機(jī)械法巖石變形實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

李寶剛　于翠玲

摘要：彈性模量和泊松比是巖石最重要的彈性參數(shù)，是衡量巖石抵抗彈性變形能力大小的尺度。為了滿足資源勘查工程專業(yè)學(xué)生的理論及實(shí)踐教學(xué)需要，本文通過設(shè)計(jì)并制作了機(jī)械法巖石變形實(shí)驗(yàn)的夾具，利用壓力機(jī)對圓柱體巖石試樣施加一定的軸向壓力，用4個(gè)軸向千分尺測量巖石的軸向應(yīng)變，并利用徑向的8個(gè)千分尺測量巖石試樣的徑向應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了巖石彈性模量和泊松比的測量和計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生更好的掌握巖石變形特征和機(jī)理，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：巖石；彈性模量；泊松比；壓力機(jī)；千分尺

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）49-0279-02

巖石的彈性模量和泊松比是巖石最重要的巖石力學(xué)參數(shù)[1-2]。為了讓學(xué)生了解和體會(huì)巖石在應(yīng)力作用下的變形特征和規(guī)律，有效掌握巖石彈性模量和泊松比的內(nèi)涵、測量原理、測量儀器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，在壓力機(jī)輔助的基礎(chǔ)上，研制了巖石變形實(shí)驗(yàn)夾具，并設(shè)計(jì)了機(jī)械法巖石變形的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

一、專業(yè)及課程介紹

中國石油大學(xué)（華東）地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)是首批入選國家雙一流學(xué)科和通過中國工程教育專業(yè)認(rèn)證的專業(yè)，而資源勘查工程專業(yè)作為該學(xué)科的核心，是國家和教育部重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)。對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)各方面全面發(fā)展，系統(tǒng)掌握基礎(chǔ)地質(zhì)、油氣地質(zhì)、工程地質(zhì)基本理論和資源勘查的基本方法與技能，接受作為資源勘查工程師必需的工程訓(xùn)練，具有創(chuàng)新意識、實(shí)踐能力和一定國際視野的工程技術(shù)人才，為獨(dú)立從事油氣田勘探及工程地質(zhì)等相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

巖石變形實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y定圓柱形巖石試樣在單軸壓力作用下的縱向和橫向變形量，求得巖石彈性模量（E）和泊松比（υ）。巖石變形實(shí)驗(yàn)是《工程地質(zhì)學(xué)》基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，而且彈性模量和泊松比是巖石最基本的巖石力學(xué)參數(shù)，對學(xué)生理解地下巖石在構(gòu)造活動(dòng)中巖石變形和變位，分析斷層和裂縫產(chǎn)生過程具有重要的意義。

二、機(jī)械法巖石彈性模量和泊松比測量原理及實(shí)驗(yàn)裝置

1.機(jī)械法巖石彈性模量和泊松比測量原理。巖石的彈性模量是巖石在壓縮或拉伸條件下，壓應(yīng)力或拉應(yīng)力與縱向應(yīng)變之比，也就是巖石在無側(cè)向壓力作用下壓應(yīng)力增量與彈性應(yīng)變量的比值[1，3]。巖石的泊松比是巖石在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變絕對值的比值。也就是在巖石在允許側(cè)向自由膨脹條件下，軸向受壓時(shí)，軸向應(yīng)變與側(cè)向應(yīng)變的比值，也稱膨脹系數(shù)[2，4]。

機(jī)械法巖石泊松比測量實(shí)驗(yàn)主要利用壓力機(jī)和機(jī)械測微表（千分表）。利用壓力機(jī)對對圓柱形巖石樣品（截面積A，長度15cm）施加一定軸向應(yīng)力（P），并利用壓力機(jī)軸向運(yùn)動(dòng)位移代表巖石的軸向應(yīng)變（Δε1），同時(shí)利用機(jī)械測微表測量圓柱形巖石試樣的徑向應(yīng)變（Δε3）。

