岩石力学与工程

实验报告

一、实验目的

1、熟悉运用岩石力学的phase软件；

2、运用岩石力学的基本理论，来计算某地的地应力值。

二、实验软件

1、岩石力学phase软件；

2、auto CAD 2006;

3、matlab 6.5软件；

4、microsoft office 2003软件。

三、实验方法与步骤

1、选取九龙河溪古水电站地质构造带作为实验基础，并用运用auto CAD软件绘制将该地区的断层、节理等地质构造单元；

2、在phase软件中导入已绘制各种边界（断裂边界、材料边界、boundry）；

3、进行网格划分；

4、定义材料，并将所计算的模型设置正确的材料颜色；

5、运用matlab软件进行数据处理和计算；

5.1 、已知理塘、雅江、呷巴、长河坝、乾宁的最大主应力及最小主应力，利用工程力学的力学计算方法，将已知应力点的σ₁、σ₃、最大主应力方向转换成σ_x、σ_y、τxy、τyx.可得出如表1所示的的实验数据：

表格1：将σ₁、σ₃ 转化为σx 、σy的数据表

5.2、运用matlab软件编程，求出各个地区的ν、λ、α值

令E=E; v=ν；l=λ；a=α；

Yanshi1的源程序：

E=input('请输入E的值:');

v=input('请输入v的值:');

G=E/[2*(1+v)]

l=E*v/[(1+v)*(1-2*v)]

a=l+2*G

对于⑤古生代到三叠纪的变质分布 有：E=12500MPa ，0.22

 运行matlab程序：yanshi1

请输入E的值:12500

请输入v的值:0.22

G =5.1230e+003

l =4.0252e+003

a =1.4271e+004

即求得理塘G =370.3704；l =864.1975；a =1.6049e+003

5.3 、在利用auto CAD 的测量距离方法，得出理塘、雅江、呷巴、长河坝、乾宁的坐标，求得的数据如表2：

表格2：各个地区的x,y坐标

5.4 、建立matlab的矩阵模型，求出系数A1,A2,A3,A4,A5,B1,B2,B3,B4,B5

Matlab的矩阵模型如下：

A=[ α  0   2*α*X   0   a*Y  0  λ  0   2*λ*Y   λ*X

    λ  0   2*λ*X   0  λ*Y  0  α  0   2*α*Y   α*X

    0   1     0     2*Y   X   1  0  2*X      0      Y ];

b=[σx;σy;τxy/G];

A*x=b；

即可得如下的系数矩阵：

A=[14271,  0, -3475388088, 0, 1563111392, 0,  4025.2, 0, 881760312,   -490124453

   14271,  0, -1869900588, 0, 1563111392, 0,  4025.2, 0, 881760312,   -263706953

   14271,  0, 372324682 ,  0, 1498604846, 0,  4025.2, 0, 845376529.2,   52507929

   14271,  0, 1567426743,  0, 1399214466, 0,  4025.2, 0, 789309518.4,  221049896

   14271,  0, -81667225 ,  0, 2243636672, 0,  4025.2, 0,  1265655712,  -11517305

   4025.2, 0, -980248906,  0,  440880156, 0,  14271,  0,  3126205260, -1737694044

   4025.2, 0, -527413906,  0,  440880156, 0,  14271,  0,  3126205260, -934950294

   4025.2, 0, 105015858,   0,  422688265, 0,  14271,  0,  2997209691, 186162341

   4025.2, 0, 442099792,   0,  394654759, 0,  14271,  0,  2798625024, 783713372

   4025.2, 0, -23034610,   0,  632827856, 0,  14271,  0,  4487273343, -40833612

      0,   1,      0,  219060,  -121764,  1,    0, -243528,     0,       109530

      0,   1,      0,  219060,  -65514,   1,    0,  -131028,    0,       109530

      0,   1,      0,  210021,  13044.8,  1,    0,  26089.6,    0,      105010.5

      0,   1,      0,  196092,  54916.5,  1,    0,  109833,     0,        98046

      0,   1,      0,  314433,  -2861.3,  1,    0,  -5722.6,    0,     157216.5];

  b=[ -5.89743;-5.96718; -5.14663; -6.09015; -3.22697; -7.4026; -5.3528; -4.5534;-3.1199;

      -2.883; 0.000382689;0.000148407; 0.000008756; 0.000083127; 0.000111185];

