岩土力学试验及参数取值

一、概述1、岩土力学试验及参数取值的意义“岩土力学试验”——对岩土体的力学性质进行观测和度量，得到岩土体的各种物理力学指标的试验工作。岩土体的力学性质：承受力的作用而发生变形的性能（变形性）；抵抗力的作用而保持其自身完整的抗破坏性能（抗破坏性）。“岩土力学参数取值”——为了建筑物承载力和变形相容的要求，必须对其岩土力学特性进行现场和室内试验工作，以获得合理的、可靠的用于建筑物变形问题和稳定性评价的力学参数。岩土力学参数取值：岩土体结构的差异性；岩土体特性构成岩土工程的特殊性和复杂性。2、岩土力学试验及参数取值在岩土工程中的作用Terzaghi的有效应力原理建立在压缩试验中孔隙水压力的测试基础上；Darcy定律（达西定律）建立在渗透试验基础上。反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律；摩尔—库仑定律、各种岩土体本构模型几乎都建立在试验分析的基础之上。高层建筑、水电枢纽、公路桥梁与隧洞的兴建是否经济、合理大部分取决于岩土的工程性质。渗透试验三轴剪切试验测定土体在三向应力作用下的抗剪强度参数——内摩擦角φ角和粘聚力C值。二、试验成果综合整理方法1目的：对各项分散的试验成果进行分析、归纳，使他们能更好的反映岩石、岩体的物理力学性质，揭露其内在规律，提出试验最佳值或给定置信概率的试验参数标准值。2成果整理的步骤1）根据试验大纲的要求和地质描述资料，对全部试验资料进行逐项、逐类的检查、核对、分析试验成果的代表性、规律性和合理性。2）将试验结果按已划分的工程地质单元进行分类、归纳，编制单项试验成果表和各项试验成果汇总表。3）采用适当的成果整理方法，对各项试验成果进行综合整理，提出各项试验成果的最佳值或标准值。三、岩块力学试验岩块单轴压缩变形试验——测试岩块在单轴压缩荷载作用下，随着荷载的不断增加而产生的轴向变形、横向变形以及破坏时的荷载和变形。以此可确定反映岩块强度特性——单轴抗压强度和变形特性——（弹性模量和泊松比）岩块强度——岩块受力时抵抗破坏的能力，由强度指标表征。岩块变形——岩块在各种外力作用下形状和大小的变化，即在外力作用下引起的变形。由变形指标来度量，如弹性模量(或变形模量)及泊松比等。单轴抗压强度试验——测定表征岩块强度的抗压强度；单轴压缩变形试验——表征岩块变形特征的变形参数；（弹性模量和泊松比）岩石的抗压强度——岩石抵抗单轴压力破坏的最大能力。即标准岩石试样在压力作用下破坏时的最大荷载与垂直于加荷方向的截面积之比。软化系数——饱水试样的抗压强度与干燥试样的抗压强度之比。弹性模量——岩石轴向应力与纵向应变之比；泊松比——某个应力水平对应的横向应变与纵向应变之比。初始弹性模量Ec——应力应变曲线在零荷载时的切线的斜率；切线弹性模量Eq——应力应变曲线某点处(一般为抗压强度的50％处)的切线斜率；割线弹性模量E50——应力应变曲线零荷载点与某一应力水平交点连线的斜率，一般用抗压强度的50％的应力值。伺服控制刚性试验机：a、用岩石试件的变形（纵向、横向变形）控制加载速度；b、刚度大。（5MN/mm)伺服系统有一个反馈信号系统：检查当前施加的荷载是否保持事先确定的变形速度，否则会自动地调整施加的荷载，以保持变形速度的恒定。注意：对于特别坚硬的岩石，除采用带有伺服系统的刚性试验机外，施加一定的围压是必要的，可以使破坏后的岩石变形得到有效控制。标准试件的选择原则：a、圆柱体试件具有轴对的特点，应力分布较均匀，优先选用；b、试件尺寸大于矿物颗粒10倍，考虑充分利用钻孔岩芯；c、试件高径比要充分考虑减少端部效应，在受力时不发生弯曲。试件含水状态：a、烘干状态将试件置于烘箱内，在105～1100C温度下烘24h，取出放入干燥器内冷却至室温后称重。b、饱水状态自由水法饱和试件：将试件放入水槽，先注水至试件高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试件高度的1/2和3/4处，6h后全部淹没试件。试件在水中自由吸水48h后，取出试件并沾去表面水分称重。扩容现象是岩石破坏的前兆。高与直径之比为1:1:圆柱体的抗压强度高于立方体的抗压强度高与直径之比为1.5:1:圆柱体的抗压强度低于长方体的强度，大约与2：1的长方体强度相同。试件在加载过程中，随着所受载荷的增加，微裂隙不断发展，然后沿最不利的方向破坏。加载速度缓慢，则裂隙发育充分，反应出强度较低。加载速度较快，裂隙发育不充分，将出现人为的强度偏高。一般垂直层理方向的抗压强度大于平行层理方向的抗压强度。四、岩块三轴压缩强度试验地层中，岩体处在三向压缩应力状态。岩石在三向压缩应力作用下的强度和变形特性才是岩体力学性质的真实反映。