機械法巖石變形實驗教學設計

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，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學生的理論及實踐教學需要，本文通過設計并制作了機械法巖石變形實驗的夾具，利用壓力機對圓柱體巖石試樣施加一定的軸向壓力，用4個軸向千分尺測量巖石的軸向應變，并利用徑向的8個千分尺測量巖石試樣的徑向應變，實現了巖石彈性模量和泊松比的測量和計算。本實驗有利于學生更好的掌握巖石變形特征和機理，增強了學生的實踐動手能力。

關鍵詞：巖石；彈性模量；泊松比；壓力機；千分尺

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：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參數[1-2]。為了讓學生了解和體會巖石在應力作用下的變形特征和規律，有效掌握巖石彈性模量和泊松比的內涵、測量原理、測量儀器結構及應用，在壓力機輔助的基礎上，研制了巖石變形實驗夾具，并設計了機械法巖石變形的實驗內容。

一、專業及課程介紹

中國石油大學（華東）地質資源與地質工程專業是首批入選國家雙一流學科和通過中國工程教育專業認證的專業，而資源勘查工程專業作為該學科的核心，是國家和教育部重點建設專業。對學生的培養目標是培養知識、能力、素質各方面全面發展，系統掌握基礎地質、油氣地質、工程地質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練，具有創新意識、實踐能力和一定國際視野的工程技術人才，為獨立從事油氣田勘探及工程地質等相關領域的工程設計、應用研究和生產管理工作奠定堅實基礎。

巖石變形實驗的實驗目的是測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）。巖石變形實驗是《工程地質學》基礎實驗之一，而且彈性模量和泊松比是巖石最基本的巖石力學參數，對學生理解地下巖石在構造活動中巖石變形和變位，分析斷層和裂縫產生過程具有重要的意義。

二、機械法巖石彈性模量和泊松比測量原理及實驗裝置

1.機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，壓應力或拉應力與縱向應變之比，也就是巖石在無側向壓力作用下壓應力增量與彈性應變量的比值[1，3]。巖石的泊松比是巖石在單向受拉或受壓時，橫向正應變與軸向正應變絕對值的比值。也就是在巖石在允許側向自由膨脹條件下，軸向受壓時，軸向應變與側向應變的比值，也稱膨脹系數[2，4]。

機械法巖石泊松比測量實驗主要利用壓力機和機械測微表（千分表）。利用壓力機對對圓柱形巖石樣品（截面積A，長度15cm）施加一定軸向應力（P），并利用壓力機軸向運動位移代表巖石的軸向應變（Δε1），同時利用機械測微表測量圓柱形巖石試樣的徑向應變（Δε3）。

2.機械法巖石彈性模量和泊松比測量實驗裝置。本文介紹的機械法巖石彈性模量和泊松比測量實驗裝置是在實驗室已有壓力機基礎上，制作泊松比測量實驗夾具，無需購買彈性模量和泊松比專用測量儀器，而且學生通過實驗前后千分尺的讀數，可以實際感受到軸向和徑向應變。該實驗裝置如圖1所示，由一個正方體形的金屬底盤、12條金屬條組成一個長方體的框架和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，方向平行于長方形對角線方向，在距離上部10cm處安裝4個千分尺，方向向上。巖石試樣要求直徑50cm，高度15cm，高于實驗裝置，以便于為巖石縱向變形留出足夠空間。

三、機械法巖石彈性模量和泊松比測量實驗設計

在機械法巖石彈性模量和泊松比測量實驗中，為了使得圓柱形的試樣在施加軸向應力時變形比較均勻，需要首先用雙面磨平機對巖石試樣進行磨平，使得圓柱體的上下兩個圓形面平行。實驗開始時，將圓柱體巖石試樣放入設計好的長方體形實驗夾具中，并把夾具放到壓力機試驗臺上；旋轉壓力機的頂出裝置，使得其與巖石試樣剛好壓緊接觸，調整縱向的4個千分尺，使得千分尺的探頭與壓力機頂出裝置緊密接觸，分別記錄4個千分尺的數值；然后把控制壓力機軟件上的荷載歸零，以便于測量施加在圓柱體巖石試樣上的壓力；把8個軸向千分尺從1到8進行編號，調整8個徑向千分尺，使得千分尺的探頭接觸圓柱體巖石試樣，并分別記錄8個軸向千分尺數值。利用壓力機控制軟件施加一定的壓力，比如50MPa，壓力機穩定后，記錄軸向4個千分尺的數值，用軸向4個千分尺位移平均值代表軸向應變，同時分別讀取8個徑向千分尺的數值，利用徑向8個千分尺的應變平均值代表徑向應變。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。

為了減小實驗測量的誤差，增加壓力機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%），分別計算對應的彈性模量和泊松比。用五次實驗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、結論

本文針對資源勘查工程專業的工程地質學課程，利用所設計的實驗夾具，在壓力機的基礎上，測量和記錄一定壓力條件下圓柱體形巖石試樣的軸向應變和徑向應變，從而獲得巖石試樣的彈性模量和泊松比，分析巖石的應力—應變性質。通過該實驗，學生對巖石彈性模量和泊松比的測量方法有了明確的認識和了解，有效提高了學生的實驗效果，加深了巖石變形和彈性參數等知識的掌握。

參考文獻：

[1]秦向輝，譚成軒，孫進忠，等.地應力與巖石彈性模量關系試驗研究[J].巖土力學，2012，33（6）：1689-1695.

[2]劉斌，席道瑛，葛寧潔，等.不同圍壓下巖石中泊松比的各向異性[J].地球物理學報，2002，45（6）：880-890.

[3]王觀石，王星光，胡世麗.巖體軟弱夾層的彈性模量動力測試方法[J].巖石力學與工程學報，2015，34（9）：1828-1835.

[4]張年學，盛祝平，李曉，等.巖石泊松比與內摩擦角的關系研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（S1）：2599-2609.