分的单位体积内的质量:
(克/厘米3)
岩石的固体部分的质量(ms),采用烘干岩石的粉碎试样,用精密天平测得,相应的固体体积(Vs),一般采用排开与试样同体积之液体的方法测得,通常用比重瓶法测得岩石固体颗料的体积。
在用比重瓶测定岩石固体颗料体积时,必须注意所排开的液体体积确能代表固体颗料的真实体积,试样中含有的气体,实验中必须把它排尽,否则影响测试精度,所用的液体一般为蒸馏水,并用煮沸法或抽气法排除岩石试样中的气体,若岩石中含有大量可溶盐类、有机质、粘粒时,则须用中性液体如煤油、汽油、酒精、甲苯和二甲苯等,此时必须用抽气法排除试样中的气体。
二、仪器设备
1、岩石粉碎设备:
粉碎机、瓷钵、玛瑙研钵和孔径为0.25mm的筛;
2、比重瓶:
容积为100ml或50ml(图1-1);
3、分析天平:
称量200克,感量0.001克;
4、普通天平:
称量500克,感量0.1克;
5、真空抽气设备和煮沸设备;
6、恒温水槽;
7、温度计,量程0-50℃,精确至0.5℃;
8、其它:
烘箱、蒸馏水或中性液体、小漏斗、洗耳球等。
三、操作步骤
1、试样制备
取代表性岩样约100g,粉碎成岩粉并全部通过0.25mm筛孔。
粉碎时,若岩石不含有磁性矿物,采用高强度耐磨粉碎机,并用磁铁吸去铁屑;若含有磁性矿物,根据岩石的坚硬程度分别采用磁研钵或玛瑙研钵粉碎岩样。
2、烘干试样
将制备好的试样与洗净的比重瓶一起置于烘箱中,使之在100~110℃温度下烘至恒重(一般连续烘12小时即可),取出后放于干燥器内冷却至室温备用。
4、称干试样质量(ms)
用四分法取两份岩粉,每份岩粉质量约15g,将试样通过漏斗倾入已知质量的烘干的比重瓶内,然后在分析天平上称取比重瓶加试样的质量,减去比重瓶质量即得干试样的质量。
4、注水排气
向装有试样的比重瓶内注入蒸馏水(如岩石为易溶盐岩类,需用中性液体),然后用煮沸法或真空抽气法排除气体。
(1)煮沸法此法适于用蒸馏水做实验,注蒸馏水入比重至半满将比重瓶置于砂浴上煮沸,煮沸时间在加热沸腾后不应小于1h,以完全排除气体。
(2)抽气排气法将盛有岩样试样及半满液体的比重瓶放置在真空抽气缸内(图1-2),接上真空泵,抽气时真空度应不少于740毫米水银柱负压力,并经常摇动比重瓶,直至无气泡为止,抽气时间一般为1-2小时。
5、称取瓶加试液及岩样的质量(m2)
(1)若用煮沸法排气时,煮沸完毕后,取出比重瓶冷却至室温,注蒸馏水入比重瓶中至近满并加盖,然后将比重瓶置于恒温水槽内待温度稳定,取出比重瓶后将瓶外水份擦干并称重,得瓶,水加岩样质量,称完后立即测定瓶内悬液温度。
(2)若用抽气排气法时,抽气完毕后,取出比重瓶,按上述方法称取瓶加水及岩样质量。
6、称取瓶、试液的质量(m1)
倒掉瓶中悬液,洗静比重瓶,注入试液至满后,恒温约15min,使瓶内试液与悬液温度相同。
检查瓶内有无气泡,若有需排除,塞好瓶塞,擦干瓶外水分,称瓶加试液的质量。
本试验称重应精确至0.001g。
8、按下式计算岩石的颗粒密度
式中:
ρ——岩石的颗粒密度(g/cm3);
ms——干岩粉的质量(g);
m3——瓶、试液总质量(g);
m2——瓶、试液和岩粉的总质量(g);
ρ0——t℃时液体的密度(g/cm3)。
不同温度下蒸馏水的密度可根据试验时的温度t(℃),查下表求得。
水的密度ρ0
t℃
ρ0
t℃
ρ0
t℃
ρ0
4
1.000000
15
0.999127
26
0.996813
5
0.999992
16
0.998970
27
0.996542
6
0.999968
17
0.998802
28
0.996262
