力学试验研究

力学研究生做实验好,还是计算好,以后找工作哪个会好一点？~

　　就找工作而言，用人单位往往看中的是求职者的综合能力，学历，学校，专业，个人经历，能力谈吐等。因为大部分公司在招收力学研究生的时候，并不会让研究生来从事研究性的工作，所以在专业相同的情况下，做实验和计算没有太大的差别。但是对于研究所或进入高校深造或当研究员，则应因各自的研究条件来定。一般而言，做数值计算的成本较低，所以相比较实验来说需求更大，找到这方面的工作的可能性也会更大一些。但是在力学中数值计算的可靠性不如实验，因此能够兼有实验能力的研究者往往有更大的发展前景。
　　力学和一般的工科相比，理论性较强，针对性较弱，可以适用于大量领域的问题，但是不太能够单独地解决某一方面的实际问题，因此在找工作当中，没有其他工科，如机械、电气等，有竞争力。因此应该多注重其他方面素质的培养，来提高自己在求职当中的竞争力。

理论源于实践，并需要得到实践的检验。试验是一切科学研究的基础，岩石力学的研究也是从试验开始的，尽管古代有关的试验记录尚未发现，但数千年前埃及和希腊人在修建金字塔及寺庙时，已确实考虑到岩石的强度问题［3］。秦昭王（公元前306～前251年）时李冰父子修建的都江堰，西汉楚襄王刘注（公元前128～前116年）的墓室——徐州龟山汉墓，隋开皇大业（公元581～618年）年间李春修建的赵州桥，1230年建成的英国Wells 大教堂等，都是古代岩体工程的杰出代表，显示了古代人民对岩石力学性质的良好理解。时至今日，利用Google等搜索工具，不难在INTERNET上得到相关图片和文字介绍。当然，没有成功的古代工程也为数不少。正如文献［4］所说，All of the earlier activity was，of course，conducted without the benefit of modern knowledge.In some case the projects were successful，often dramatically so；but，in other case，we know that they were unsuccessful.Many cathedrals were not so fortunate as that at Wells and collapsed during or shortly after construction。
文艺复兴时期Da Vinci的“不同长度铁丝的强度试验”［3］，可能是目前已知最早的力学试验记录（大约公元1500年）。Galielo G在1638年报告了空心梁和实心梁的直接拉伸强度和弯曲强度，在研究弯曲强度时采用了悬臂梁端头加载的方式［5］。
有记载的第一台岩石力学试验机大约是1770年由E.-M.Gauthey制造的，其目的是设计Sainte Genevieve教堂的立柱。该试验机利用杠杆系统加载，得到了边长5cm立方体岩石的压缩强度，并注意到长柱体岩石的强度小于立方体岩石的强度。18世纪后期至19世纪初，由于桥梁（石桥和铁桥）的大量兴建，激发了试验机的设计和制造；而每一试验机的设计和制造都将当时的技术水平发挥到极限。19世纪80年代的试验机已经能够自动记录试样的载荷-位移曲线。1865年，第一个商业实验室在伦敦开业，拥有一台载荷1000000 lb的设备，压缩试验的最大试样可以达到长21.5ft，断面边长32 in。1910年，在Pittsburgh 的兵工厂（Arsenal Ground），后移至 Washington 的标准局（Bureau of Standards），安装了最大压缩载荷10000000 lb的试验机，试样的最大长度也增大到30ft［6］。

