岩石常规三轴试验中位移和应变测量技术
哑咣嘿
1 岩石常规三轴试验
随着现代化经济进程，基础设施的完善，工程建筑的兴盛、新型材料的应用、地质灾害频发、环境保护的倡导。三轴试验已经广泛应用于岩土工程、建筑材料、地质灾害研究与应用等领域。在众多的三轴试验当中，常规三轴压缩试验是最为基础也是应用最为广泛的试验。特别在岩土工程领域，岩石三轴试验承担着边坡稳定、巷道(隧道)围岩维护等与岩石品质密切相关的科学研究和工程应用的重任。
1.1 常规三轴压缩试验
三轴压缩试验通常分为常规三轴压缩试验（又称假三轴压缩试验）和真三轴压缩试验，其中前者的试样处于等侧向压力的状态下，而后者的试样处于三个主应力都不相等的应力组合状态下。一般情况下岩石所处环境中水平方向压力相当，只有竖直方向上存在较大差异，本文所讨论的是常规三轴压缩试验。
常规三轴试验用圆柱或棱柱试件进行测试，试件放在试验舱中轴线处，通常使用油实现对试件侧向压力的施加，用橡胶套将试件与油隔开。轴向应力由穿过三轴室顶部衬套的活塞通过淬火钢制端面帽盖施加于试件之上。通过贴在试件表面的电阻应变片可以测量局部的轴向应变和环向应变[1]。
根据《工程岩体试验方法标准》[2]中的三轴压缩试验为强度试验。由不同侧压条件下的试件轴向破坏荷载计算不同侧压条件下的最大主应力，并根据最大主应力及相应施加的侧向压力，在坐标图上绘制莫尔应力圆；应根据莫尔—库仑强度准则确定岩石在三向应力状态下的抗剪强度参数，应包括摩擦系数和粘聚力c值。
试验机的发展由早期简单的篮子盛有重物加载到杠杆系统加载再到液压加载，经历了近5 个世纪。20 世纪30 年代到60 年代，人们在为增加压力机的刚度而努力，直到出现了液压伺服技术，并结合提高试验机的刚度才形成了可以绘制材料全应力-应变曲线较为成熟的技术[3]。
1.2 液压三轴试验机
图1-2 橡胶密封机制
a 将套筒插入试验舱
b 组装试验舱
c 将液压油充满试验舱
d 插入试件（包括应变片）
e 插入球形支座
f 进行常规三轴试验
g 试验后取出岩石试件
在采用液压私服技术的三轴试验中，应变片导线穿过密封橡胶套
筒、试验液、以及带隔塞的实验舱。该方法虽然可行，但其试验舱的组装相对复杂。为简化
试验操作，Hoek, E.和Franklin等人[04]在1968年对三轴试验机的试验舱部分进行了重新设
计，其三轴试验机如下图1-1所示。
图1-1中，贴有双向应变片的圆柱形岩石试件被包裹在橡胶套筒中，橡胶套筒两端为U
型。端部U型橡胶套筒的密封机制见图1-2。试件及套筒位于在钢制圆筒形试验舱中心，实
验舱上下两端设有开孔盖帽。油填通过输油孔将套筒和试验舱间空隙
填满并施加油压。试件、压板以及应变计导线都可以插入试验舱进行试验，试验后可以在不
破坏试验舱密封条件的情况下取出试件。具体试验步骤见图1-3。
图1-1 三轴试验机试验舱剖面图
h拆解试验舱（试件变形大）图1-3 三轴试验步骤示意图
2三轴试验变形测量
相比于单轴试验，三轴压缩试验中岩石试件被包裹在橡胶套中且受到侧向油压，应变片则夹在试件于乳胶套筒中间，其导线通过图1-2中试验舱的底盖与加压装置间的缝隙连接到试验舱外部的数据接收装置，这就是传统三轴试验中变形测量的困难所在。
除了应变片式应变计外，土和岩石的三轴压缩试验中还采用诸如LVDT局部应变传感器、图像测量系统等测量技术。这些测量技术各有其优点，测量技术的丰富也使得三轴试验的变形测量更加方便准确。
2.1 应变片
2.1.1 应变片原理
应变片于1938年先后由Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge各自独立地发明出来。一般地，应变片（见图2-1）由绝缘基片与金属敏感栅组成。应变片需要使用正确的粘合剂与物体相连接，比如502胶水。当被测部件受外力变形时，敏感栅也随之变形，因此敏感栅的电阻值会产生相应的变化。一个典型的应变片，其主测试方向为水平方向。敏感栅外部的标记线便于粘贴时应变片对齐所测应变方向。
图2-1 应变片
应变片很好地利用了导体的物理特性和几何特性。当一个导体在其弹性极限内受外力拉伸时，其不会被拉断或产生永久变形而会变窄变长，这种形变导致了其端电阻变大。相反，当一个导体被压缩后会变宽变短，这种形变导致了其端电阻变小（如图2-2所示）。通过测量应变片的电阻，其覆盖区域的应变就可以演算出来。应变片的敏感栅是一条窄导体条曲折排列成的一组平行导线，这样的布置方式可将基线方向的微小变形累积起来以形成一个较大的电阻变化量累计值。应变片的测量对象只有其所覆盖区域的变形量，足够小的应变片可在诸如有限元式的应力分析当中使用。
图
2-3 惠斯登电桥
图2-2
应变片变形示意图
应变片测量的计算公式如下：
式中： ——目标应变；
——应变片敏感系数，K 值与敏感栅的材料和几何形状等有关，是由制造厂家用标
准应变设备抽样标定后，提供给使用者的；
——电阻变化值；
——初始电阻值。 为了测量,就要测得,而是通过惠斯登电桥
测得的,电桥如图2-3,其作用是将电桥的电阻变化转换成电压输出。电阻、、、构成电桥的
四个桥臂,它们可用应变片代替。其中两个对角AC
为供桥端，供给直流电压VAC 来表示，另两个对角
BD 为输出端，输出电压用UBD 来表示。工作时只
有两个相邻桥臂电阻发生变化的称为半桥接法，四
个桥臂电阻均发生变化的称为全桥接法。
（
1） 当采用半桥接法时，输出电压为：
电桥的平衡条件为=0，一般的电阻应变仪都设计为等比电桥，即： ，
所以电桥的原始状态是平衡的。当测量的构件受力作用时，构件的变形使粘贴于上的电阻应变片也跟着变形而产生电阻的变化。如AB 桥臂上这个电阻应变片（简称工作片），它从变化为
+，其他的几个桥臂固定不动。这就造成了电桥的不平衡，将有一个电压输出，即：
由于应变测量时，电阻变化率甚小,
，因此：
（2
） 当采用全桥接法时，输出电压为：
设等臂电桥的，工作时四个电阻都要产生电阻变化量，其
变化量分别为、、、，则可近似认为：
故应变仪器读数：
图2-5 加围压应变测量结果 图2-4 棱柱试件应变片布置 2.2.2 应变片选择及布置
在进行三轴试验的设计时，需要选择合适该试验的应变片，选择应变片的步骤如下：
（1）首先根据应用精度、环境条件选择应变计的系列；
（2）根据试件大小尺寸、粘贴面积、曲率半径、安装条件、应变梯度选择敏感栅栅长；
（3）根据应变梯度、应力种类、散热条件、安装空间、应变计电阻等选择敏感栅结构；
（4） 根据使用条件、功耗大小、最大允许电压等选择标称电阻；
（5） 根据试件材料、工作温度范围、应用精度选择温度自或弹性模量自补偿系数；
（6） 根据弹性体的固有蠕变特性、实际测试的精度、
工艺方法、防护胶种类、密封形式等选；
（7） 根据实际需要选择应变计的引线连接方式。
这里以K.HAYANO 和T.SATO 等人对软质泥岩的三轴压
缩试验为例，试件为
棱柱体，尺寸为
，试验的变形应变计采用应变片，
共4对应变片用于测量岩石试件的轴向和侧向变形（如图
2-4所示）。其中
竖向应变片一对，长80mm 长；侧向应变片三对，长60mm 。
从上述文献不难看出，竖直方向的应变片长度长于侧向，这是由于试件的截面尺寸为 80mm 80mm ，在选择侧向应变片的时候应变片长度不单要小于截面80mm ，还需要预留出一段距离便于应变片的粘贴。而相试件的轴向尺寸两倍于侧向尺寸，选择栅长较长的应变片能够覆盖更大的测量范围，即使得测得的数据更加反应应变的平均值。此外，虽然试件的两对侧面均布置了应变片，这是为了沿试件高度方向均匀布置侧向应变计，这样能通过三对侧向应变片采集的应变数据反应试件不同高度处的变形情况。该试验为常温下的三轴试验，对于高地应力的岩石试件进行试验时，往往需要对试件在高温高压的环境下的物理力学性能做出评测，这时需要应变片能够在高温环境下保持一定的敏感度并稳定工作。
2.2.3 应变片测量缺陷及解决
根据刘晓红等人[6]的研究，在进行试件实测时一般只记录
加轴向压力后岩样的变形情况，有时也记录加围压过程中岩石
的应变, 但资料并不理想, 常常无法利用。如图2-5所示，理论
上来说试验中无论是轴向应变还是横向应变都是压缩应变，且与围压成正比关系。但实测情况下，加围压时，有时记录得到