5.5 、利用以上模型来求解，从中任意选取10组可求A1,A2,A3,A4,A5和B1,B2,B3,B4,B5的值分别如下：

A1=-0.0007, A2=0, A3=-1E-10, A4=-1E-09, A5=3E-09,

B1=0.00013, B2=-0.0003, B3=-2E-09, B4=6.5E-10, B5=1.7E-09

5.6 、根据以上的系数A1,A2,A3,A4,A5,B1,B2,B3,B4,B5可将研究区域的不同坐标值找出，利用以下式子求出σx ，σy ，τxy值：

求得的实验数据见表3：

表格3：不同坐标的应力值

5.7 、在Phase中设定边界应力值导入所求的模型，即可得到所需的实验模型。模型如图1所示：

图1：实验模型图

四、实验成果

    由以上的模型，在phase软件中经过计算，可建立如下图所示的成果：

图2：maximum shear strain图

图3：strength factor 图

五、实验中遇到的问题及心得体会

本题是岩石力学的基本实验之一，旨在通过学习了一些岩石力学的基本知识，来实地计算某地的地应力。本题以九龙河溪古水电站地质构造为实验数据的基础，来对该地区的地应力值进行了定量的计算。实验的过程中，由于是第一次接触岩石力学phase软件，也遇到了一定的问题。具体来说可以概括如下：

1、工程力学基础知识学得不是特别的扎实，致使在已知了理塘、雅江、呷巴、长河坝、乾宁的最大主应力及最小主应力后，处理实验数据花了一定的时间，利用公式花费了一定的时间，此题可用应力圆的方法来计算，使问题得到一定的简化。

2、由于知识的局限性，所学的matlab知识也不是特别的熟练。此题本来也可以excel来解决问题，求解线性方程组也有一定的方便，但关于这方面的知识自己学得不是特别的精通，致使用了matlab软件来解决。本题在一定的程度上也反映matlab的局限性，如在求解的过程中，可从中选取任意15个线性方程组中的10组数据来解决需要求的系数A1,A2,A3,A4,A5,B1,B2,B3,B4,B5。但matlab不能够显示数据过于小的数据，因此在运行的过程中，会遇到显示-Inf的情况，此方式就表示了在matlab的情况下，不能正常的显示数据。如果采用excel来解决问题，或许不会遇到这样类似的问题。

3、实验过程中，对计算模型的思路不清晰。致使在做题的过程中，在得出一些实验数据之后，不能进行下一步的正确操作。只有在等到老师讲解了一些相关的步骤之后，才会有一定的思路。同是，对模型也不是特别的清楚，由于phase软件全部是英文的命令，所以在操作的过程中，也有了一定的难度。在实验时，我不仅遇到了一些难题，而且还转了一定的圈子。比如在添加在Phase软件中设定边界应力值时，由于不知道实验的条件，所以给模型的四周都设定了边界的应力值，但之后在计算时，却出现了一定的问题。之后经过老师的讲解，才知道另外两边的值是不需要加的。这不仅给计算的过程带来了冗杂，而且也浪费了不少的时间。

通过本次实验，我也深刻的认识到了自己所学的知识的局限性。岩石力学phase软件，auto CAD 2006，matlab 6.5软件以及microsoft office 2003软件这些有用的学习软件，在以后学习的过程中我一定要抽空来熟练这些软件的。同时，我也深刻地认识到了计算机软件对工程类的巨大作用。通过对一些实验数据的收集，在软件中解决这些实际的问题，的确给我们的学习和工作带来了一定的方便。特别是对于这研究地质类的软件来说，我想如果可以的话，还可以考虑地震力的作用，来研究和预测地震，这些都是有极大地帮助。或者将所研究的模型来通过进一步的研究，并考虑其他的因素，来分析不同地质深度的地应力的变化情况，以对研究地质构造将有极大的帮助。

通过本次实验，我也只是分析和计算了岩石力学实验的一些初级东西。由于phase软件的强大性，我想通过一定的方式，还可以从模型中研究出一些新的东西，这对于学习本软件和岩石力学更深的知识，都是有极大的帮助的。当然，这些也只有通过以后进一步的学习了。

    最后，感谢王老师给我们这样的一次实验机会，也感谢她在实验过程中给我的指导和帮助。

第二篇：岩石力学实验指导书及实验报告

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、岩石密度的测定

三、岩石含水率的测定

四、岩石单轴抗压强度的测定

五、岩石单轴抗拉强度的测定

六、岩石凝聚力及内摩擦角的测定（抗剪强度试验）

七、岩石变形参数的测定

八、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105～110^oC下烘至恒重的重量与同体积4^oC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g₁。