图1-1 大理岩常规三轴压缩全程曲线

曲线上数字是围压，单位MPa
在试验机载荷不断增加的同时，试验机的加载方式也在改进完善。由机械加载变为液压加载，由单向加载变为准三向加载（Pseudo-triaxial compression）。即将圆柱体岩样放置在液压腔中，利用油压对岩样进行侧向加载，在维持侧限压力（也称围压Confining pressure or ambient pressure）的同时，对岩样进行轴向压缩。Von Karman 于1911年发表的大理岩（Carvala marble）常规三轴压缩试验曲线是标志性的工作（图1-1），最高围压达到326MPa［7］。试验结果表明，对大理岩而言，脆性只是应力较低时的表现；而在较高应力状态（如地质条件）下，岩石完全可以产生很大的塑性变形而显示出延性。对某些粗晶大理岩围压达到3MPa时，即可显示延性变形特征［8］。
茂木清夫设计了对长方柱体试样进行三向不等压加载的真三轴试验机，从1967年开始发表了一系列文章［9］，论述中间主应力对岩样强度、变形、脆性和延性的作用。图1-2是典型的一组试验结果。随着中间主应力的增加，白云岩（Dunham dolomite）试样的强度有所增加，而屈服过程的塑性变形减小，岩石趋于脆性。脆性破坏消耗的能量小，而延性破坏消耗的能量大。图1-2的试验结果表明，在最小主应力一定时，增加中间主应力对维持岩石的完好并没有多大作用。无疑实际岩体处于复杂的应力状态，其破坏方式需要研究。
真三轴试验可以在三个方向利用固体承压板进行加载［10］，为了减少加载板之间的干涉和摩擦的影响，真三轴试验机后来多采用液压加载最小主应力［11］。
文献［12］介绍了高温高压三轴加载试验机的发展过程、主要特征以及相应的岩石力学试验成果。Griggs 型装置，以固体铅（Pb）或盐（NaCl）作为围压介质，利用两个活塞分别产生围压和主应力差，围压达到3GPa，温度达到1500℃，可以进行长达数月的高温蠕变试验［13，14］。立方加压（Cubic press）系统，利用6个液压缸在3个方向对立方体试样进行真三轴加载，如文献［15，16］利用2MN（200 tons）的立方加压系统对边长42mm的岩样进行试验，700℃的温度从压头传入岩样。如果将圆柱试样置入固体介质内，也可以利用立方加压系统进行高围压、高温试验。文献［17］对直径2.9mm、长8.5～9.5mm的石英试样进行围压 7GPa、温度2000℃的三轴压缩试验；文献［18］的立方加压系统，700MPa 的工作压力可以使液压缸载荷达到5 MN（500 tons），可以对直径8mm、长16mm的试样进行围压3.7GPa、主应力差4GPa、温度1000℃的三轴压缩试验，围压介质是叶蜡石（pyrophyllite）。

图1-2 中间主应力对白云岩试样强度和变形的影响

最小主应力σ3=125MPa，曲线上数字是中间主应力σ2，单位：MPa

图1-3 岩石试样单轴压缩的全程曲线［20］

1—查尔考灰色花岗岩Ⅰ；2—印第安纳石灰岩；3—田纳西大理岩；4—查尔考灰色花岗岩Ⅱ；5—玄武岩；6—佐伦霍芬石灰岩
1935年，Spaceth W提出刚性试验机的设想之后，开始了对混凝土全程曲线的研究。此后的30余年，为提高试验机刚度采取了各种措施，主要有提高试验机支架刚度、与岩样并联安装附加刚性设施、减小加载油缸长度等，最后甚至利用水银作为加载液压缸的工作介质。但直到1966年，Cook N G W才在液压-热力混合加载的刚性试验机上，得到岩石试样单轴压缩的全程曲线［19］。全程曲线的获得表明，岩石爆炸式的破坏是由试验机刚度不足引起的，岩石达到强度之后仍然可以承载。标志性的工作是，1968年Wawersik W R对该试验机作了改进，采取人工伺服控制的方法，得到了一系列岩石试样单轴压缩的全程曲线（图1-3），并指出，根据岩样单轴压缩破坏的稳定与否，可以将岩石分为Ⅰ类和Ⅱ类材料［20］。这一观点至今仍存在争论。
近代力学试验机以加载控制和数据采集的计算机处理为主要特征。试验机的刚性支架和反馈控制实现了脆性材料的可控破坏，从而对岩石达到强度极限之后的破坏过程有所认识，并研究岩石破坏过程中的承载、变形特性，开创了岩石力学研究的新纪元。图1-4a是在伺服试验机MTS上得到的煤试样单轴压缩过程中的轴向应力、轴向应变和环向应变，图1-4b对局部曲线作了5：1的放大。试验过程中以试样环向变形增加速率4mm/3600sec控制轴向加载［21］，试验机每秒采样一次，共3600组数据。在加载过程中，煤试样局部会产生脆性破坏，使环向变形突然增大；为维持环向变形的恒定速率，试验机会伺服控制轴向卸载，减小环向变形后再继续进行轴向加载。

图1-4 伺服试验机上得到的煤试样单轴压缩过程

a—试验的全过程；b—局部的放大图
现在，岩石变形引起颗粒结构的细观变化，已经利用电镜扫描、CT技术等进行研究；岩石破坏过程中声音、电磁现象也利用各种设备进行测试［22～27］。

1. 力学试验

本研究对金2井、金3井、金6井、金8井、金16井、金17井、白005井、克98井共9口井40块岩样(其中安山-玄武岩15块、火山角砾岩8块、凝灰岩7块、砂砾岩10块)进行岩石力学参数测量实验(表4－1)。