2.機(jī)械法巖石彈性模量和泊松比測量實(shí)驗(yàn)裝置。本文介紹的機(jī)械法巖石彈性模量和泊松比測量實(shí)驗(yàn)裝置是在實(shí)驗(yàn)室已有壓力機(jī)基礎(chǔ)上，制作泊松比測量實(shí)驗(yàn)夾具，無需購買彈性模量和泊松比專用測量儀器，而且學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)前后千分尺的讀數(shù)，可以實(shí)際感受到軸向和徑向應(yīng)變。該實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由一個(gè)正方體形的金屬底盤、12條金屬條組成一個(gè)長方體的框架和12支千分表組成，正方形金屬底盤厚度1.5cm，材料為高強(qiáng)度鋼材，邊長10cm。長方體框架放置于正方形金屬底盤中心上，框架平面上為正方形，邊長6cm，框架高度12cm，在距離底部4cm和8cm的豎金屬條邊上分別安裝測量位移的千分尺，總共安裝8個(gè)，方向平行于長方形對角線方向，在距離上部10cm處安裝4個(gè)千分尺，方向向上。巖石試樣要求直徑50cm，高度15cm，高于實(shí)驗(yàn)裝置，以便于為巖石縱向變形留出足夠空間。

三、機(jī)械法巖石彈性模量和泊松比測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在機(jī)械法巖石彈性模量和泊松比測量實(shí)驗(yàn)中，為了使得圓柱形的試樣在施加軸向應(yīng)力時(shí)變形比較均勻，需要首先用雙面磨平機(jī)對巖石試樣進(jìn)行磨平，使得圓柱體的上下兩個(gè)圓形面平行。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將圓柱體巖石試樣放入設(shè)計(jì)好的長方體形實(shí)驗(yàn)夾具中，并把夾具放到壓力機(jī)試驗(yàn)臺上；旋轉(zhuǎn)壓力機(jī)的頂出裝置，使得其與巖石試樣剛好壓緊接觸，調(diào)整縱向的4個(gè)千分尺，使得千分尺的探頭與壓力機(jī)頂出裝置緊密接觸，分別記錄4個(gè)千分尺的數(shù)值；然后把控制壓力機(jī)軟件上的荷載歸零，以便于測量施加在圓柱體巖石試樣上的壓力；把8個(gè)軸向千分尺從1到8進(jìn)行編號，調(diào)整8個(gè)徑向千分尺，使得千分尺的探頭接觸圓柱體巖石試樣，并分別記錄8個(gè)軸向千分尺數(shù)值。利用壓力機(jī)控制軟件施加一定的壓力，比如50MPa，壓力機(jī)穩(wěn)定后，記錄軸向4個(gè)千分尺的數(shù)值，用軸向4個(gè)千分尺位移平均值代表軸向應(yīng)變，同時(shí)分別讀取8個(gè)徑向千分尺的數(shù)值，利用徑向8個(gè)千分尺的應(yīng)變平均值代表徑向應(yīng)變。利用公式（1）、公式（2）和公式（3）分別求取圓柱體巖石試樣的彈性模量和泊松比。

為了減小實(shí)驗(yàn)測量的誤差，增加壓力機(jī)的壓力至不同壓力條件，比如60MPa、70MPa、80MPa和90MPa（最高壓力要小于巖石破裂壓力的80%），分別計(jì)算對應(yīng)的彈性模量和泊松比。用五次實(shí)驗(yàn)的彈性模量和泊松比的平均值代表圓柱體巖石試樣的彈性模量和泊松比。

四、結(jié)論

本文針對資源勘查工程專業(yè)的工程地質(zhì)學(xué)課程，利用所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)夾具，在壓力機(jī)的基礎(chǔ)上，測量和記錄一定壓力條件下圓柱體形巖石試樣的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，從而獲得巖石試樣的彈性模量和泊松比，分析巖石的應(yīng)力—應(yīng)變性質(zhì)。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對巖石彈性模量和泊松比的測量方法有了明確的認(rèn)識和了解，有效提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果，加深了巖石變形和彈性參數(shù)等知識的掌握。

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