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巖石力學(xué)實習(xí)報告

試驗一巖石點荷載強度試驗

巖石力學(xué)實習(xí)報告

一．試驗?zāi)康?/p>

巖體的點荷載試驗是將巖石塊體置于一對點接觸的加荷裝置上，巖石破壞主要是呈劈裂破壞的性質(zhì)，破壞的機理是張破壞。用來測定巖石的抗拉強度，又根據(jù)巖石的抗拉強度與抗壓強度之間的內(nèi)在聯(lián)系，由點荷載試驗結(jié)果換算出巖石的抗壓強度。

二．試驗原理

試件在一對點荷載作用下發(fā)生破壞iao，主要是由于加荷軸線上的拉應(yīng)力引起的，其破壞機制為張破裂。試驗表明，不同形狀的試件在點荷載作用下，其加荷軸附近的應(yīng)力狀態(tài)基本相同，這為采用不同形狀的試件在點荷載作用下，其加荷軸附近的應(yīng)力狀態(tài)基本相同，這為采用不同形狀及不規(guī)則試件進行點荷載試驗提供了理論依據(jù)。點荷載試驗得出的基本力學(xué)指標是點荷載強度指數(shù)，其計算公式為：Isp 2De

式中：

P——作用于試件破壞時的荷載值（KN）；

De——等效巖芯直徑（mm），對于采取的鉆孔巖芯徑向試驗，De2==D2(D——巖芯直徑)，對于巖芯的軸向試驗，方塊體以及不規(guī)則巖塊試驗De24A

(A=DW,D

——試件上、下兩加荷點間距離，W——試件破裂面垂直于加荷軸的平均寬度)。

試驗表明，同一種巖石當試件尺寸不同時，對點荷載強度會產(chǎn)生影響，因此試驗方法標準中規(guī)定以D=50mm時的點荷載強度為基準，當D值不等于500mm時，需對點荷載強度進行修正，其修正公式為：

Is(50)

式中：

F——尺寸修正系數(shù)；

M——修正指數(shù)，由同類巖石的經(jīng)驗值確定，1985年國際巖石力學(xué)協(xié)會（ISRM）建議m=0.45，近似取m=0.5。 DeFFIs  50M

由點載荷強度指數(shù)可進一步計算出巖石的單軸抗壓強度（c）及抗拉強度（t）計算公式如下：

.75c22.8210

s(50) tK1Is(50)

三．試驗步驟

(一)試件制備

1.試樣應(yīng)取自于工程巖體，具有代表性�？衫勉@孔巖芯，或在基巖露頭、勘探抗槽探硐、巷道中采取巖塊。試件應(yīng)完整，在取樣及制備過程中避免產(chǎn)生裂縫。

2.試件尺寸應(yīng)符合以下規(guī)定：

（1）應(yīng)采用巖芯試件作徑向試驗時，試件的長度與直徑之比不應(yīng)小于1.0；作軸向試驗時，加荷兩點距離與試件直徑之比為0.3~1.0；

（2）當采用方塊體或不規(guī)則塊體試件時，加荷兩點距離宜為30~50mm；加荷兩點間距離與垂直于加荷軸向平均寬度之比為0.3~1.0，試件長度應(yīng)小于加荷兩點間距離。

（3）若采用巖芯試件，每組試驗試件數(shù)量應(yīng)為5~10個；采用不規(guī)則試件時，每組試件數(shù)量為15~20個。

（4）同組試驗的試件應(yīng)保持基本相同的含水狀態(tài)及風化（新鮮）狀態(tài)，以免試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的離散性。