的是拉伸变形即c 线；有时记录到压缩变形后又变成拉伸变形即b 线。而且每次试验中压缩、拉伸应变值也都不相同。这种复杂的结果常常使得加围压过程中应变的测量资料无法利用。
图
2-8 LVDT 位移传感器原理
加围压前 加围压后
图2-6 加围压前后应变片变化
通过显微镜对加压前后应变片变形的情况（图2-6）进行对比，不难发现，在加压之前，应变片非常平坦；加围压后，应变片上了一些下凹的小坑，坑的直径约为1mm 左右。不同的应变片受到围压作用后，其上坑的数量、大小和分布各不相同。 进一步用显微镜直接观察经过加工后的岩样表面, 发现岩样表面上存在着许多小坑, 不管加工多么仔细( 甚至经过无心磨床研磨) 岩石表面的矿物颗粒总有极少量的脱落, 从而在表面上形成一些小坑, 坑的直径与矿物颗粒直径接近, 深度约0.1~0.3mm 不等。因此，当我们把一片平坦的应变片贴在岩样表面时，由于围压的作用，应变片会局部逐渐地被压入岩样表面的小坑。由于小坑深度有限，大多数情况下，应变片不会被压断，而是出现了永久变形。虽然岩样受到了压缩，但这种实际上被加长的应变片记录得到的却是拉伸应变。可以这样来理解，加围压过程中的应变测量结果: 应变片记下的应变反映了两种结果, 一种是岩样的变形, 而另一种是应变片本身形状变化( 这种变化与围压大小有关)。由于岩样表面小坑情况很复杂, 有时有小坑, 有时又没有,有时小坑多, 有时小坑少。因此, 在加围压过程中应变片形状变化也是不确定和难以预测的。
通过对岩样预先施加一定的围压值，再卸掉围压至零，再重新增加围压。如此当围压到达预先施加的围压值之前，应变片的永久变形不会再发生变化了，此时应变测量的结果则完全表示了岩样在围压下的变形情况。但如果岩石试件需要达到较高的应力状态甚至破坏阶段，则在围压值到目标应力值的区段内仍旧会包含应变片本身的变形影响。
2.2 LVDT 局部应变传感器
LVDT （Linear Variable Differential Transformer ）是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。可以直接在试样上测量轴向和径向小应变，是一款优质的位移传感器。局部应变传感器又分为轴向应变测量装置和径向局部应变传感器两种，如图2-7所示。
轴向应变测量 径向局部应变测量
图2-7 LVDT 位移传感器
2.2.1 LVDT 传感器原理
LVDT 传感器的工作原理简单地说是铁芯可动变压
器。如图2-8所示，它由一个初级线圈，两个次级线
圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。初级线圈、
次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零；当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁芯的位移量成线性关系。
2.2.2 LVDT传感器特点
（1）无摩擦测量
LVDT 的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT是没有摩擦的部件。
它被用于可以承受轻质铁芯负荷，但无法承受摩擦负荷的重要测量。
（2）无限的机械寿命
由于LVDT的线圈及其铁芯之间没有摩擦和接触，因此不会产生任何磨损。
（3）无限的分辨率
LVDT的无摩擦运作及其感应原理使它具备两个显著的特性。第一个特性是具有真正的无限分辨率。这意味着LVDT可以对铁芯最微小的运动作出响应并生成输出。外部电子设备的可读性是对分辨率的唯一限制。
（4）零位可重复性
LVDT构造对称，零位可回复。LVDT的电气零位可重复性高，且极其稳定。
（5）轴向抑制
LVDT对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。
（6）坚固耐用
制造LVDT所用的材料以及接合这些材料所用的工艺使它成为坚固耐用的传感器。即使受到工业环境中常有的强大冲击、巨幅振动，LVDT也能继续发挥作用。铁芯与线圈彼此分离，在铁芯和线圈内壁间插入非磁性隔离物，可以把加压的、腐蚀性或碱性液体与线圈组隔离开。这样，线圈组实现气密封，不再需要对运动构件进行动态密封。对于加压系统内的线圈组，只需使用静态密封即可。
（7）环境适应性
LVDT是少数几个可以在多种恶劣环境中工作的传感器之一。用不锈钢外壳的密封型LVDT可以置于腐蚀环境或类似液氮的低温环境以及核反应堆主安全壳内高达550℃的高温环境。
（8）输入/输出隔离
LVDT被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入（初级）和输出（次级）是完全隔离的。LVDT无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号计算元件。在高效的测量和控制回路中，它的信号线与电源地线是分离开的。
如上所述，LVDT具有诸多卓越的品质。它的主要限制是，为得到线性性能，传感器的外壳要比行程长，还有输出信号对输入被测量存在一定的非线性。采用专门的调节技术，可以改进行程对外壳的长度比和非线性问题，其中一个技术就是增加微控制器进行校正。LVDT 具有良好的重复性，这一技术是可行的。基于以上的优点，LVDT测量技术为工程界广泛采用，在诸如GDS、GCTS等公司生产的三轴试验机的组成介绍中都可以看到。
2.3 数字图像测量
数字图像相关技术是一种采用图像追踪并配准以准确对图像进行二维或者三维测量的光学方法。常用于科学工程领域的变形、位移、应变等的测量。该方法是一种通过图像相关点进行对比的算法，可计算出物体表面位移及应变分布，（图形中用红色标出）。整个测量过程，只需以一台或两台图像采集器，拍摄变形前后待测物图像，经运算后3D全场应变数据分布即可一目了然。不像应变片需花费大量时间做表面的磨平及黏贴，同时也只能测量到一个点某个方向的应变数据。也不像条纹干涉法对环境要求严格。DIC方法获得的数据为全场范围内的3D数据。DIC用于分析、计算、记录变形数据。采用图形化显示测量结果，便于更好地理解和分析被测材料的性能。系统识别测量物体表面结构的数字图像，为图像像素计算坐标，测量工程的第一个图像表示为未变形状态。在被测物体变形过程中或者变形之后，采集连续的图像。系统比较数字图像并计算物体纹理特征的位移和变形。该系统特别适合测量静态和动态载荷下的三维变形，用于分析实际组件的变形和应变[11]。
2.3.1 三轴试验中的数字图像技术
（1）数字图像相关
图像处理方法在三轴试验中应用相对较少，原因在于三轴压力室的圆筒形状会导致较大的图像畸变。20 世纪90 年代末NASA 资助的太空项目中，Alshibli 等[7]将 3 个CCD 摄像机应用于干砂三轴剪切试验中的变形观测，并结合CT 机重构了试样的三维形态。瑞士Philippe等[8]将2个CCD摄像机分别放置在试样的正面和侧面（夹角90°），通过提取试样轮廓信息来计算体变。
N. Lenoir 等人[10]在对泥质岩进行的三轴压缩试验中，用X射线微断层摄影得到试件的完整3D图像，并通过DIC（Digital Image Correlation）数字图像相关技术进行处理。试验中的图像采集设备如图2-9所示。
图2-9试验图像采集装置
试验装置包括一个小的三轴试验舱和一个针对黏土和泥质岩的X射线微断层摄影而设计的加载装置。其中三轴试验装置同典型的常规三轴试验装置相同，但其尺寸更小以及试验舱的侧壁为了满足X射线的透射的需要以及10MPa的围压及舱内液压带来的拉应力的强度要求。轴向荷载和应力误差通过位移量进行控制。加载系统部分受到X射线的直接照射，为了不影响对试件微裂缝的扫描，这一部分的加载装置非常致密且轻。
试验所使用的X射线束为白色光束具有最高的光子通量可用，并通过一个11极摆动产生的。值得注意的是光束通过硬件滤除了低能量光子，这就避免了硬化。在此研究中使用的X射线能量范围为50-70kV，允许穿过试验舱侧壁去，围压液体和样品（图2-10所示）。该光学系统包括一个将X射线转换为可见光的荧光屏、一个单倍物镜和一个10241024像素的Dalstar CCD照相机组成，系统图像采集时间极短。一次完整的扫描由围绕物体180°均等分的1200次拍摄记录组成。每一次的曝光时间为0.04s。空间的分辨率达到了
