岩石三轴压缩强度实验教学改革探究

《岩石三轴压缩强度实验教学改革探究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、岩石三轴压缩强度实验教学改革探究基金项目：第四批高等学校特色专业建设点(TS11385)；同济大学第二期精品实验教改项目作者简介：陈建峰(1972-),男，同济大学地下建筑与工程系教授,博士，主要从事地质工程专业的教学与研究，(E—ma订)jf_chen@tongji.省略。摘要：针对土木工程专业大多数本科生未能透彻理解摩尔-库伦强度理论的现状，提出采用伺服控制系统进行加载和卸载条件下岩石的应力应变全过程实验，而后建立三维数值模型模拟实验曲线，并以动画形式展现试样在受力过程中剪切面的形成及其贯通。实验教改成果对学生全面

2、掌握摩尔-库伦强度理论实质，增强实验兴趣，提高对课程的认知能力，以及拓展数值分析知识水平等都具有重要意义。关键词：教学改革；实验教学；土木工程；摩尔-库伦强度理论中图分类号：TU45-4文献标志码：A文章编号：1005-2909(2012)01-0103-04岩石力学是地质工程专业、土木工程专业岩土和地下建筑课群组本科生必修的专业基础课程之一。以学科而言，岩石力学是研究工程岩体在各种力场作用下变形破坏规律以及强度和稳定性问题的一门应用型学科，在工程实践中有着广泛的应用领域，而岩石力学实验是验证和发展岩石力学理论的必要途

3、径；因此，岩石力学的实验课是教学环节中必不可少的一环，是锻炼学生独立工作能力、独立解决问题能力的重要培养手段。在岩石力学中，贯穿了摩尔-库伦强度理论，其在岩石力学中的地位，如同贯穿土力学课程始末的“有效应力原理”，因此，能否充分理解摩尔-库伦强度理论，关系到学生能否学好岩石力学。一、实验中存在的问题及原因笔者在多年的教学实践中发现，很多土木工程专业学生尽管在大学一、二年级学过理论力学、材料力学和结构力学课程，但并不能真正理解简单的摩尔-库伦强度理论：tf=otane+c（式中，tf为抗剪强度；o为正应力；e,c分别为内

4、摩擦角和内聚力）。学生对此公式通常的误解有以下几个方面。第一，没有认识到该公式表达的是材料任意面上的抗剪强度，且任意面上的抗剪强度都不等的事实，以为一种材料的抗剪强度值只有一个。第二，混淆抗剪强度与剪应力的概念，以为剪应力就是抗剪强度，没认识到只有当一个面上的剪应力达到这个面上的抗剪强度时该面才开始破坏。第三，理解不了为何材料在受压时也会在材料内部产生剪应力，以为只有纯剪时才会产生剪应力。第四，没有认识到正应力与剪应力或抗剪强度的确切关系，这三者都存在一个面上，正应力即为这个面上的法向应力。造成学生对摩尔-库伦强度公式

5、误解的主要原因是力学课程配套的实验教学方案和手段不完善。材料抗压强度试验采用的是单轴抗压强度试验，而不是三轴压缩强度试验，材料在单向受压下呈劈裂破坏，不显示剪切面，而材料抗剪强度试验采用的是纯剪试验，沿着指定剪切面破坏；因此，学生在实验过程中对材料在受压情况下剪切面的发生、发展直至破坏过程并无感性认识，导致学生对摩尔-库伦强度理论理解得不充分、不深刻，而造成认识上的偏差。以前配套岩石力学课程的三轴压缩强度实验，只是简单地测定岩石试件在不同围压下的强度值，而后根据不同围压和强度值绘制摩尔应力圆及其公切线，以此获得岩石的两

6、个强度参数：内摩擦角e和内聚力co尽管岩石的三轴压缩强度实验比大学一、二年级的力学课程中的实验进了一步，可以确切地实现材料在三向受力下的剪切破坏，但是，这样的实验过程仍存在以下不足。其一，在实验过程中，试样放在密闭的不透明压力室中,试样的剪切过程并不可见。有时候，试样存在微裂缝，试样破坏后的剪切面并不明显。其二，实际工程中的岩石可在加载情况下破坏，但更多的是在开挖卸载过程中破坏。而卸载时的破坏是否符合摩尔-库伦强度理论还有待进一步研究。其三，实验没能记录应力应变关系曲线，特别是不能实现岩石的应力应变全过程曲线。岩石在峰

7、值应力后仍然具有承载力，由于试验机刚度问题造成的峰值应力时岩石的突然破坏是个“假象”[1],而目前的岩石三轴压缩强度实验仅做到峰值应力后即结束。另外，过去的三轴压缩强度实验成果整理过于简单，没能直观、形象地反映摩尔-库伦强度理论的实质,学生未能结合实验成果来很好地理解岩石力学数值分析中采用的摩尔-库伦强度本构关系。现在数值分析作为一种强有力的模拟和分析手段，已在岩石力学的理论研究和实际应用中不可或缺，然而，目前大学阶段课程设置中缺少入门级的数值分析训练，学生要到研究生阶段才开始接触数值分析软件，因此，有必要让学生在对实

8、验成果进行分析整理的过程中初步认识数值分析方法和应用软件，并进一步理解摩尔-库伦强度本构关系，以及其衍生模型一一硬化-软化本构关系。鉴于上述存在的问题，此次实验教改项目拟增加和完善岩石三轴压缩强度实验内容，采用伺服控制系统进行加载和卸载条件下岩石的应力应变全过程实验，而后选用岩土工程界常用的FLAC3D软件编制简单的有限差分程序，