（二）開始試驗

（1）首先用游標卡尺測量試件的尺寸并記錄；

（2）用高壓油管連接點荷載儀框架、壓力表、油缸與手動油泵；

（3）采用巖芯徑向試驗時，將巖芯試件放在球端圓錐之間，使上、下錐頭與試件直徑兩端緊密接觸，接觸點距試件端面的最小距離應(yīng)不小于加荷點間距1/2。巖芯軸向試驗時，將巖芯試件放在球端圓錐之間，使上、下錐頭位于巖芯試件的圓心工與試件緊密接觸。采用方塊體或不規(guī)則巖塊試驗時。一般選擇試件最小尺寸方向為加荷方向。半試件放入球端圓錐之間，使上、下錐頭位于試件中心并與試件緊密接觸，接觸點距試件自由端的距離應(yīng)不小于加荷點之間距的1/2。

（4）用手動油泵均勻施加荷載，使試件在10！60秒內(nèi)破壞，記錄破壞荷載。

（5）試件破壞后，確認試驗是否有效，對于有效試件量測破壞面加荷點距及垂直加工荷軸向的試件平均寬度。

四．試驗資料整理

注：試驗記錄及數(shù)據(jù)整理樣表見附表1、附表2

試驗二回彈儀測巖體抗壓強度

一．試驗?zāi)康?/p>

回彈儀是一種簡易輕便地質(zhì)人員可隨身攜帶，并能取得定量指標的“代錘工具”。這種儀器可以對軟弱、不易取樣的巖石及風化的裂隙壁面進行原位測試，取得定量指標。建立巖石表面回彈值與巖石單軸抗壓強度之間的相關(guān)曲線和經(jīng)驗公式，獲得巖石回彈值與貫入阻力、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)指標之間的相互關(guān)系及經(jīng)驗數(shù)值，還可利用回彈值和巖體地震波速、半波長相配合來評價巖體質(zhì)量，利用巖體波速與回彈值進行最優(yōu)地確定地下工程的開挖方式和支護類型。

二．試驗原理

通過回彈儀的加荷桿沖擊巖石表面，其沖擊能量的一部分轉(zhuǎn)化為使巖石產(chǎn)生塑性變形的功，而另一部分能量則是沖擊桿的回彈距離——回彈值。巖石的表面硬度不同，其回彈值亦不同，回彈值越大表明巖石表面硬度越大，其抗塑性變形能力也越強，利用巖石的硬度與其單軸抗壓強度的關(guān)系，確定巖石的抗壓強度。

三．實驗步驟

（一）試驗前準備

1. 回彈儀的標準狀態(tài)檢查

質(zhì)量合格的回彈儀應(yīng)符合下列標準狀態(tài)的要求：

1) 當回彈儀水平彈擊時，彈擊錘脫鉤的瞬間、回彈儀的標稱動能應(yīng)與其型號相符。

2) 彈擊錘與彈擊桿碰撞的瞬間，彈擊拉簧應(yīng)處于自由狀態(tài)，此時彈擊錘起跳點應(yīng)相應(yīng)于刻度尺上的“0”處。

3) 在洛氏硬度HRC為60±2的鋼砧上，回彈儀的率定值[N]應(yīng)為80±2。

4) 當以上標準狀態(tài)檢查不具備條件時，在下列情況下，應(yīng)把回彈儀送檢定單位校驗：

a. 新回彈儀啟用前；

b. 超過檢定有效期限（有效期為一年）；

c. 累計彈擊次數(shù)超過6000次；

d. 彈擊拉簧、拉簧座、彈擊桿、緩沖壓簧、中心導(dǎo)桿、導(dǎo)向法蘭、彈擊錘、指針軸、指針片、掛鉤及調(diào)零螺絲等主要零件之一經(jīng)過更換后；

e. 彈擊拉簧前端不在拉簧座原孔位或調(diào)零螺絲松動；

f. 遭受嚴重撞擊或其它損壞。

2.測試試件和測試點區(qū)的選擇

1). 測試試件

巖塊尺寸要求：在錘擊方向上巖塊的厚度應(yīng)大于10cm，錘擊面積大于20×20cm。

巖心的尺寸要求：長度和直徑的比為2:1或2.5:1，其長度不應(yīng)小于10cm。室內(nèi)經(jīng)過加工試件的尺寸應(yīng)為φ5×10cm；5×5×10cm，不宜小于相應(yīng)尺寸。