表4－1 本研究选用石炭系火山岩岩心表

续表

本次实验是按照美国材料与试验协会有关岩石力学测试标准执行，标准号为:ASTMD2664－04(三轴测试)，D2936－95(抗张测试)，D4543－04(岩样制备)。实验设备为美国GCTS公司RTR-1000型动三轴岩石力学测试系统。该系统最大轴向压力1000kN，最大围压140MPa，孔隙压力140MPa，温度150℃。实验控制精度为:压力:0.01MPa;液体体积:0.01g/cm³;变形:0.001mm。

测试环境温度是25～27°C，湿度是60%～70%RH。岩石尺寸的测量是使用数显游标尺，测量精度为0.01mm。样品加工成圆柱状(D=25mm)，两端面的不平行度小于0.015mm。实验围压采用有效应力法，有效应力=上覆岩石压力-孔隙压力，其中，上覆岩石压力=平均深度×地层密度;孔隙压力为8MPa。单轴抗张的试验采用间接方法———巴西试验法来测定岩石的抗张强度(图4－3)。其抗张强度为:

准噶尔盆地火山岩储层测井评价技术

式中:σ_t———岩石的抗张强度，MPa;

P———岩石破裂时的最大载荷，kN;

d，t———试样的直径和厚度，mm。

岩石常温三轴压缩实验的试验程序为:根据实验要求，编制实验控制程序，试样塑封并加装各类传感器，装好后对传感器进行调零，将液压油装好，抽真空排除空气，加0.5MPa轴压，加围压(P_c=σ₂=σ₃)到指定值，保持围压不变，各类位移传感器清零，开始执行实验程序，增加σ₁直至试样破坏。

图4－3 巴西实验———测抗张强度

岩石高温三轴压缩实验的试验程序为:根据实验要求，编制实验控制程序，试样塑封并加装各类传感器，装好后对传感器进行调零，将液压油装好，抽真空排除空气，加温到实验样品需要的温度并保持温度，加0.5MPa轴压，加围压(P_c=σ₂=σ₃)到指定值，保持围压不变，各类位移传感器清零，开始执行实验程序，增加σ₁直至试样破坏。

实验控制是采用应变控制，应变控制速率为1.5×10^－5。

在三轴实验中，美国材料与试验协会ASTMD2664—04标准采用的是差应力(S_d)表示岩石试样的抗压强度。

准噶尔盆地火山岩储层测井评价技术

式中:σ₁———轴向压力，σ₂=σ₃=P_c(围压)。

对岩石弹性模量(切线模量)和泊松比是采用50%的S_d来计算，公式如下:

准噶尔盆地火山岩储层测井评价技术

式中:ΔP———载荷增量;

H———试样高度;

A———试样面积;

ΔH———轴向变形增量。

准噶尔盆地火山岩储层测井评价技术

式中:H———试样高度;

d_L———周向变形;

D———试样直径;

H_轴向———轴向变形。

对岩石抗剪强度参数内聚力、内摩擦角是应用摩尔-库仑破坏准则，在相关软件上和AutoCAD上做图求出。测试结果见表4－2～表4－4。

表4－2 石炭系岩石三轴实验结果表

表4－3 石炭系岩石(三轴)抗剪强度参数实验结果表

表4－4 岩石抗张实验结果表

图4－4是克98井、金2井岩样的应力－应变关系图，可以看出不同火山岩发生相同应变时的应力变化较大。

从面积变化图(图4－5)中，面积缓慢增加，当岩样面积突然增大，表明该岩样强烈的脆性破坏和高抗压强度。

图4－4 克98井、金2井岩样的应力-应变关系图

图4－5 克98井、金2井岩样面积变化-时间图

2.力学试验结果分析

图4－6是3种不同岩性的泊松比对比图。从该图可以看出，凝灰岩的泊松比相对要比火山角砾岩和安山岩低，火山角砾岩在3种岩性中相对高。

图4－6 3种不同岩性的泊松比对比

图4－7～图4－9分别对比了3种不同岩性的杨氏模量、体积模量和剪切模量的相对大小。由此组图可知，凝灰岩的3个模量都最大，说明较难发生变形。火山角砾岩最小，塑性较强。

图4－10是3种不同岩性的抗压强度对比。由此图可知，凝灰岩的抗压强度最大，安山岩次之，火山角砾岩的则相对较小。

图4－7 3种不同岩性的杨氏模量对比

图4－8 3种不同岩性的体积模量对比

图4－9 3种不同岩性的剪切模量对比

图4－10 3种不同岩性的抗压强度对比

由图4－11，图4－12不难得知，此3种岩性的抗张强度均小于抗剪强度，也就是说，此3种岩性的岩石更容易发育张裂缝。安山岩比火山角砾岩容易发育剪切裂缝，火山角砾岩比凝灰岩更易发育剪切裂缝;火山角砾岩比安山岩容易发育张裂缝，安山岩比凝灰岩容易发育张裂缝。岩性的脆性与裂缝的发育有很大的关系，脆性大的岩层裂缝发育。对火山岩而言，温度的变化致使其岩石的体积收缩。