14。视图领域宽14mm，3.65mm厚，能够对试件进行覆盖式扫描。在每次扫描时，系统对261个连续薄片同时进行记录。如此一叠薄片合起来成为试件的一个部分。整个试件（直径10mm，高20mm）由六部分组成，其扫描完成时间不超过15min。这些3D 子图像连接成一个代表全样本大型图像，包括橡胶外套。其像素尺寸通常为9259251325。
图2-10 X射线束穿越试件到荧光屏示意图
（2）数字图像处理
数字图形处理DIP（Digital Image Processing）是利用计算机算法来执行数字图像的数据处理。作为一个子类别或场的数字信号处理，数字图像处理拥有许多优点模拟影像处理。它允许被应用到输入数据更广范围的算法和可避免的问题，例如在处理过程中的噪声和信号失真的积聚。由于影像通过二维（或许更多）中所定义的数字图像处理可以以的形式进行建模多维系统。
在P. Gachet和F. Geiser等人[12]的试验中，研究人员采用自动数字图像处理技术以进行实践在三轴试验中体积变化的测量。具体布置如图2-11所示，将数字摄像机固定在距离三轴试验舱一定距离的位置，在试验过程中按照设定的变化间隔时差进行拍照，使用轮廓技术提取时间的体积进而进行体积应变的测量。通过一个刚性试件的体积与其图像进行比对设计系统的校正程序。
图2-11 数字图像设备布置
2.3.2 图像测量技术特点
邵龙潭和郭晓霞等人[9]将数字图像测量技术应用于实验室常规土工三轴试验中，解决了常规土工三轴试验传统变形测量中的一系列难题，克服了传统变形测量技术存在的缺陷和不足，为土工三轴试验提供了一种新的、更为准确和有效的应变测量手段。应用数字图像测量技术可以实现变形过程的非接触直接测量，不扰动土样的变形，除了具有较高的测量精度外，还具有以下优点：
（1）可以同步测量多断面的径向变形和多段土体的轴向变形,可以直接测量土样的任一局部变形;
（2）既适用于小变形测量也适用于大变形测量;
（3）体积变形测量不受土样饱和程度的限制，可以直接用于非饱和土样的变形测量;
（4）实时保存变形图像，可以在试验结束后重新观察和分析整个试验过程;
（5）除了需要对压力室作适当改进外，可以直接应用于任何常规三轴试验仪。
2.3.3 图像测量技术应用难点
目前对于数字图像技术多为土材料相关的试验所使用，其原因主要在于土三轴试验中围压值一般远低于岩石三轴试验。而围压值的大小对于三轴试验仪中试验舱侧壁的材料选择起到重要作用，即岩石三轴仪中试验舱侧壁的强度应远大于土三轴试验。在满足试验舱侧壁强度的基础之上，还需要满足允许数字图像系统的数据采集，如文献[10]中侧壁满足X射线的穿透且其致密程度、密度等特性应当与被测试件相区别开来。而在实际情况下，岩石材料一般结构致密且密度较大，满足岩石三轴试验围压要求的侧壁多为金属材料，结构致密程度及密度稍大于岩石，这就给数据处理上带来了很多困难。所以当前采用图像测量技术进行岩石三轴试验主要针对泥质岩这一类强度较弱的岩石，其常规三轴压缩试验的性质也更接近于土三轴试验。
如果材料领域能够研制处满足高强度要求的轻质、密封性好材料，图像测量技术在岩石三轴压缩试验中的困难将迎刃而解。图像测量技术也会将三轴压缩试验带上新的高度。
3结论与展望
（1）在岩石常规三轴压缩试验的变形测量方面，以应变片和LVDT两种位移传感器为主，而数字图像测量技术由于试验舱侧壁材料等因素限制，尚不成熟；
（2）相比于土三轴压缩试验，岩石三轴压缩试验的变形测量约束条件更多，因而发展较慢；
（3）对于一般环境下的岩石常规三轴试验，选择应变片进行变形测量更为经济；
（4）对于例如高温高压下的常三轴试验，或者传感器与试件接触造成的影响不容忽略时，选择LVDT传感器一般能够满足要求；
（5）在被测岩石试件强度较低时，可以考虑用改进的土三轴试验机及数字图像技术进行变形测量。
测量变形的传感器技术总体向着满足无接触、全方位、精确化、便捷等方面发展。这使得关于岩石的承载力、变形特性等方面的研究更加真实而全面。
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实验五岩石单轴压缩实验 一.实验目的 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。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 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； 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。 三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mm×50 mm×100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。 2. 加工精度： a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。 c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显
缝隙。 3.试样数量： 每种状态下试样的数量一般不少于3个。 4.含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d ，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。 四.电阻应变片的粘贴 1.阻值检查：要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电阻值一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超过0.5Ω。 2.位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部，纵向、横向应变片排列采用“┫”形，尽可能避开裂隙，节理等弱面。 3.粘贴工艺：试样表面清洗处理→涂胶→贴电阻应变片→固化处理→焊接导线→防潮处理。 五.实验步骤 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 1—百分表 2-百分表架 3-试样 4水平检测台 图5-1 试样平行度检测示意图 1—直角尺 2-试样 3- 水平检测台 图5-2 试样轴向偏差度检测示意图 图5-3 电阻应变片粘贴
第四单元地球的运动 实验名称：昼夜交替的模拟实验（1） 课题和页码：《昼夜交替现象》第73-74面 实验目的： 1.昼夜交替现象有多种可能的解释。 2.昼夜现象与地球和太阳的相对圆周运动有关。 3.提出地球产生昼夜现象的多种假说，并且进行验证，根据实验的情况修正自己的解释。 实验器材：手电筒、乒乓球等 实验步骤： 1.提出昼夜交替的各种假说。（a地球不动，太阳围着地球转。b太阳不动，地球围着太阳转。c地球自转。d 地球围着太阳转，同时地球自转。……） 2.讨论昼夜交替的模拟实验方案。（用手电筒模拟太阳，用乒乓球模拟地球，在乒乓球上选一个点作为我们的观察点。） 3.模拟假说a：乒乓球不动，手电筒围绕着乒乓球转动。 4.模拟假说b：手电筒不动，乒乓球围绕着手电筒转动。 5.模拟假说c：手电筒不动，乒乓球自己转动。 6.模拟假说d：手电筒不动，乒乓球自己转动的同时围绕手电筒转动。 7.画出实验的示意图来，用箭头线表示手电筒和乒乓球的运动方式和方向。 8.分析和归纳。 实验记录单： 现象和结论：昼夜交替现象有多种可能的解释。 实验名称：摆的方向的研究（2） 课题和页码：《证明地球在自转》第77面 实验目的： 1.知道摆具有保持摆动方向不变的特点。 2.通过摆的实验探究，了解摆的特点，并借此理解“傅科摆”的原理。 实验器材：摆、圆形底盘 实验步骤： 1.用铁架台做支架，挂上一个摆。 2.将铁架台和摆一起放到一个圆底盘上。