7
0.999930
18
0.998623
29
0.995974
8
0.999876
19
0.998433
30
0.995676
9
0.999809
20
0.998232
31
0.995369
10
0.999728
21
0.998021
32
0.995054
11
0.999633
22
0.997799
33
0.994731
12
0.999525
23
0.997567
34
0.994399
13
0.999404
24
0.997326
35
0.994059
14
0.999271
25
0.997074
注:
一般试验计算时采用小数点以后三位数,第四位四舍五入。
若用中性液体进行试验时,应用比重瓶来测定其不同温度下的密度,方法如下:
(1)将已知质量的比重瓶装满经真空抽气的中性液体,按本试验中的第7步称瓶、中性液体总质量(m4)。
(2)用同一比重瓶装满蒸馏水,再按本试验步骤7称瓶、水总质量(m5)。
(3)按下式计算中性液体密度(ρw′)
式中:
ρw′——中性液体密度(g/cm3);
M4——瓶、中性液体总质量(g);
M5——瓶、水总质量(g);
m0——瓶的质量(g);
ρwt——t℃时的蒸馏水密度(g/cm3),查上表求得。
8、本试验进行两次平行测定,取其平均值,两次测定的差值不得大于0.02g/cm3,计算结果精确至0.01。
四、试验报告内容
1、整理记录表,格式见下表。
颗粒密度试验记录表
试验编号
比重瓶号
试验温度
(℃)
水的密度ρ0
瓶的质量m0
(g)
瓶加岩粉质量m1
(g)
干岩粉质量
ms=m1-m2
(g)
瓶加试液加岩粉质量m2
(g)
瓶加试液质量m3
(g)
岩石颗粒密度(g/cm3)
单值
平均值
试验:
计算:
校核:
年 月日
2、思考题
(1)岩石的颗粒密度值取决于哪些因素,它与空隙度的关系如何?
(2)岩石若为可溶盐岩类,用蒸馏水测定岩石的颗粒密度时,其结果是偏大还是偏小?
为什么?
五、注意事项
1、煮沸(或抽气)排气时,必须防止悬液溅出瓶外,火力要小,防止煮干,还必须将试样中气体排尽,否则影响试验结果。
2、必须使瓶中悬液的温度与试液温度相一致。
3、称重必须准确,测定m1与m2时,必须将比重瓶外壁擦干。
实验2测定岩石的块体密度
岩石的块体密度(r):
是指岩石单位体积内的质量(g/cm3)。
克/厘米3
根据岩石的含水状态可将岩石的块体密度分为:
(1)天然块体密度指岩石块体在天然含水状态下的单位体积内的质量;
(2)干块体密度指岩石块体在105~100℃温度下烘干时单位体积内的质量;
(3)饱和块体密度指岩石块体在饱水状态下单位体积内的质量。
一般未指明含水状态时,系指干块体密度。
测定岩石的块体密度常用量积法、水中称量法与蜡封法。
量积法适用于能制备成规则试样的岩石;除遇水崩解、溶解和干缩湿胀性岩石外,均可采用水中称量法;不能用量积法或水中称量法进行测定的岩石可以采用蜡封法,如软弱岩石、风化岩石及遇水易崩解、溶解的岩石等。
岩石的饱和块体密度,一般采用测定吸水率与饱和吸水率的试样并与其同时进行测定,这里仅叙述干密度的测定方法。
Ⅰ量积法
一、基本原理
由岩石的块体密度定义可知,可通过测定规则岩石试样的体积和质量来求岩石块体密度。
量积法的基本原理是把岩石加工成形状规则(园柱体、方柱体或立方体)的试样,用卡尺测量试样的尺寸,求出体积,并用天平称取试样的质量,然后根据(2—1)式计算岩石的块体密度。
二、仪器设备
1、试样制备设备:
钻石机、切石机、磨石机、砂轮机等;
2、烘箱、干燥器;
3、天平:
秤量100-500g,感量0.01g;
4、卡尺:
精度精确至0.01mm;
5、其它:
放大镜,小刀等。
三、操作步骤
1、试样制备
试样形状,常用用园柱体、立方体或方柱体,试样加工满足下列要求:
(1)试样尺寸应大于岩石最大颗粒的10倍,
(2)沿试样高度,直径或边长的误差不超过0.03cm;
(3)试样两端面不平整度误差不超过0.005cm;
(4)试样两端面应垂直试样轴线,最大偏差不超过0.25°。
(5)立方体或方柱体试样,相邻两面应互相垂直,最大偏差不超过0.25°。
每组试样制备不少于3块,不允许缺棱掉角。
2、试样描述
描述内容包括:
(1)岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等;
(2)节理裂隙的发育程度及其分布;
(3)试样的形态。
3、量测试样尺寸
(1)量测试样两端和中间三个断面上相互垂直的两个直径或边长,按平均值计算截面积。
(2)量测端面周边对称四点和中心点的五个高度,计算高度平均值。
尺寸量测应精确至0.001cm,尺寸量完后,按相应公式计算试样的体积(V)。
4、烘干试样、称试样质量(ms)
将试样置于烘箱内,在105~110℃恒温下烘24h,然后放入干燥器内冷却至室温,称试样质量,精确至0.01g。
5、按下式计算岩石的块体密度
式中:
r――岩石的块体密度(g/cm3);
ms――岩石试样的干质量(g);
V――岩石试样的体积(cm3)
计算精确至0.01g/cm3。
6、本试验每组平行测定3块试样,取其平均值作为岩石的块体密度。
Ⅱ蜡封法
一、基本原理
蜡封法是将已知质量的小岩块浸入融化的石蜡中,使试样沾有一层蜡外壳,保持完整的外形。
通过分别测得带有蜡外壳的试样在空气中和水的质量,然后根据阿基米德原理,计算试样的体积和密度。
二、仪器设备
1、烘箱和干燥器;
2、石蜡及融蜡工具;
3、天平:
称量100~500g,感量0.01g;
4、其它:
烧杯、线、温度计、针、烧杯架等。
三、操作步骤
1、取样
取边长约3~5cm近似立方体的岩块、清除尖锐棱角和松动部分,需每组3块。
2、试样描述
描述内容同量积法。
3、并称试样质量(ms)
将试样置于烘箱中,在105°-110℃温度下烘至恒重,一般需连续烘12小时,取出后放于干燥器中冷却至室温,然后在天平上称取烘干试样的质量。
4、封蜡
用细线将试样捆好,持线将试样徐徐浸入刚过熔点(约60℃)的蜡中,待全部浸没后既将试样提出,重复操作2—3次,使试样表面覆盖一层蜡,注意检查蜡膜中是否有气泡,若有需用烧热的针刺破再用蜡涂平孔口。
5、求试样体积
(1)将封蜡试样放在天平上称量,得封蜡试样的质量(m1);
(2)用细线将试样吊在天平一端,并使之浸没与盛水烧杯中(见2-1),封蜡试样在水的质量(m2);
(3)封蜡试样取出擦干水分后,再一次称去封蜡试样中,若称得的质量大于浸水前称得的封蜡试样的质量(m1),并超过0.03g时,说明封蜡不好,水已进入试样中,应重做试验。
(4)按下式计算试样的体积(V)
式中:
V——试样的体积(cm3);
m1——封蜡试样在空气中的质量(g);
m2——封蜡试样在水中的质量(g);
m3——试样的干质量(g);
——水的密度,一般取1g/cm3;
——蜡的密度,一般采用0.92g/cm3。
6、按下式计算岩石的块体密度
式中符号意义同前。
计算精确至0.01g/cm3。
7、本试验每组需用3块试样作平行试验,取其平均值作为岩石块体密度。
四、实验报告内容
1、整理记录表,格式如附表;
2、思考题
量积法与封蜡法各适用于什么岩石?