2). 巖體測試點區(qū)

每一層位或相同巖性、同一巖體結(jié)構(gòu)類型中所選取的測試點區(qū)數(shù)應(yīng)不小于10個。測試點區(qū)的巖體表面應(yīng)盡可能清潔、平整和干燥。

測試點區(qū)的面積，以能容納16個回彈測點為宜。測點不宜重復(fù)，測點距試體棱角邊緣不宜小于3cm。

（二）開始試驗

1. 在做好以上試驗前的準備工作以后，即可操作回彈儀按以下步驟進行試驗。

2. 將回彈儀的彈擊桿頂住試體表面，輕壓儀器，使按鈕松開，彈擊桿緩緩緩緩伸出，并使掛鉤掛上彈擊重錘。

3. 手握回彈儀使其對測面緩慢均勻施壓，待彈擊錘脫鉤沖擊彈擊桿后，彈擊錘即帶動指針向后移動，直至到達一定位置時，即在刻度尺上指示出某一回彈值。

4. 按住回彈儀、進行讀數(shù)并記錄回彈值，如條件不利于讀數(shù)，可按下按鈕，鎖住機心，將回彈儀移至它處讀數(shù)。

5. 換個測試位置，重復(fù)上述步驟即可進行下個測點的測試。

四．數(shù)據(jù)整理

1. 測點數(shù)及取舍計算方法

國內(nèi)規(guī)程一般常采用的方法，舍去測點區(qū)內(nèi)測得的16個回彈值中的3個最大值和3個最小值，然后將余下的10個回彈值按下列公式計算出平均回彈值：

N

N

i1

式中：N為測試點區(qū)平均回彈值，計算至0.1；

Ni為第i個測點的回彈值。

2、確定巖石的單軸抗壓強度

根據(jù)每個測試點區(qū)的N值和巖石的容重值，查表5-4（58頁）得巖石的單軸抗壓強度。

3、回彈試驗結(jié)果具有一定的隨機性，故需多次試驗取平均值，以盡可能地消除誤差，現(xiàn)對本次試驗中4個測點，64個回彈值分析，分析結(jié)果見上表5-2。

注：試驗記錄及數(shù)據(jù)整理樣表見附表3

試驗三巖體聲波探測-模擬圍巖松動圈測試

一．實驗?zāi)康?/p>

運用聲波探測技術(shù)探測由于應(yīng)力重分布而引進的圍巖松動圈的范圍，為硐室支護提供重要依據(jù)。

二．試驗原理

巖體與其他介質(zhì)一樣，當彈性波通過巖體時要發(fā)生幾何衰減和物理衰減。巖體中不同力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑ヂ暡〞r要發(fā)生繞射、折射和熱損耗，使彈性波能量不斷得到衰減而造成波速降低。彈性波的速度和巖體的聲學(xué)特征有關(guān)，它取決于巖石或巖體的動彈性模量、泊松比及密度。巖體中縱波波速可表示為：

硐室圍巖處在重分布應(yīng)力狀態(tài)之中，在重分布應(yīng)力作用下其動彈性模量、動泊松比以及密度值都發(fā)生變化。這些參數(shù)的改變導(dǎo)致巖體中縱波波速的變化。當圍巖中應(yīng)力集中即應(yīng)力較高時，其波速相對較大，而在應(yīng)力松弛的低應(yīng)力區(qū)中巖體的波速相對降低。根據(jù)這個原理，對硐室圍巖的松動圈進行聲波波速測試，然后結(jié)合圍巖的工程地質(zhì)條件對測得的巖體波速進行分析，確定圍巖是否產(chǎn)生松動及松動圈的范圍。