3.让摆前后来回摆动起来，然后缓慢而平稳地转动圆底盘，观察摆摆动的方向是否发生变化。 4.再做一次圆底盘转动的实验。 5.记录实验现象。交流和讨论，概括实验结论。 实验记录单： 现象和结论：摆具有保持摆动方向不变的特点。 实验名称：谁先迎来黎明（模拟实验）（3） 课题和页码：《谁先迎来黎明》第79-80面 实验目的： 1.知道天体的东升西落是因地球自转而发生的现象。地球的自转方向决定了不同地区迎来黎明的时间不同，东边早西边晚。 2.通过生活经验和体验活动，理解相对运动，并用来解释太阳等天体的视运动。.根据天体视运动的方向推导地球自转的方向。 实验器材：代表不同地区与太阳的纸片等 实验步骤： 1.观察地球仪或地图上北京和乌鲁木齐两个城市，并确认它们的位置关系。 2.小组的同学手拉手面朝外围成一个圆圈模拟“地球”。 3.其中一个同学身上贴上写有“北京”和“东”的纸片，代表“北京”；在他右手边的一个同学身上贴上“乌鲁木齐”和“西”的纸片，代表“乌鲁木齐”。 4.一个同学站在圈外举一个红色纸片，代表“太阳”。 5.大家按照由西向东的方向（即逆时针方向）慢慢转动，看看“北京”和“乌鲁木齐”谁会先见到“太阳”。然后大家再按照由东向西的方向（即顺时针方向）慢慢转动，看看又是谁先看到太阳。 6.总结实验发现。 现象和结论：地球自转方向不同，迎来黎明的时间也就不同。按逆时针的方向转动，北京将先迎来黎明，按顺时针方向转动乌鲁木齐将先迎来黎明。 备注：北京和乌鲁木齐相对位置是北京在东。 实验名称：认识时差（4） 课题和页码：《谁先迎来黎明》第80-81面 实验目的： 1.知道地球的自转方向决定了不同地区迎来黎明的时间不同，东边早西边晚。 2.知道不同地区所处的经度差决定了地区之间的时差。 实验器材：世界时区图
浅析岩石单轴压缩变形试验的影响因素 在实际工作中，由于对岩石力学性质评论是公路、铁路等工程地质勘察不可或缺的要素，因此采取岩石单轴压缩试验这种最通用的试验方法，研究岩石变形，成为岩石力学问题的重要内容之一，这也对实际工程施工原料选择起到一定的参考作用。这个问题的研究由于操作起來比较方便，理论基础比较明显，所以被广泛应用于工程实践和各种科研工作中。作者试图按照这个理论的思路，简单分析岩石单轴压缩变形试验的影响因素，进而为相关科研和实际工程施工提供一些有参考价值的东西。 标签：岩石；单轴压缩变形；影响 引言 岩石单轴压缩变形试验是检验岩石抗压承载力的一种试验，属于物理试验的范畴。文章中提出的试验模型主要是用花岗岩、泥岩两种规则形状的岩石作为试样，用单轴荷载来进行压力作用，来测定其纵向和横向的变形量，进而形成相应的应力—应变曲线，得出弹性模量及泊松比。作者以花岗岩和泥岩两种岩石为试验样本，采取弹性模量试验对两种岩石的受力变形等情况进行对比和分析，来具体总结影响岩石压缩变形试验的主要因素有哪些。 1 弹性模量的概念及其取值方法 1.1 弹性模量的概念 弹性理论是以应力、应变的线性关系为基础的一种理论，其中应力与应变之比就是弹性模量，从力学角度来看它表示岩石材料的坚硬程度，更具体地来说是指岩石材料在压缩或拉伸时，材料对弹性变形的抵抗能力，这是在本类试验中应用的重要基础理论和概念。 1.2 岩石弹性模量的取值方法 根据国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会的《岩石力学试验建议方法》，岩石弹性模量的取值方法主要是割线弹性模量及泊松比的取值方法，以抗压强度50%时的变形量为基础，在纵向应力—应变曲线上的原点与应力相应于极限抗压强度50%处的应力点的连线，其斜率为割线模量，横向应变与纵向应变的比值就是泊松比。一般来说，在实际工作中，大多数岩石这个应力水平下仍处于弹性范围内，很少出现细微裂缝扩展乃至断裂破碎等现象。 2 影响岩石弹性模量的主要因素 2.1 构成岩石的矿物及岩石物理性质的影响
实验名称：岩石单轴压缩实验 一实验目的： 1.了解RFPA软件，熟悉软件界面，了解软件用途。 2.掌握软件RFPA的原理及使用方法。 3.了解岩石在外界压力的作用下的破碎情况。 4.掌握RFPA软件模拟岩石单轴压缩的过程。 二实验步骤： 1、熟悉RFPA软件界面，了解软件个部分的作用。见图1-1： 图1-1 2、运用软件进行相关试验 (1)试验模型 试样模型尺寸100mm×50mm ，网个划分为100×100个基元。采用平面应力问题，整个加载过程通过位移加载方式。力学性质参数如下表： 表2-1
（2）网格划分和参数赋值 网格的划分以及其他参数的赋值见下图2-1，2-2： 图2－1 岩石试件及参数设定值 图2－2 岩石试件参数设定 (3)边界条件和控制条件的选定 点击主面板上的控制键Boundary conditions，进行设置边界条件，其具体数据如
图2－3： 图2－3 加载力的数值设置 打开主面板上的Built，选择Control Information进行完成这个实验的步骤设置，具体数据如图2－4： 图2－4 加载步数设定 (4)计算过程以及结果分析 压缩破裂过程见图2-5：
图2-5压缩破裂过程
结果曲线分析，N-S曲线见图2-6 图2-6N-S曲线 从数值试验得到的载荷-位移全过程曲线再现了如下基本的岩石力学性质 ○1.线性变形阶段。在加载的初期，载荷-位移曲线几乎是线性的。 ○2.非线性变形阶段。当载荷达到试件最大承载能力的50%左右时，试件的变形开始偏离线性，部分基元破坏。 ○3.软化阶段。当达到最大载荷之后，使试件进一步变形的载荷越来越小，进入弱化阶段，直至试件产生宏观破坏。 三实验结论及体会 试验数值表明，试件在破坏过程中,开始出现许多小裂纹，再进一步加载的条件下，试件中突发性地出现了由一系列小张裂纹汇集成的一个剪切带。载荷的宏观破裂带是由宏观剪切应力带中的大量细观拉伸微破裂汇聚形成的。同时，试件的宏观破坏并非发生在试件达到峰值应力的瞬间，而是在试件所受的载荷达到峰值应力以后的某个应力降之后。这个结果表明，岩石介质在达到最大承载能力之后，仍具有一定的承载能力。
岩石力学实验指导书及实验报告 班级 姓名 山东科技大学土建学院实验中心编
目录 一、岩石比重的测定 二、岩石含水率的测定 三、岩石单轴抗压强度的测定 四、岩石单轴抗拉强度的测定 五、岩石凝聚力及内摩擦角的测定（抗剪强度 试验） 六、岩石变形参数的测定 七、煤的坚固性系数的测定
实验一、岩石比重的测定 岩石比重是指单位体积的岩石（不包括孔隙）在105～110o C 下烘至恒重的重量与同体积4o C 纯水重量的比值。 一、仪器设备 岩石粉碎机、瓷体或玛瑙体、孔径0.2或0.3毫米分样筛、天平（量0.001克）、烘箱、干燥器、沙浴、比重瓶。 二、试验步骤 1、岩样制备：取有代表性的岩样300克左右，用机械粉碎，并全部通过孔径0.2（或0.3）毫米分样筛后待用。 2、将蒸馏水煮沸并冷却至室温取瓶颈与瓶塞相符的100毫升比重瓶，用蒸馏水洗净，注入三分之一的蒸馏水，擦干瓶的外表面。 3、取15g 岩样（称准到0.001克）得g 借助漏斗小心倒入盛有三分之一蒸馏水的比重瓶中，注意勿使岩样抛撒或粘在瓶颈上。 4、将盛有蒸馏水和岩样的比重瓶放在沙浴上煮沸后再继续煮1～1.5小时。 5、将煮沸后的比重瓶自然冷却至室温，然后注入蒸馏水，使液面与瓶塞刚好接触，注意不得留有气泡，擦干瓶的外表面，在天平上称重得g 1。 6、将岩样倒出，比重瓶洗净，最后用蒸馏水刷一遍，向比重瓶内注满蒸馏水，同样使液面与瓶塞刚好接触，不得留有气泡，擦干瓶的外表面，在天平上称重得g 2。 三、结果：按下式计算： s d g g g g d 1 2-+= 式中：d ——岩石比重； g ——岩样重、克； g 1——比重瓶、岩样和蒸馏水合重、克； g 2——比重瓶和满瓶蒸馏水合重、克； d s ——室温下蒸馏水的比重、d s ≈1
岩石常规三轴试验中位移和应变测量技术 哑咣嘿