两种方法有何本质区别?
五、注意事项
1、在封蜡时应将试样徐徐浸入,并立即提起,以免在蜡膜中产生气泡。
2、封蜡试样在水中的质量时,应注意勿使封蜡试样与烧杯壁接触,同时应排除附在试样周围的气泡。
3、在称封蜡试样在空气中质量时,应在天平另一端放上一与捆试样之细线同等质量的细线。
实验3测定岩石的吸水率与饱和吸水率
一、基本原理
岩石的吸水率是岩石试样在大气压力和室温条件下自由吸入的水量与试样固体质量的比值,用百分数表示。
岩石的饱和吸水率是岩石试样在强制状态下(1500个大气压或真空),吸入的最大水量与试样固体质量的比值,也用百分数表示。
一般采用浸水法测定岩石吸水率,用煮沸法或真空抽气法测定岩石饱和吸水率。
在测定岩石吸水率和饱和吸水率的同时,应用水中称重法测定岩石的块体密度。
二、仪器设备
1、烘箱和干燥器;
2、天平;
3、煮沸设备或真空抽气设备;
4、水中称重装置。
三、操作步骤
1、试样制备
可采用规则试样和不规则试样,规则试样一般用边长为5cm的立方体或直径为5cm的园柱体,不规则试样一般用边长3~5cm的近似立方体岩块,并将凸出的边棱部分和松动部分清除,并清除表面附着物,每组试样需三块。
2、试样描述
描述内容同实验二。
3、试样烘干
将试样置于烘箱中,在105~110℃温度下烘干24h,取出放置于干燥器中,冷却至室温后称量(ms)。
4、试样浸水
将试样放于水槽内,试样之间应留有空隙,然后向水槽注水使试样逐步浸水,首先浸没至试样高度的1/4处,以后每隔2小时注水一次,使水位分别抬升至试样高度的1/2、3/4、4/4处,最后一次注水应高出试样顶面1-2厘米,再浸泡48小时,取出试样,用湿毛巾擦去表面水份,称取湿试样的质量(m1)
5、强制饱和
若用煮沸法饱和试样时:
将试样置于煮沸水槽内,试样之间应留有空隙,然后加水煮沸,这时应使水槽内的水位始终保持高于试样,煮沸时间应不少于6小时。
若用真空抽气法饱和试样时:
将试样放于真空干燥器内的多孔板上,加盖后开动真空泵,使干燥器内的真空度达到740毫米水银柱负压;约半小时后,经干燥器内的三开关,慢慢将水注入干燥器中,并使水面高于试样顶面,再继续抽气1-2小时,直至试样表现不再发生气泡为止,然后关闭真空泵,扭开三通开关,与空气相通,静置4小时,取出后用湿毛巾擦去试样表面水份,称取饱和试样的质量(m2)
6、称量饱和试样在水中的质量(mw)
方法同实验二中蜡封法步骤5。
7、按下列公式计算:
式中:
ωa――岩石的吸水率(%);
ωp――岩石的饱和吸水率(%);
τd――岩石块体的干密度(g/cm3);
ms――试样的干质量(g);
m1――试样浸水48h后的质量(g);
m2――试样强制饱和后的饱和质量(g);
mw――饱和试样在水中的质量(g);
计算精确至0.01%。
四、思考题
根据你所测得的岩石的吸水率(ωa),饱和吸水率(ωp),干块体密度(ρd)以及该种岩石的颗粒密度(ρs),推算岩石的各种空隙性指标,即总空隙度(n)、大开空隙度(n1)、小开空隙度(n2)、总开空隙度(n3)以及闭空隙度(n4)。
五、注意事项
1、在取样和试样制备中,不允许发生人为裂隙,一般不允许采用爆破法取样。
2、浸水时间及煮沸时间,应分别从试样完全淹没及开始沸腾后算起。