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g₂。

三、结果：按下式计算：

式中：d——岩石比重；

g——岩样重、克；

g₁——比重瓶、岩样和蒸馏水合重、克；

g₂——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

岩石比重测定记录表

实验二、岩石密度的测定

岩石密度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、主要仪器设备

烘箱、干燥器、熔蜡锅、天平、线、石蜡、水中称量装置。

二、试件制备

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、测定步骤：

1、将试样放入105~110^οC的烘箱中烘至恒重后取出、放在干燥器内冷却至室温、称重得g

2、丝线绑住试件、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、结果计算：

式中：d_g——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；

d_s——水的密度，克／厘米³；

g_n——石蜡密度，克／厘米³，0.90克／厘米³。

岩石密度测定记录表

实验三、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、仪器设备

天平、烘箱、干燥箱。

二、试验步骤

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^οC烘箱中烘至恒重后取出，放置干燥器中冷却至室温，称重得g₂。

三、测定结果计算：

式中：——岩石天然含水率；

——保持天然水分的试件重量，克；

——烘至恒重的试件重量，克。

岩石含水率测定记录表

试验四、岩石单向抗压强度的测定

一、仪器设备

材料试验机、游标卡尺。

二、标准试件规格：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、测定步骤：

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：一般应满足0.2P＜P_max＜0.8P

式中：P_max——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，0.5~1.0MPa的速度加载直至破坏。

四、测定结果的计算：

试件的抗压强度：

式中：R——试件抗压强度，MPa

P——试件破坏载荷，N

F——试件面积，mm²

岩石单向抗压强度测定记录表格

试验五、岩石抗拉强度的测定（劈裂法）

一、仪器设备：

材料试验机、劈裂法实验夹具、游标卡尺。

二、试件规格

标准试件采用圆盘形，直径50mm、厚25mm；也可采用50×50×50mm得方形试件。

三、测定步骤：

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、测定结果计算：

式中：R_L——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

抗拉强度测定记录表

试验六、岩石的抗剪试验

一、仪器设备

材料试验机、变角剪切夹具、游标卡尺。

二、试件规格

标准试件采用50×50×50mm。

三、试验步骤：

1、  实验机度盘的选择原则与抗压强度测定之盘选择原则相同。

2、  测量试件尺寸、选择剪切角度填入表内。

3、  把变角剪夹具选好角度，试件放上后即可以每秒0.5~1.0MPa的速度加载直至破坏。

四、测定结果的计算：

单个试件剪切破坏面上的正应力、剪应力按下式计算：

式中：P——试件剪断破坏载荷，N

F——剪切面面积，mm²

α——试件与水平面夹角。

岩石剪切试验记录表

五、画强度曲线、求C、值。

 

量出：C=

      =

试验七、岩石变形参数测定

一、仪器设备：

电阻应变仪、万用表、试验机、电阻应变片、胶水等。

二、试件与抗压强度测定试件的要求相同。

三、测定步骤：

将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。

四、测定结果的计算与整理：

1、  应力按下式计算：

式中：σ—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

式中：—体积应变值；

—纵向应变值；

—横向应变值。

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项抗压强度R

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E_t（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

式中：——应力—横向应变曲线上对应直线段部分应变的平均值。

——应力—纵向应变曲线上对应直线段部分应变的平均值。

变形参数测定纪录表格

试件长     mm、宽    mm、直径    mm、面积    mm²。

E₅₀=                         R=

E_t=                         =

 

试验八、煤的坚固性系数的测定

一、仪器设备：捣碎筒、计量筒、分样筛（0.5mm）、天平、小锤、漏斗。

二、制样：把煤样用小锤制成块度为20~30mm小块。称50克为一份、每五份为一组、称三组。

三、测定步骤：将捣碎筒放置在砼或水泥地板上，放入试件一份，奖2.4kg重锤提高到600mm高度，使其自由落下冲击试样，每份冲击三次，把5份捣碎后的式样装在同一容器中。

把每组（5份）捣碎后的试样一起倒入孔径0.5mm分样筛中筛分，端平分样筛轻筛，筛动幅度约200mm即可，筛至不再漏下煤粉为止。

把筛下的粉末用漏斗装入计量筒内，轻轻敲打使之密实，然后轻轻插入具有刻度的活塞尺与筒内粉末面接触。在计量筒口相平处读数L。

当L≥30mm时冲击次数n即可定为3次，如L＜mm时，则第一组试样作废。每份试样冲击次数n改为5次。重复上述步骤测煤粉高度L。

四、坚固性系数的计算：

式中：—坚固性系数

—每份试样冲击次数

—每组试样筛下煤粉的计量高度

煤的坚固性系数测定纪录表