1 岩石常规三轴试验 随着现代化经济进程, 基础设施的完善, 工程建筑的兴盛、新型材料的应用、地质灾害频发、环境保护的倡导。三轴试验已经广泛应用于岩土工程、建筑材料、地质灾害研究与应用等领域。在众多的三轴试验当中, 常规三轴压缩试验是最为基础也是应用最为广泛的试验。特别在岩土工程领域, 岩石三轴试验承担着边坡稳定、巷道(隧道)围岩维护等与岩石品质密切相关的科学研究和工程应用的重任。 1.1 常规三轴压缩试验 三轴压缩试验一般分为常规三轴压缩试验( 又称假三轴压缩试验) 和真三轴压缩试验, 其中前者的试样处于等侧向压力的状态下, 而后者的试样处于三个主应力都不相等的应力组合状态下。一般情况下岩石所处环境中水平方向压力相当, 只有竖直方向上存在较大差异, 本文所讨论的是常规三轴压缩试验。 常规三轴试验用圆柱或棱柱试件进行测试, 试件放在试验舱中轴线处, 一般使用油实现对试件侧向压力的施加, 用橡胶套将试件与油隔开。轴向应力由穿过三轴室顶部衬套的活塞经过淬火钢制端面帽盖施加于试件之上。经过贴在试件表面的电阻应变片能够测量局部的轴向应变和环向应变[1]。 根据《工程岩体试验方法标准》[2]中的三轴压缩试验为强度
试验。由不同侧压条件下的试件轴向破坏荷载计算不同侧压条件下的最大主应力, 并根据最大主应力及相应施加的侧向压力, 在坐标图上绘制莫尔应力圆; 应根据莫尔—库仑强度准则确定岩石在三向应力状态下的抗剪强度参数, 应包括摩擦系数和粘聚力c值。 试验机的发展由早期简单的篮子盛有重物加载到杠杆系统加载再到液压加载, 经历了近5 个世纪。20 世纪30 年代到60 年代, 人们在为增加压力机的刚度而努力, 直到出现了液压伺服技术, 并结合提高试验机的刚度才形成了能够绘制材料全应力-应变曲线较为成熟的技术[3]。 1.2 液压三轴试验机
岩体力学实验 一.实验目的 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。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 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； 5.J216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。 三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1.试样规格：采用直径为50 mm,高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mnh< 50 mnh< 100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。 2.加工精度： a平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5- 1 所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2mm,用游标卡尺检查。 c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显
3. 试样数量：每种状态下试样的数量一般不少于 3个。 4. 含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内 1?2 d ,以保持一定的湿度，但试样不得接触水面 四?电阻应变片的粘贴 1. 阻值检查：要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电 阻值 一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超 过 0.5 ◎ 2. 位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部， 纵 向、横向应变片排列采用T ”形，尽可能避开裂隙，节理 等弱面。 3. 粘贴工艺：试样表面清洗处理 -涂胶一贴电阻应变片 -固化 处理一焊接导线一防潮处理。 五?实验步骤 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。 缝隙 图5-2试样轴向偏差度检测示意图 图5-3电阻应变片粘贴
温度计的秘密 实验名称：液体热胀冷缩实验 实验器材：保温杯（内装热水）、小烧杯（一个装有冷水）、水胀缩实验小瓶（由带塞针剂小药瓶、红色水、细饮料管构成，在管外套一个小胶圈，用来标记管内液面高度）、用与上面相同的方法组装的煤油胀缩实验小瓶、酒精胀缩实验小瓶。 实验结论：根据水、煤油、酒精有热胀冷缩性质，归纳出液体都有热胀冷缩的性质。 注意事项：小药瓶要贴上标签，不要混用。 实验记录单
实验名称：气体热胀冷缩实验 实验器材：锥形烧瓶、大烧杯、小气球、细线、盛开水的保温瓶 试验方法：用细线把小气球扎于锥形瓶口。把锥形瓶放入烧杯后，灌进开水加热，由于瓶内空气受热膨胀，原来垂下的气球就会竖立胀大。把锥形瓶取出，随着瓶内空气冷却收缩，气球又逐渐变小。 实验结论：气体具有热胀冷缩的性质 注意事项：1.锥形瓶与气球的连接处不能漏气。为使现象明显，可预先向瓶内吹一些气。 2.锥形瓶可用开口较小、容量较大的其他薄壁玻璃瓶代替。如果能找到壁很薄的气球，光靠手掌提供的热量（双手握瓶），也能使气球竖立起来。 实验记录单
实验名称：固体热胀冷缩实验 实验材料：铁垫圈一个，木板、小钉两个，酒精灯、镊子、冷水、烧杯 实验方法：1.在木板上钉两个钉，便两钉间的距离正好通过铁垫圈 2.加热前，观察铁垫圈确能从铁钉间通过 3.将铁垫圈在酒精灯火焰上加热 4.观察加热后铁垫圈能不能从两钉间通过 5.将铁垫圈在冷水里浸一下，观察能不能从两钉间通过。 实验结论：固体具有热胀冷缩的性质 注意事项：1.垫圈最好是铜的，直径要大一些。 2.两钉间距要恰好通过铁垫圈，缝隙越小越好。 实验记录单
地质学基础实验报告 课 程 名 称 地质学基础实验名称矿物和岩石的识别并对岩石准确命名实 验教室土壤实 验室 实验日 期 2010．10-2011.1 班级一班 学 生姓名阳金秀 实验成 绩 任课教师 （签名） 实 验目的及内容（1）通过在室内对手上的标本的观察，认识常见的矿物和岩石，掌握其各种物理特征； （2）区分相似矿物； （3）根据各种特征对岩石准确命名； （4）对矿物和岩石进行分类；
实 验 样 品 各种矿物和岩石标本 实验过程（1）观察各种矿物的集合体形态（粒状、片状、致密块状等集合体）和物理性质（颜色、光泽、解理等）， （2）还可以利用条痕板观察矿物的条痕，用指甲或小刀来估计硬度； （3）对矿物进行分类； （4）观察岩石的颜色，矿物成分； （5）按三大类岩石进行分类； （6）观察火成岩的结构、构造，对火成岩进行分类； （7）观察沉积岩的颜色、成分、结构、构造，对沉积岩分类； （8）观察变质岩的矿物、结构、构造等 实验结果分析矿物分类： 类型碳矿物硫化物氧化物及 氢氧化物 含氧盐类 矿物 其他盐类 矿物 主要矿物 石墨 辉铜矿、方 铅矿、辉锑 矿、辰砂、 黄铁矿、黄 铜矿 赤铁矿、褐 铁矿铝土 矿、石英碧 玉、玉髓 正长石、斜 长石、橄榄 石、普通辉 石、普通角 闪石、云 母、绿帘 石、蛇纹 石、滑石石 榴子石、方 解石、重晶 石 磷灰石、萤 石、
三大岩类： 火成岩沉积岩变质岩 矿物成分均为原生矿物，成分 复杂，常见的有石 英、长石、角闪石、 辉石、橄榄石、黑云 母等矿物成分 除石英、长石、白云母等原 生矿物外，次生矿物占相当 数量，如方解石、白云石、 高岭石、海绿石等 除具有原岩的矿物成 分判尚有典型的变质 矿物，如绢云母、石 榴子石等 结构以粒状结晶、斑状结 构为其特征 以碎屑、泥质及生物碎屑、 化学结构为其特征 以变晶、变余、压碎 结构为其特征 构造具流纹、气孔、杏仁、 块状构造 多具层理构造、有些含生物 化石 具片理、片麻理、块 状等构造 产状多以侵入体出现，少 数为喷发岩，呈不规 则状 有规律的层状随原岩产状而定 分布花岗岩、玄武岩分布 最广 粘土岩分布最广，其次是砂 岩、石灰岩 区域变质岩分布最广 如片麻岩、大理岩， 次为接触变质岩如矽 卡岩、红柱石和动力 变质岩 区分相识岩石： 相同点不同点普通辉石颜色均为绿黑至黑色，辉石晶体为短柱状 条痕为灰绿色，玻璃光泽， 普通角闪石两组解理角闪石晶体为长柱状收 获感想 通过老师讲解和认真地观察，认识了常见的矿物和岩石，能对岩石进行初步的分类和描述，能通过观察岩石的矿物成分和颜色等物理特征，对岩石进行完整、准确的命名。认识矿物和岩石的实验，为以后的野外实习奠定基础。