实验4测定岩石的静力变形参数
一、基本原理
岩石的变形是指岩石在外荷载作用下,内部颗粒间相对位置变化而产生与大小的变化,反映岩石变形性质的参数常用的有:
变形模量和松泊比。
岩石变形模量是指试样在单向压缩条件下,压应力与纵向应变之比,又可分为:
1、初始模量:
应力应变曲线原点处的切线斜率。
2、切线模量:
对应于应力应变曲线上某一点M处的切线斜率。
3、割线模量:
应力应变曲线某一点M与原点O的联线的斜率;一般取单轴抗压强度的50%的应变点与原点联线的斜率代表该岩石的变形模量。
泊松比是指单向压缩条件下横向应变与纵向应变之比;一般用单轴抗压强度的50%对应的横向与纵向应变之比作为岩石的泊松比。
本试验是将岩石试样置于压力机上加压,同时用应变计或位移计测记不同压力下的岩石变形值,求得应力应变曲线,然后通过该曲线求岩石的变形模量和泊松比。
目前,测记变形(或应变)的仪表很多,如电阻应变仪、千分表、线性差动变换器等等,其中以电阻应变仪使用最广,在此着重介绍这种仪器的测量方法。
电阻应变仪测量岩石应变的基本原理是将电阻应变片粘贴在试样的表面,当岩石受压变形时,电阻应变片与岩石一起变形,并使其电阻值产生变化,通过电阻应变仪的电桥装置,测出该变化的电阻值并自动转换为应变值,此值即为岩石的应变值。
二、仪器设备
1、制样设备:
钻岩机、切石机、磨片机等;
2、测量平台;
3、压力机;
4、静态电阻应变仪;
5、惠斯顿电桥、万用表、兆欧表;
6、电阻片及贴片设备;
7、电线及焊接设备。
三、操作步骤
1、试样制备
(1)样品可用钻孔岩芯或在坑槽中采取的岩块,在取样和试样制备过程中,不允许发生认为裂隙。
(2)试件规格:
采用直径5厘米,高为10厘米的方柱体,各尺寸允许变化范围为:
直径及边长为±0.2厘米,高为±0.5厘米。
(3)试样制备的精度应満足如下要求:
a沿试样高度,直径的误差不超过0.03cm;
b试样两端面不平行度误差,最大不超过0.005cm;
c端面应垂直于轴线,最大偏差不超过0.25°;
d方柱体试样的相邻两面应互相垂直,最大偏差不超过0.25°。
2、试样描述
描述内容包括:
岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等;加荷方向与岩石试样内层理、节理、裂隙的关系及试样加工中出现的问题;
3、试样尺寸测量
对园柱体试样:
直径应沿试样整个高度上分别量测两端面和中点三个断面的直径,取其平均值作为试样直径;高度应在两端等距取三点量测试样的高,取其平均值,作为试样的高,同时检验两端面的不平整度。
对方柱体:
每个边长取四个角点及中心点五处分别量测五个尺寸,取其平均值。
尺寸测量、均应精确到0.001cm。
4、试样含水状态处理
在进行试验前应按要求的含水状态进行风干、烘干或饱和处理。
(1)天然状态试样:
应在拆除密封后立即制样试验,并测定其含水量。
(2)风干试样:
在室内放置4天以上。
(3)烘干试样:
在105~110℃温度下烘干12h。
(4)饱水试样:
按实验三规定的标准进行饱水。
5、电阻应变片的粘贴及防潮处理
(1)选择电阻片 要求电阻丝平直,间距均匀,电阻片阻栅长度大于试样中最大颗粒尺寸的10倍,并小于试样的半径;作为同一试样的工作片和补偿片的规格、灵敏系数等应相同,电阻值相差不超过0.2Ω。