图4－11 3种不同岩性的抗剪强度对比

图4－12 3种不同岩性的抗张强度对比

---

祁连县19447401683： 高考物理力学实验主要有哪些 - ？
植缪珂丹： 高考物理力学实验主要有:1、验证平行四边形定则.2、探究弹力和弹簧伸长的关系.3、研究匀变速直线运动.4、验证动能定理.5、验证机械能守恒.6、探究平抛运动规律.7、验证动量守恒.

祁连县19447401683： 力学的研究方法 - ？
植缪珂丹： 力学研究方法遵循认识论的基本法则:实践——理论——实践.力学家们根据对自然现象的观察,特别是定量观测的结果,根据生产过程中积累的经验和数据,或者根据为特定目的而设计的科学实验的结果,提炼出量与量之间的定性的或数量的...

祁连县19447401683： 综合实验--研究两个力学小实验(可以配图说明):(1)请你设计一个验证性小实验,证明“气体液化放出热量”.(2)请你完成“蒸发快慢与液体表面积大小... - ？
植缪珂丹：[答案] (1)根据图示的实验,当水蒸气遇到上方的金属片时,会有小水滴生成,说明水蒸气发生了液化现象,用手触摸金属片时,会感觉到烫,说明“气体液化过程要放出热量”.(2),研究蒸发快慢和液体表面积的关系,根据控制...

祁连县19447401683： 结构力学的研究方法 - ？
植缪珂丹： 结构力学的研究方法主要有工程结构的使用分析、实验研究、理论分析和计算三种.在结构设计和研究中,这三方面往往是交替进行并且是相辅相成的进行的. 使用分析在结构的使用过程中,对结构中出现的情况进行分析比较和总结,这是易行...

祁连县19447401683： ...(质量已知、规格相同)等器材(数量不限),可以进行很多力学实验.请选用其中的一些器材,设计一个力学实验.要求写出:(1)实验研究的问题:____... - ？
植缪珂丹：[答案] 第一种实验: (1)研究的问题:测量铁块的重力(或研究弹簧测力计的原理) (2)实验所需器材:细线、弹簧测力计、铁块(弹簧测力计、细线、刻度尺、钩码) (3)测量铁块的重力实验步骤:用细线拴好石块,挂在弹簧测力计下,可以测出...

祁连县19447401683： 如图是凯威同学做的两个力学探究实验.(1)他在家帮妈妈和面时,发现碗在面粉上压出痕迹,为此他想探究压力作用效果与哪些因素有关.①在同一个碗中装... - ？
植缪珂丹：[答案](1)影响压力作用效果的因素是压力的大小和受力面积的大小,所以探究压力作用效果的因素时应采用控制变量法; ①同一个碗中装入不同量的水时,水越多,碗底对面粉压力越大,受力面积一定,压痕越深,说明压力效果越明显; ②不正确.在探究...

祁连县19447401683： 初三``设计力学实验 - 用弹簧测力计,刻度尺,木块,铁块,细线,钩码(质量已知,规格相同)等器材(量不限),选择其中器材设计力学实验.要求写出:(... - ？
植缪珂丹：[答案] 第一种:(1)问题:摩擦力的大小与物体所受的压力是否有关(2)器材:弹簧测力计 木块 铁块 细线(3)步骤:1.用细线横向绑住木块2.用弹簧测力计拉住木块 在水平面上作匀速直线运动3.读出此时弹簧测力计的示数f1...

祁连县19447401683： 力学性能的实验包括 - ---、 - -- - 、----、 - --、 - --- - ？
植缪珂丹： 力学性能的实验包括拉伸试验、压缩试验、冲击试验、硬度试验、疲劳试验等

祁连县19447401683： 钢材常用的力学性能试验项目有哪些? ？
植缪珂丹： 检测项目:屈服强度、极限强度、延伸率、冷弯、反复弯曲、化学分析.验收批:从... 钢筋每一米弯曲度不应大于四毫米. 接下来力学性能试验,每批若小于60吨则从中抽...

祁连县19447401683： 材料力学实验的介绍 - ？
植缪珂丹： 材料力学实验测定材料的机械性能,分析实验数据,建立材料力学中结论和定律并验证材料力学实验它们的正确性.常用的胡克定律,就是由R.胡克在1668年至1678年间,作了一系列的弹簧和钢丝试验之后建立起来的.