试验五岩石三轴剪切强度试验 （一）目的与意义 测定在有限侧压条件下，岩石根据强度及变形特征，并借助三轴实验，结合抗拉，抗压实验结果，确定岩石的极限应力圆包络线（强度包络线）。 （二）定义是指岩石在三向应力作用下，抵抗破坏的能力。 岩石三轴试验是将岩石样品放在三向应力状态下的压力室内，测其强度和变形，通过试验可确定岩石的强度包络线，并计算出内聚力c 和内摩擦系数。 （三）基本原理 岩石室内三轴实验是在三向应力状态下测定和研究岩石试件强度及变形特征的一种室内实验。本实验是在13δδδ<=条件下进行的，即为常规三轴实验。 （一）设备与材料 1． 实验设备：（1）岩石三轴应力实验机；（2）压力室；（3）油泵； （4）岩石钻样机；（5）岩石切样机；（6）岩石磨平机 2． 实验材料：（1）液压油；（2）游标卡尺；（3）乳胶膜；（4）三角尺； （5）量角器；（6）活扳子；（7）螺丝刀；（8）记号笔； （9）钳子；（10）记录纸；（11）标准岩石样品50×100mm ； （12）胶布；（13）电笔。 三轴试验：1、真三轴：1σ>2σ>3σ; 2、假三轴（常规三轴）：1σ>2σ＝3σ，等围压。 岩石三轴试验机是在普通压力机上装配成符合技术要求的三轴压力室，压力室必需有保持侧压力稳定的稳压装置。 （二）试验步骤 岩石三轴试验机是在普通压力机上装配成符合技术要求的三轴压力室，压力室必须有保持侧压力稳定的稳压装置。 1．三轴试验样品数量不少于5块，不同围压1块； 加工精度，测量试件尺寸： 1）尺寸：（1）圆柱体试件直径Φ48~54mm ，高100mm ；
（2）试件直径与高度，或边长之比为1：2.00~2.50。 2）精度：（1）、两端面的平行度最大误差不超过0.05mm ； （2）、在试件整个高度上，直径误差不超过0.3mm ； （3）、端面应垂直试件轴，最大偏差不超过0.25度。 2 ．测量好试件尺寸后，用耐油橡胶或乳胶质保护套，能有效防止油液与样品接触。然后放入压力室内，打开排气阀，盖上压帽，拧紧，向压力室注油，直至油液达到预定位置。排静压力室空气，关闭排气阀。（如在三轴条件下测其变形，同试验二变形试验）。 3．侧压力（围压）的选择，应考虑下列条件： ①最小侧压力的选择，应根据工程实际情况，并考虑测向压力装置的精度； ②选定的侧压力需使求出的莫尔包络线能明显的反映出所需要的应力区间； ③适当照顾包络线的各个阶段。 我们选择侧压力5、10、15、20、25MPa 。 4．试验开始，以每秒0.05MPa 的加荷速率施加侧向压力和轴向压力，待到加至预定压力值时，使其保持稳定，然后再以每秒0.8－1.0MPa 的加荷速率施加轴向荷载，直至试件破坏，记录破坏时的最大轴向荷载及侧向压力值。 5．试验结束后，取出试样进行描述，量出最大主应力作用面和破坏面之间的夹角。 （六）资料整理： 目前国内外对于三轴试验成果整理的方法不太统一，国际岩石力学学会和现场标准化委员会在岩石力学试验建议方法中曾对资料整理作出规定。考虑到和国际标准化的一致性，采用国际岩石力学学会的建议方法，用下列方法整理资料： 1、按下式计算不同侧向压力下的轴向应力：A P = 1σ×10 （5-1） 式中：1σ——不同侧压力下的应力值 MPa ； P ——破坏时的最大轴向荷载 N 或kN ； A ——试件横截面积 cm 2。 2、根据轴向应力1σ和侧向应力3σ求出岩石的φ,c 值，以)(2 131σσ-为纵坐
测定岩石三轴压力条件下的强度与变形参数 一、基本原理 岩石三轴压力条件下的强度与变形参数主要有：三轴压缩强度、内摩擦角、内聚力以及弹性模量和泊松比。室内三轴压缩实验是将岩石试样放在一密闭容器内，施加三向应力至试件破 坏，在加压过程中同时测定不同荷载下的应变值。绘制（ 13 σ-σ）-ε应变关系曲线以及 强度包络线，求的岩石的三轴压缩强度（ 1 σ）、内摩擦角（?）、内聚力（c）、以及弹性模量（E）和泊松比（μ）等参数。 根据应力状态的不同，可将三轴压缩实验分为真三轴压缩实验，应力状态为： 1230 σ≠σ≠σ>，及假三轴压缩实验（或称等测压三轴压缩实验）应力状态为 1230 σ>σ=σ>，本实验采用假三轴压缩试验。 二、仪器设备 1、岩石三轴应力试验机，该试验机由如下几部分组成。 （1）三轴应力室（图3——17）：由压力室缸体、进油口、传力压杆等组成。要求穿力杆端面光滑平整，平整度应为0.005mm。 （2）轴向加载系统：由主体、电动高压电泵及控制台等组成，要求该系统有足够的吨位，并能连续加荷，另外上、下承压板需互相平行，其中之一配有球面座，轴向荷载约5000kN。（3）侧向加载系统：由控制台、电动油泵、增压器和高压输油管组成，该机最大侧向压力可达150MPa。 如无专门的三轴应力试验机，也可以用普通的压力机，配上符合要求的简易三轴应力室和手摇油泵（侧向加载装置）代替。 2试样制备设备：钻石机、切石机、磨石机等。 3变形量测设备：百分表及表座或电阻应变仪，电阻应变片等。 4烘箱、干燥箱、煮沸设备或真空抽气设备。 5其他：卡尺、乳胶套等。 三、操作步骤 1、试样制备 （1）试样规格：采用直径为5cm、高为10cm或直径为10cm，高为20cm的圆柱体。（2）试样加工精度：试样周边应光滑，沿整个高度上的直径误差不超过0.3mm；试样端面不平整小雨0.2mm，两端面不平整度最大不超过0.05mm；试样端面应垂直于试样轴线，其最大偏差不应超过0.25. （3）试件数量：视实验目的、受力方向和含水状态等要求而定，每种受力方向和含水状态需制备5~7块。 2、试样描述和尺寸量测 描述内容包括：岩石名称、结构构造、矿物成分等岩性特点及试件形态、结构面情况及与加荷方向的关系等。 3、试样处理 （1）按实验要求的含水状态进行含水状态处理，方法同实验4. （2）实验前试件的防油处理，步骤如下：首先，在试件表面涂一层（如聚乙烯醇缩醛胶或类似的胶液）；待胶液干后，在试件侧面套上耐油乳胶套，对于试件较多或坚硬裂隙不发育
实验五岩石单轴压缩实验 一. 实验目的 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。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 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； 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。 三. 试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1.试样规格：采用直径为50 mm高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mnrK 50 mnrK 100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时， 可采用非标准试样，需在实验结果加以说明
2. 加工精度: a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于 0.1mm 检测方法如图5-1所示，将 试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动 试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差： 试样两端的直径偏差不得大于 0.2 mm,用游标卡尺检查。 c 轴向偏差： 试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图 5-2所示，将试样放 在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。 3. 试样数量：每种状态下试样的数量一般不少于 3个。 4. 含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内 1?2 d ，以保持 一定的湿度，但试样不得接触水面。 纵向、横向应变片排列采用“T”形，尽可能避开裂隙，节 理等弱面。 3. 粘贴工艺：试样表面清洗处理一涂胶一贴电阻应变片一固化处理一焊接导线一防潮 四.电阻应变片 1.阻值 检查- 克电 阻丝平 阻值一般选用 120欧姆, 测量片和补偿片的电阻差值不超过 0.5 Q o 1—百分表2-百分表架3-试样4 1—直角尺2-试样 2.位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部， 的粘贴 F 直，间距均匀，无黄斑， 3-水平检测台