三. 試驗步驟

（一）試驗準備

1. 首先選擇有代表性的圍巖硐段，在硐的橫剖面方向各打一組φ40mm鉆孔，分布在邊墻，頂拱和拱角等部位。每個測點可打2—3個測孔�？组g距離視巖體完整情況而定，完整巖石可相距1—2m，破碎巖本可0.5—1.0m。每個測量剖面一般可打10—15個測孔，當跨度較大可適當增加孔數(shù)量。測孔深度應(yīng)根據(jù)硐室圍巖的巖性、完整程度、地應(yīng)力大小、硐室斷面等因素而定，一般應(yīng)穿過重分布應(yīng)力區(qū)，深入到巖體的天然應(yīng)力區(qū)內(nèi)的一段距離。

2. 向測孔內(nèi)注水，注滿測孔為止。

（二）開始試驗

1. 將聲波儀與換能器實行正確連接，若發(fā)射和接收換能器有標記時，不可互用。

2. 正確接通電源，若用外接電源，注意一定不能正、負極接反，否則會燒壞儀器。

3. 開機并設(shè)定測試參數(shù)，根據(jù)硐室圍巖地質(zhì)情況選擇發(fā)射脈寬及發(fā)射電壓，圍巖較完整時可選擇較小脈寬及低電壓，否則選用大脈寬及高電壓。

4. 先將發(fā)射及接收換能器插入測孔內(nèi)并注入耦合水，進行“采樣”后，顯示屏出現(xiàn)波形，調(diào)整“采樣間隔”及“掃描延時”及“放大倍數(shù)”，使波形穩(wěn)定。

5. 將換能器從測孔中拔出，測孔中重新注水，然后從孔口向里每隔20cm進尺，測讀聲時。測試過程中，應(yīng)始終保持測孔中注滿水，因為水是控頭與孔壁巖體間的耦合劑。

6. 待整個測孔測試完畢后，不拔出測桿和探頭，用軟盤沿測桿測量孔的產(chǎn)狀，即測孔的方位角和傾角，記下兩測孔之間的方位角差（α）和傾角差（γ）及孔口距離（s）。

7. 測試結(jié)束后，拔出探頭及測桿，按上述步驟，測試不同方向分布的其它測孔。

四．試驗數(shù)據(jù)及處理

本次試驗選擇測點一個，共三個測孔，分布如圖3-4-1 1

2號孔號孔

圖3-4-1 .測點分布圖

由圖知：①②號孔的方位角差α為2°，傾角差γ角差α13為2°，傾角差γ為2°。

為4°；①③號孔的方位

1. 按以下修正公式對孔距進行修正：

S(S'L2L2cos22L2coscos)L2sin2

式中：S為修正測距；

S′為孔口距離； L為測試深度。

1.由式：Vp結(jié)果見表5-2-1：

2.根據(jù)上表所計算得的波速，繪制縱波波速Vp與測點深度L的關(guān)系曲線（見圖5-2-2）分析圖中曲線可知：S1和S2之間的巖體的完整性受開挖爆破和應(yīng)力集中影響較小。故可將其視為在彈性范圍內(nèi)沒有塑性松動區(qū)得巖體。S1和S3硐口縱波波速較小，塑區(qū)松動區(qū)，厚度為0.3m。隨深度增加波速不再有明顯增加，為天然應(yīng)力區(qū)。

3.由芬納-塔羅勃公式計算圍巖塑性區(qū)厚度：Sp計算縱波波速，其中tp為縱波聲時。試驗數(shù)據(jù)記錄及計算tp

(0ccot)(1sin)R1R0

Pccota

式中： R0 —硐室半徑，取值為1m； σ0—天然應(yīng)力，取值為500KPa； φ —結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角，取值為25°；

1sin

2sin

c —結(jié)構(gòu)面內(nèi)聚力，取值為100kPa；

Pa —硐室支護反力，取值為0。代入數(shù)值得：R1為1.5634m。 4.影響試驗結(jié)果精度的因素：

1) 試驗點需選取具有代表性的試點，盡可能地反映硐室圍巖的特征，如不能選取具有代表性的試點，則不能得到與實際情形想近的試驗結(jié)果，最終給工程帶來損失；

2) 波形判讀時參數(shù)調(diào)整的影響：在巖體中測波速，波形比較復(fù)雜，有時候儀器自動判讀的數(shù)據(jù)并不準確，需人工根據(jù)波形情況進行調(diào)整，這時會產(chǎn)生由于參數(shù)的選取不同、首波波形判讀的不同而帶來的差別。