(2)电阻应变片应牢固贴在试样中部表面,并尽量避开裂隙和个别较大的晶体、斑晶及砾石等;纵向、横向应变片的数量不少于两片,其绝缘电阻值要大于200MΩ。
(3)贴片及防潮处理 贴片用的胶,对于烘干、风干试样可采用一般胶合剂,对天然含水状态及饱和试样,需采用防潮胶液,并作防潮处理。
(4)粘合剂干固后 用细导线与电阻应变片的引线焊接牢固,然后将导线固定并在其线头作标记以便识别。
6、电阻应变仪的调试
(1)用三芯电源线将交流电源(220V)与仪器电源插座接上,把电源开关置于“BO”短路上,预热一分钟,转动微调盘看指示电表有否偏转,如有偏转,说明仪器正常。
(2)将开关转到“阻”上,用螺丝刀调“电阻平衡”电位器,使指示电表指零,然后再将开关转到“容”上,再调节“电容平衡”电位器,使指示电表的指针指零或向零靠近。
重复上述步骤,反复调整几次,最后将开关转到“阻”上。
(3)观察灵敏度,旋转微调偏转10με时,指示电表也应指示现10με。
(4)预势0.5h后,再检查一次平衡,就可以进行测量工作。
7、安点接线
将准备好的试样放置在压力机的承压板中心,取另一贴有补偿片的试样置于试样附近,按半桥联线方式将试样导线与电阻应变仪连接,如图4-1,即在应变仪A、B接线柱之间测量片,B、C之间接补偿片。
8、预调平衡箱
作多点测量时,需使用平衡箱,予以配合,使用前也应进行调试,其步骤如下:
(1)将转换开关放在平衡位置上;
(2)选点开关调在校准上;
(3)应变仪通电并将微、中、大调盘调到零点。
应变仪电源开关旋转到“阻”上,并用螺丝刀旋转“校准”电位器,使应变仪指示表指零。
(4)将选点开关调到需要测量的点上,并调节预调平衡箱相应点的电位器,到使应变仪指示电表指零,再将应变仪电源开关放在“容”上,调节应变仪“电容平衡”电位器至指示电表指针指零或最靠近零,这样反复调整几次,使应变仪面板上的开关在指“容”和指“阻”时,指示电表指针均指零,最后将开关放在“阻”上。
(5)其余各点电阻平衡均按上述方法调试,调好后应变仪的电阻与电容平衡电位器不能再转动。
9、施加荷载
(1)开动试验机,使承压板与试样接触。
(2)以0.5~0.8MPa/s的速度施加荷载,直至试样破坏或至少超过抗压强度之50%,在加压过程中,测记各级压力下岩石试样的纵向和横向应变值。
(3)纵向、横向应变值的测读:
加载时应变仪指示电表指针偏转,这时需调整读数盘各档,使指针指零,各读数盘所指数即为应变值,正值代表压缩,负值代表拉伸,为求得完整的应力――应变曲线,所测应变值不应小于10个。
10、计算与成果整理
(1)按下式计算各级应力值:
式中:
σ――压应力值(MPa);
P――垂直荷载(N);
A――试样横断面面积(mm2)。
(2)纵制应力-纵向应变曲线、应力-横向应变及应力-体积应变曲线(图4-2)。
体积应变按下式计算:
式中:
εv――某一级应力下的体积应变;
εa――同一级应力下的纵向应变;
εc――同一级应力下的横向应变。
(3)求变形模量及泊松比
在纵向应力——应变
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