高温高压岩石三轴压力试验平台技术参数 一、功能要求 主要用于高压-温度-应力-岩石三轴试验，可广泛用于岩石力学各个行业中涉及到多场耦合问题。主要达到的功能有： 1、自动测量、控制、数据采集、处理、绘制曲线及打印曲线报告（抗压强度、围压、轴向变形、径向变形、泊松比、弹性模量等）。 2、完成常温及高温岩石（含软岩）单轴压缩全过程曲线试验。 3、完成常温及高温岩石（含软岩）三轴压缩全过程曲线试验。 4、完成常温及高温岩石（含软岩）单轴压缩蠕变试验。 5、完成常温及高温岩石（含软岩）三轴压缩蠕变试验。 6、完成常温及高温岩石（含软岩）渗流试验。 二．技术要求 （1）主机技术参数
进关证明，否则不予验收。 （2）计算机与软件技术要求 1)计算机：i5处理器，8G内存、2G独立显卡、2T硬盘存储、23寸以上液晶显示器及各种设备所需软硬件 2)能实现力（应力）、变形（应变）、位移（伸长）三种全闭环控制方式，并且达到三种控制方式可以在试验过程中无冲击平滑转换,完成各种试验方法所要求的全自动程序控制试验。 3)能够在试验前后都可录入试样参数和修改试样参数，可以以单根或批量录入试样参数。 4)实时动态显示试验状态，自动采集、存储数据、绘制多种试验曲线、计算试验结果，求取特征值抗压强度、围压、轴向变形、径向变形、泊松比、弹性模量）。 5)全程的应力、应变控制完全符合国际、国家、行业标准中要求的控制方式。曲线可局部
放大或缩小，同组试验曲线可叠加对比。 6)试验结果可以任意存取，对曲线进行再分析；包括数据重新计算、曲线重现等。 三．售后服务 （1）合同签订后，180天内完成交货、安装、培训工作，不能按承诺时间交货需按相关规定缴纳违约金。 （2）整机原厂免费质保2年以上，有专职的维修和培训团队并提供培训质保方案. （3）服务响应时间8小时以内，从保修至维修完毕不超过72小时。 （4）超出质保期，提供免费电话咨询服务，维修收取成本费。 四．其他要求及注意事项 （1）投标设置最高限价，超出限价的，视为废标。 （2）设备安装运输过程中，引起拆墙、拆门及还原等费用由投标企业全部承担；实验室改造（1次以内）引起的设备拆装、运输、调试等费用由投标企业全部承担，投标企业可以和设备需求单位联系实地考察。 （3）投标企业中标签订合同后，须向学校财务缴纳合同额5%的质量保证金，一年后无质量问题返还。 （4）投标人对所投设备有详尽的配置清单，对主要、核心部件的选材、供应商等信息有详细说明，且技术参数响应表与招标要求一一对应，描述清晰。
实验五岩石单轴压缩实 验 TPMK standardization office【 TPMK5AB- TPMK08- TPMK2C- TPMK18】
实验五岩石单轴压缩实验 一.实验目的 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。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 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； 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。 三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mm×50 mm×100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。
2. 加工精度： a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。 c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。 3.试样数量：每种状态下试样的数量一般不少于3个。 4.含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。 四. 超过 1—百分表 2-百分表架 3-试样 4 2. 部，纵向、横向应变片排列采用“┫”形，尽可能避开裂 隙，节理等弱面。
辽宁工程技术大学 岩石三轴压缩及变形试验 岩石三轴压缩及变形试验 一、概述 岩石三轴试验，是在三向应力状态下测定岩石的强度和变形的一种方法。本指导书介绍的是侧向等压的三轴试验。 本规定可用于测定烘干和饱和状态的的试样，试样的含水状态用以下方法处理： （1）烘干状态的试样，在105～110 C 下烘24h 。 （2）饱和状态的试样，按7.1规定的进行饱和。 为了便于资料分析，在进行三轴试验的同时，应制样测定岩石的抗拉强度和单轴抗压强度。 二、试样备制 （1）试样可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块，试样备制中不允许人为裂隙出现。 （2）试样为圆柱体，直径不小于5cm ，高度为直径的2～2.5倍。试样的大小可根据三轴试验机的性能和试验研究要求选择。 （3）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，每种情况下必须制备5～7个。 （4）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm 。两端面的不平行度最大不超过0.05mm 。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。 三、试样描述 试样描述见7.3。 四、主要仪器设备 （1）试样加工设备，量测工具与有关检查仪器见7.4.1，7.4.2。 （2）电阻应变片、粘结剂、万用表等。 （3）电阻应变仪（或数据采集器）、压力传感器、引伸仪等。除用电阻应变仪外，也可用精度能达到0.1 %和量程能满足变形测定需要的其它仪表。 （4）三轴应力试验机（见图11）。 五、试验程序 5.1试样的防油处理 首先在准备好的试样表面上涂上薄层胶液（如聚乙烯醇缩醛胶等），待胶液凝固后，再在试样上套上耐油的薄橡皮保护套或塑料套，与试样两端的密封件配合，以防止试样试验中进油及试样破坏后碎屑落入压力室。 5.2安装试样 把密封好的试样放置于保护筒中，将压力室顶部的螺旋压帽组件卸下并吊装在横梁上升起，然后将放置于保护筒中的试样，用卡杆吊放入三轴试验机的压力室内。保护筒的下端有一凸出的球柱，此时要注意使球柱对准压力室底部中心的圆销孔，并放置平稳。试样在压力室中安置好后，即可向压力室内注油，直至油液达到预定的位置为止，然后用螺旋压帽组件封闭压力室。 5.3安装测量变形仪表 （1）用测微表或位移传感器适用于测定试样的纵向变形，测表可按装在压力室
（ 普通地质学实验报告 学 号：201322902099 学生姓名：*** 学 院：**学院 班 级：**** 指导老师：**
研究岩石样本：假白榴石响岩 简介：假白榴石响岩属于火成岩。灰绿色，斑状结构，隐晶结构，块状构造，主要矿物组成为钾霞石、正长石、透长石。具体用途为科学普及，对比研究。 响岩- 种属 白榴石响岩石图册 按岩石中似长石种类，把响岩分为以下种属： ①霞石响岩，通称响岩。主要由碱性长石、霞石和碱性暗色矿物组成。具规则晶形轮廓的透长石、霞石、碱性辉石常构成斑晶。如果基质中霞石较多，常形成自形的六方形和长方形切面，则称为响岩结构；如果基质以碱性长石为主，且晶体近于平行排列，霞石、碱性暗色矿物充填于长石微晶之间，则称粗面结构。 ②白榴石响岩，为灰白色或深灰色岩石，具斑状结构。透长石、白榴石和少量碱性辉石常构成斑晶，但不具霞石斑晶。有时白榴石仅见于基质中。白榴石中常含辉石、磁铁矿、磷灰石、透长石等包裹体，呈