注：試驗記錄及數(shù)據(jù)整理樣表見附表4

試驗四巖體聲波探測-模擬圍巖平探頭聲波測試

一．試驗?zāi)康?/p>

隧道及各類地下開挖工程（硐室）的圍巖由于巖石（巖性）、巖體結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)構(gòu)造、地下水以及地應(yīng)力作用、風化作用等地質(zhì)條件上復(fù)雜變化，使得圍巖巖體的質(zhì)量及工程地質(zhì)性質(zhì)各不相同，甚至差別懸殊，因而也使圍巖的穩(wěn)定性存在差別。從工程設(shè)計及施工的需要出發(fā)，有必要對圍巖的質(zhì)量及穩(wěn)定性進行工程地質(zhì)分類。這種圍巖分類是經(jīng)濟有效地對圍巖進行支護襯砌設(shè)計的重要依據(jù)，也是指導(dǎo)施工，保障施工安全并順利進展的先決條件。聲波測試的應(yīng)用，使得圍巖分類由依賴于定性走向定量化，建立在系列化量化指標基礎(chǔ)上的工程巖體分類更加科學(xué)合理，使工程建設(shè)科學(xué)決策、優(yōu)化設(shè)計、安全施工、效益經(jīng)濟。

二．試驗原理

聲波（彈性波）在巖體中傳播時，其速度、振幅頻率、波形等聲學(xué)特征對巖體的巖性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、風化及應(yīng)力情況有比較靈敏的反映。巖體愈堅硬、完整、新鮮、地應(yīng)力越高，巖體波速愈高，反之亦反。目前在巖體分類的聲測中主要聲學(xué)指標是聲波波速，根據(jù)波速可以計算出一系列分類指標，如巖體的完整性系數(shù)Kv，動彈性模量巖體風華系數(shù)、巖石濕潤系數(shù)等。

三．試驗步驟

（一）.試驗準備

測試前根據(jù)巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、巖體結(jié)構(gòu)及風化程度等地質(zhì)情況，將巖體分成有代表性地段。然后根據(jù)典型的范圍，確定測點數(shù)量及間距。

(二). 開始試驗

1.對于較松散的巖體，應(yīng)采用外觸發(fā)發(fā)射方式，而較完整、新鮮的巖體，可采用脈沖發(fā)射方式；

2. 采用脈沖發(fā)射方式時，對巖體的測試應(yīng)選擇大功率、低頻率的換能器，而測試巖石時要選擇小功率、高頻率的換能器；

3. 將聲波儀與換能器實行正確連接，開機預(yù)熱；

4. 在“參數(shù)”菜單中將“模式”設(shè)定為“測砼強度”，輸入文件名和“收發(fā)間距”，然后返回主菜單；

5. 在“狀態(tài)”菜單中設(shè)定“系統(tǒng)參數(shù)”，將“屏幕參數(shù)”中“屏幕區(qū)數(shù)”設(shè)定為“1”，然后返回主菜單；

6. 將黃油作為耦合劑涂抹在換能器前表面上，然后將換能器與巖體表面緊密接觸；兩個換能器之間的距離：測試巖體波速時大于20cm；測試巖塊波速時小于10cm，遇到裂隙密集和軟弱巖體時其間距可近些；

7. 點擊“采樣”功能鍵，即可進行測試，根據(jù)屏幕上的波形，調(diào)整“采樣間隔”、“延遲時間”、“發(fā)射脈寬”以及“放大倍數(shù)”等參數(shù)，以求獲得理想的波形圖象。

8. 用尺子量取發(fā)射與接收換能器之間的距離，輸入聲波儀，計算出波速； 9. 按上述步驟7—9逐點進行測量，并做測試記錄；