岩体三向压缩强度——指在不同的三向压缩应力作用下，岩体抵抗外部荷载的极限能力。岩体的三向压缩强度并没有确定的值，只有在某种应力组合时，岩体发生破坏，得到该应力组合条件的极限应力值。按应力的组合方式，可分为两种情况：1、侧向等压的三轴压缩试验（σ1＞σ2＝σ3）；主要研究围压（σ2＝σ3）对岩块变形、强度及破坏的影响，测定岩块三轴抗剪强度指标。2、三轴不等应力试验（真三轴、σ1＞σ2＞σ3）；主要研究中间应力σ2的影响。通过大量试验研究，σ2对岩石的三轴极限强度和变形是有影响的，但其影响与σ3的影响比起来要小得多。1、常规试验方法a、同一含水状态下，每组不少于5个试件，分别施加不同的围压，在保持围压不变的条件下，连续施加轴向荷载，直至试件破坏。单个破坏状态试验；b、围压的确定：根据工程需要和岩石的特性确定；将最大围压按等差级数或等比级数进行分级，分级数不得少于5级。精度要求：在试件整个高度上，直径误差不超过0.3mm；两端面的不平行度，最大不超过0.05mm；端面应垂直于试件轴，最大偏差不超过0.25度。确定围压：根据工程需要和岩石特性确定最大围压。工程没有特殊要求，上覆岩层性质相同，可按下列方法预估最大围向压力：五、直剪强度试验岩石抵抗剪切破坏的最大能力称为抗剪强度。对五个以上的试件，施加不同的法向荷载,用平推法施加水平剪切力，直至试件被剪坏，计算每个试件的抗剪强度。根据莫尔理论，求得抗剪强度参数:内摩擦角（φ）和内聚力（C）。库伦·莫尔强度理论破坏机理：材料属于压剪破坏，剪切破坏力的一部分用来克服与正应力无关的粘聚力，使材料颗粒间脱离联系；另一部分剪切破坏力用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面内错动而最终破坏。岩石的抗剪强度通常有三种：1、抗剪断强度——岩石在法向载荷作用下，受剪力方向的载荷而产生断裂时的极限应力，根据莫尔理论，求得抗剪强度参数。2、抗切强度——将岩石试件在法向荷载等于零的情况下加水平荷载产生水平方向的断裂试验。由于法向荷载为零，内摩擦系数不起作用，抗剪强度只取决于内聚力。这种试验一般只校核抗剪断试验所求得的内聚力C值（即抗切强度）。τ=C3、抗剪强度——将岩石试件密合置于另一试件之上，在法向荷载作用下，加水平荷载产生水平位移，其间没有内聚力，剪应力只取决于试件间摩擦力，此试验以求岩石的摩擦系数（即抗剪强度）τ=σtgφ（1）混凝土与岩石接触面应位于试件中部，起伏差为边长的1％～2％。混凝土骨料的最大粒径不得大于边长的1/6。（2）试件尺寸要求：混凝土与岩石接触面试件为方块体，其边长不宜小于150mm。（3）根据需要，试件可采用天然含水状态和饱水状态；（4）每组试件不少于5个。试验中应注意的几个问题：1、剪切方向的确定试样受剪切方向应与工程岩体受力方向一致。2、法向载荷施加要求(1)法向载荷最大值为工程压力的1.2倍。(2)法向载荷按等差级数分级，分级数不少于5级，分别施加给每个试件。(3)对于不需要固结的试样，法向载荷可以一次施加完毕，立即测读法向位移，5min后再测读一次，即可以施加剪切载荷；(4)对于需要固结的试样，在法向载荷施加完毕后的第一个小时内，每15min读数一次法向位移，然后每半小时读数一次。当每小时法向位移不超过0.05mm时，可以施加剪切载荷；3、剪切载荷施加要求：(1)按预估最大剪切载荷分10～12级。每级载荷的大小，软岩可按法向应力的5～10%计算，软弱结构面可按法向应力的2～5%计算。(2)剪切破坏后，分别将剪切载荷和法向载荷退至零。4、剪切破坏标准（1）剪切载荷加不上或无法稳定；（2）剪切位移明显变大，在剪应力与剪切位移关系曲线上出现明显突变段；（3）剪切位移增大，在剪应力与剪切位移曲线上未出现明显突变段，但总剪切位移已达到试件边长的10%。5、确定有效剪切面积：（1）当剪切位移量不大时，有效剪切面积可直接采用试件剪切面积。（2）当剪断后位移量较大时，应采用剪断时试件上下相互重叠的面积作为有效剪切面积。六、岩块声发射测试岩体应力——泛指存在于岩体内部的应力：天然应力（初始应力、地应力）、二次应力（围岩应力、重分布应力）1、天然应力（地应力）：指岩体在天然状态下所赋存（工程兴建前）的应力，又称“地应力”，“初始地应力”2、二次应力：由于人类活动（工程开挖，修建建筑物）影响一定范围的天然应力。这种岩体被挠动后的应力称为“重分布应力”或“二次应力”地应力的测量——工程设计中必须解决的岩石力学问题之一。了解场地的岩体地应力大小和方向，对工程建设和施工至关重要。岩石所承受的压力超过它所受过的最大压力时，才会有明显的声发射出现。现场取样有两种方法：一种是从基岩表面或探硐取未扰动的块状岩石。另一种是取定向钻孔岩芯样，可采取深层岩样。