放射状或同心圆状排列。白榴石不稳定，常被透长石、钾霞石等交代而保留白榴石假象，这种响岩称假白榴石响岩。 显微图片：
响岩是一种喷出火成岩，属于碱性火成岩，由于沿其节理击碎时能发出各种悦耳的响声，所以被称为“响”岩。响岩具有斑状或隐晶结构，成分类似正长石，响岩在地球上分布并不多，都是小型岩流，在中国更少见，在江苏、辽宁、山西小范围内可以见到，其中含有金和铜矿。 响岩（phonolite）是一种碱性喷出岩。化学成分相当于霞石正长岩。含碱质较高。主要矿物成分有碱性长石、副长石、碱性辉石和碱性角闪石。其中的碱性长石为似透长石或隐条纹透长石、钠透长石、歪长石等。因沿节理击打，常发出清脆响声，故名响岩。常呈小型岩流、岩钟产出。浅绿或浅褐灰色，脂肪光泽，致密。常具斑状结构，有时为无斑隐晶结构。主要矿物成分是碱性长石、似长石和碱性暗色矿物。有时有铁黑云母和贵橄榄石。碱性长石以透长石为主，次为歪长石、正长石、钠长石；而斜长石少见。似长石中常见的有霞石、白榴石、方沸石、方钠石、黝方石、蓝方石等。辉石多含钠质，常见霓辉石和霓石，有时有透辉石和钛辉石。角闪石也以富钠质为特征，如棕闪石、红钠闪石、钠铁闪石、钠闪石。只以斑晶形式出现。副矿物有磁铁矿、磷灰石、锆石、榍石、三斜闪长石、黑榴石等。 响岩特征： 基本上由碱性长石和任何一种副长石组成的火山岩。岩石以含副长石和碱性铁镁矿物为特征,具斑状结构、斑晶为碱性长石,各种副长石及高钠铁镁矿物,基质为隐晶质。因某些响岩类岩石在沿节理击碎时能发出响声,故名。常为斑状结构,有时为无斑隐晶结构。呈斑状结
三轴压缩实验 （实验性质：综合性实验） 一、概述 1910年摩尔（Mohr ）提出材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力τ是为该面上法向应力σ的函数，即 ()f f τσ= 这个函数在f τσ-坐标中是一条曲线，称为摩尔包线，如图4-1实线所示。摩尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上法向应力σ与剪应力f τ的关系。土的摩尔包线通常可以近似地用直线表示，如图4-1虚线所示，该直线方程就是库仑定律所表示的方程（c tg τσ?=+）。由库仑公式表示摩尔包线的 土体强度理论可称为摩尔－库仑强度理论。 图4-1 摩尔包线 当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。 根据材料力学，设某一土体单元上作用着的大、小主应力分别为1σ和3σ，则在土体内与大主应力1σ作用面成任意角α的平面a a -上的正应力σ和剪应力τ，可用 τσ-坐标系中直径为13()σσ-的摩尔应力圆上的一点（逆时针旋转2α,如图4-2 中之A 点）的坐标大小来表示，即 13131311 ()()cos 2221 ()sin 22 σσσσσα τσσα =++-=- 将抗剪强度包线与摩尔应力画在同一张坐标纸上，如图4-3所示。它们之间的关系可以有三种情况：①整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方（圆Ⅰ），说明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因此不会发生剪切破坏；②摩尔压力圆与抗剪强度包线相割（圆Ⅲ），表明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度，事实上该应力圆所代表的应力状态是不存在的；③摩尔应力圆与抗剪强度包线相切（圆Ⅱ），切点为A 点，说明在A 点所代表的平面上，剪应力正好等于土的抗剪强度，即该点处于极限平衡状态，圆Ⅱ称为极限应力圆。
岩石常规三轴试验中位移和应变测量技术 哑此嘿
1岩石常规三轴试验 随着现代化经济进程，基础设施的完善，工程建筑的兴盛、新型材料的应用、地质灾害 频发、环境保护的倡导。三轴试验已经广泛应用于岩土工程、建筑材料、地质灾害研究与应 用等领域。在众多的三轴试验当中，常规三轴压缩试验是最为基础也是应用最为广泛的试验。特别在岩土工程领域，岩石三轴试验承担着边坡稳定、巷道（隧道）围岩维护等与岩石品质密切相关的科学研究和工程应用的重任。 1.1常规三轴压缩试验 三轴压缩试验通常分为常规三轴压缩试验（又称假三轴压缩试验）和真三轴压缩试验，其中前者的试样处于等侧向压力的状态下，而后者的试样处于三个主应力都不相等的应力组合状态下。一般情况下岩石所处环境中水平方向压力相当，只有竖直方向上存在较大差异，本文所讨论的是常规三轴压缩试验。 常规三轴试验用圆柱或棱柱试件进行测试，试件放在试验舱中轴线处，通常使用油实现对试件侧向压力的施加，用橡胶套将试件与油隔开。轴向应力由穿过三轴室顶部衬套的 活塞通过淬火钢制端面帽盖施加于试件之上。通过贴在试件表面的电阻应变片可以测量局部 的轴向应变和环向应变［1］。 根据〈〈工程岩体试验方法标准》［2］中的三轴压缩试验为强度试验。由不同侧压条件下 的试件轴向破坏荷载计算不同侧压条件下的最大主应力&直，并根据最大主应力吁及相应施 加的侧向压力 ,在/D_Dd ???D Dd ?e ?? 试验机的发展由早期简单的篮子盛有重物加载到杠杆系统加载再到液压加载，经历了近5个世纪。20世纪30年代到60年代，人们在为增加压力机的刚度而努力，直到出现了液压伺服技术，并结合提高试验机的刚度才形成了可以绘制材料全应力-应变曲线较为成熟的技术［3］。 1.2液压三轴试验机
岩石是一种或多种矿物的集合体，它是构成地壳的基本部分。按其成因分为三大类，即、和。 岩浆岩：是由地壳内部上升的岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝而成的，又称。岩浆主要来源于地幔上部的软流层，那里温度高达1300℃，压力约数千个，使岩浆具有极大的活动性和能量，按其活动又分为喷出岩和侵入岩。未达到地表的岩浆冷凝而成的岩石叫侵入岩。深成侵入岩颗粒较粗。浅成侵入岩颗粒细小或大小不均。喷出岩是在岩浆喷出地表的条件下形成，温度低，冷却快，常成玻璃质、半晶质或隐晶质结构，具有块状、流线、流面、气孔、流纹、条带状构造等。岩浆岩常见的如在地壳中分布很广的中粗粒结构的侵入岩——，气孔构造发育，黑色致密的，流纹构造显著的酸性喷出岩——流纹岩等。 沉积岩：是地面即成岩石在外力作用下，经过风化、搬运、沉积固结等沉积而成，其主要特征是：①层理构造显著如板状层理、交错层理，互层；②沉积岩中常含古代生物遗迹，经石化作用即成化石；③有的具有波痕、石盐假晶、干裂、孔隙、结核等。常见的沉积岩有：直径大于3毫米的砾和磨圆的卵石及被其它物质胶结而形成的砾岩，由2毫米到0.05毫米直径的砂粒胶结而成的砂岩，由颗粒细小的组成的页岩，由为其主要成分，硬度不大的等。 变质岩：是岩浆岩或沉积岩在变质作用下形成的一类新岩石。和前两类岩石主要区别是变质岩属的岩石，颗粒较粗，不含玻璃质和的残体。其主要特征是：①有的具有片理（片状）构造如片岩；②有的呈片麻构造（未形成片状），岩石断面上看到各种矿物成带状或条状等，如花岗片麻岩；③有的呈板状构造，颗粒极小，肉眼难辨，如。4条带状、千枚状。常见的变质岩如由方解石或重新经过结晶而成的大理岩，由页岩和经过变质而形成原解理状的板岩，由片状、柱状岩石组成的片岩，多由沉积岩和岩浆岩变质而成的片麻岩，由砂岩变质而成的等。 三大类岩石具有不同的形成条件和环境，而岩石形成所需的环境条件又会随着地质作用的进行不断地发生变化。沉积岩和岩浆岩可以通过变质作用形成变质岩。在地表常温、常压条件下，岩浆岩和变质岩又可以通过母岩的风、剥蚀和一系列的沉积作用而形成沉积岩。变质岩和沉积岩当进入地下深处后，在高温高压条件下又会发生熔融形成岩浆，经结晶作用而变成岩浆岩。因此，在地球的内，三大岩类处于不断演化过程之中。是岩石发生演变过程的能量来源之一，它控制着外动力地质作用的进行；包含在岩石内部的能量是地球内力地质作用的能量来源。此外，地球重力能和地球旋转能在各种地质作用中也是不可忽视的重要方面。其中构造运动是地球重要的表现形式，它可使地下深处的侵入岩和变质岩上升到地表遭受破坏，也可使地表岩石发生强烈拗陷而产生变质，同时，构造运动对岩浆的形成和上升也有重要影响。