机械法岩石变形实验教学设计

李宝刚　于翠玲

摘要：弹性模量和泊松比是岩石最重要的弹性参数，是衡量岩石抵抗弹性变形能力大小的尺度。为了满足资源勘查工程专业学生的理论及实践教学需要，本文通过设计并制作了机械法岩石变形实验的夹具，利用压力机对圆柱体岩石试样施加一定的轴向压力，用4个轴向千分尺测量岩石的轴向应变，并利用径向的8个千分尺测量岩石试样的径向应变，实现了岩石弹性模量和泊松比的测量和计算。本实验有利于学生更好的掌握岩石变形特征和机理，增强了学生的实践动手能力。

关键词：岩石；弹性模量；泊松比；压力机；千分尺

中图分类号：G642.423 文獻标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）49-0279-02

岩石的弹性模量和泊松比是岩石最重要的岩石力学参数[1-2]。为了让学生了解和体会岩石在应力作用下的变形特征和规律，有效掌握岩石弹性模量和泊松比的内涵、测量原理、测量仪器结构及应用，在压力机辅助的基础上，研制了岩石变形实验夹具，并设计了机械法岩石变形的实验内容。

一、专业及课程介绍

中国石油大学（华东）地质资源与地质工程专业是首批入选国家双一流学科和通过中国工程教育专业认证的专业，而资源勘查工程专业作为该学科的核心，是国家和教育部重点建设专业。对学生的培养目标是培养知识、能力、素质各方面全面发展，系统掌握基础地质、油气地质、工程地质基本理论和资源勘查的基本方法与技能，接受作为资源勘查工程师必需的工程训练，具有创新意识、实践能力和一定国际视野的工程技术人才，为独立从事油气田勘探及工程地质等相关领域的工程设计、应用研究和生产管理工作奠定坚实基础。

岩石变形实验的实验目的是测定圆柱形岩石试样在单轴压力作用下的纵向和横向变形量，求得岩石弹性模量（E）和泊松比（υ）。岩石变形实验是《工程地质学》基础实验之一，而且弹性模量和泊松比是岩石最基本的岩石力学参数，对学生理解地下岩石在构造活动中岩石变形和变位，分析断层和裂缝产生过程具有重要的意义。

二、机械法岩石弹性模量和泊松比测量原理及实验装置

1.机械法岩石弹性模量和泊松比测量原理。岩石的弹性模量是岩石在压缩或拉伸条件下，压应力或拉应力与纵向应变之比，也就是岩石在无侧向压力作用下压应力增量与弹性应变量的比值[1，3]。岩石的泊松比是岩石在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变绝对值的比值。也就是在岩石在允许侧向自由膨胀条件下，轴向受压时，轴向应变与侧向应变的比值，也称膨胀系数[2，4]。

机械法岩石泊松比测量实验主要利用压力机和机械测微表（千分表）。利用压力机对对圆柱形岩石样品（截面积A，长度15cm）施加一定轴向应力（P），并利用压力机轴向运动位移代表岩石的轴向应变（Δε1），同时利用机械测微表测量圆柱形岩石试样的径向应变（Δε3）。

2.机械法岩石弹性模量和泊松比测量实验装置。本文介绍的机械法岩石弹性模量和泊松比测量实验装置是在实验室已有压力机基础上，制作泊松比测量实验夹具，无需购买弹性模量和泊松比专用测量仪器，而且学生通过实验前后千分尺的读数，可以实际感受到轴向和径向应变。该实验装置如图1所示，由一个正方体形的金属底盘、12条金属条组成一个长方体的框架和12支千分表组成，正方形金属底盘厚度1.5cm，材料为高强度钢材，边长10cm。长方体框架放置于正方形金属底盘中心上，框架平面上为正方形，边长6cm，框架高度12cm，在距离底部4cm和8cm的竖金属条边上分别安装测量位移的千分尺，总共安装8个，方向平行于长方形对角线方向，在距离上部10cm处安装4个千分尺，方向向上。岩石试样要求直径50cm，高度15cm，高于实验装置，以便于为岩石纵向变形留出足够空间。

三、机械法岩石弹性模量和泊松比测量实验设计

在机械法岩石弹性模量和泊松比测量实验中，为了使得圆柱形的试样在施加轴向应力时变形比较均匀，需要首先用双面磨平机对岩石试样进行磨平，使得圆柱体的上下两个圆形面平行。实验开始时，将圆柱体岩石试样放入设计好的长方体形实验夹具中，并把夹具放到压力机试验台上；旋转压力机的顶出装置，使得其与岩石试样刚好压紧接触，调整纵向的4个千分尺，使得千分尺的探头与压力机顶出装置紧密接触，分别记录4个千分尺的数值；然后把控制压力机软件上的荷载归零，以便于测量施加在圆柱体岩石试样上的压力；把8个轴向千分尺从1到8进行编号，调整8个径向千分尺，使得千分尺的探头接触圆柱体岩石试样，并分别记录8个轴向千分尺数值。利用压力机控制软件施加一定的压力，比如50MPa，压力机稳定后，记录轴向4个千分尺的数值，用轴向4个千分尺位移平均值代表轴向应变，同时分别读取8个径向千分尺的数值，利用径向8个千分尺的应变平均值代表径向应变。利用公式（1）、公式（2）和公式（3）分别求取圆柱体岩石试样的弹性模量和泊松比。

为了减小实验测量的误差，增加压力机的压力至不同压力条件，比如60MPa、70MPa、80MPa和90MPa（最高压力要小于岩石破裂压力的80%），分别计算对应的弹性模量和泊松比。用五次实验的弹性模量和泊松比的平均值代表圆柱体岩石试样的弹性模量和泊松比。

四、结论

本文针对资源勘查工程专业的工程地质学课程，利用所设计的实验夹具，在压力机的基础上，测量和记录一定压力条件下圆柱体形岩石试样的轴向应变和径向应变，从而获得岩石试样的弹性模量和泊松比，分析岩石的应力—应变性质。通过该实验，学生对岩石弹性模量和泊松比的测量方法有了明确的认识和了解，有效提高了学生的实验效果，加深了岩石变形和弹性参数等知识的掌握。

参考文献：

[1]秦向辉，谭成轩，孙进忠，等.地应力与岩石弹性模量关系试验研究[J].岩土力学，2012，33（6）：1689-1695.

[2]刘斌，席道瑛，葛宁洁，等.不同围压下岩石中泊松比的各向异性[J].地球物理学报，2002，45（6）：880-890.

[3]王观石，王星光，胡世丽.岩体软弱夹层的弹性模量动力测试方法[J].岩石力学与工程学报，2015，34（9）：1828-1835.

[4]张年学，盛祝平，李晓，等.岩石泊松比与内摩擦角的关系研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（S1）：2599-2609.