试验设计(最终版)

中国矿业大学力学与建筑工程学院2012~2013学年度第一学期《岩土工程试验》课程报告班级土木09-7班同组姓名毕春帅陈鹏李少华彭星新谭军力学与建筑工程学院教学管理办公室岩石点荷载强度试验成绩评阅人日期摘要：本文对岩石点荷载强度试验进行了论述，并设计试验。本文介绍了岩石点荷载强度试验的基本原理、目的、意义、设备，设计了相应的试验步骤，估算了试验费用，给定了整理及分析数据的方法，分析了成果的应用方面。关键字：点荷载；强度试验；步骤1概述本小组以第五组试验（岩石点荷载强度试验）为题做了相应的试验设计。小组成员有毕春帅、陈鹏、李少华、彭星新、谭军。毕春帅、李少华主要负责资料的收集，彭星新、谭军主要负责资料的整理和报告的编写，陈鹏主要负责ppt的制作和讲演。本组试验主要从试验基本原理、目的、意义、设备、步骤、费用估算、数据的可能整理及分析、成果的应用分析等方面进行论述。点荷载实验法是在20世纪70年代发展起来的一种简便的现场试验方法。该试验方法最大的特点是可利用现场取得的任何形状的岩块，可以是5cm的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下的不规则岩块，不作任何岩样加工直接进行试验。该试验装置是一个极为小巧的设备，其加载原理类似于劈裂法，不同的是劈裂法所施加的是线荷载，而点荷载法施加的是点荷载。点荷载的强度指数I可按下式求得I=PD2⁄式中P—试件破坏的极限荷载；D—荷载施加点之间的距离。经过大量实验数据的统计分析，提出了表征一个点荷载强度指数与岩石抗拉强度之间关系的公式，即Rt=0.96PD2⁄由于点荷载试验的结果离散性较大。因此要求每组实验必须达到一定的数量，通常进行15个试件的试验，最终按其平均值求得其强度指数并推算出岩石的抗拉强度。最近，许多岩土工程分类中都采用了荷载强度指数作为一个定量的指标，因此有人建议采用直径为5cm的钻孔岩芯作为标准试样进行试验，使点荷载试验的结果更趋合理，且具有较强的可比性。岩石的点荷载强度试验可以用于估算岩石的抗拉强度和单轴抗压强度以及确定岩石的各向异性，也可以将点荷载强度指标作为一个独立的强度指标应用于工程实践。2试验的目的和意义点荷载强度试验适用于各类规则或不规则的岩石，既可以是钻孔岩心，也可以是从岩石露头、勘探坑槽、平洞、巷道中采取的岩块。试验岩石分类，工程地质评价，岩体工程设计和施工，皆以岩石工程性质为基础，而获取岩石力学性质指标要通过室内常规试验或现场大型试验来实现。大型试验费力费时费用高，室内常规试验要将采集来的岩样加工成标准尺寸的试件，再利用各种试验机和仪器测定出岩石力学性质指标。这样一则需要一套完整的加工和试验设备；二则风化、软弱的岩石往往遇水软化、崩解，难以加工成试件；三则岩体工程多处于远离试验设备、交通不便地方。为此多年来国内外科研人员都在研究结构简单、携带方便、适用野外并能快速测得成果的试验设备和方法，岩石点荷载试验就是其中的一种。岩石强度指标是涉及到岩石的工程建筑设计的主要技术参数之一，其试验数据是否正确，对工程的安全及造价影响很大，其重要性不言而喻。目前比较常见的岩石强度试验包括单轴压缩试验，单轴拉伸试验，巴西劈裂试验，假三轴试验和点荷载试验，这几种常见试验方法均被写入了国家规范，其中大部分试验是在工地取得岩芯送到试验室，按照要求，用专门机械加工试样，在压力机上进行试验，耗费了大量的人力物力，并且由于常规试验的试件数量有限，且岩石数据的离散型很强，使得试验数据的代表性和可靠性受到很大的影响，特别是对软弱岩石，严重风化和节理发育的岩石，由于取不出完整岩芯或者岩石试件无法加工成标准试件，不能采用常规的岩石试验来测定其强度，成为岩石强度测试中的一个难题。点荷载试验，仪器小型轻便，并可用不规则岩块做试验，为在实地开展岩石力学试验开辟了道路，填补了软弱岩石强度鉴定的空白。国际岩石力学协会已经正式将点荷载试验作为测定岩石强度的推荐方法之一，并推广将点荷载试验的测试技术应用于生产实践。3试验的基本原理将岩石试样置于上、下一对球端圆锥形加荷器之间，通过两个球形圆锥状压板对其施加集中荷载，直至破坏，然后以此为依据计算出点荷载强度、各向异性指数。点荷载强度，可作为岩石强度分类及岩体风化分类的指标，也可用于评价岩石强度的各向异性程度，预估与之相关的其它强度如单轴抗压强度和抗拉强度等指标。该方法的特点是岩石试件可以是规则的方形岩块、不规则岩块或是岩芯。对岩芯岩石试件既可以测定轴向又可以测定径向，对于岩块既可以测定顺岩层方向又可以测定垂直于岩层方向的岩石点荷载强度。试验中，为使岩石试件有良好的受力和传力条件，要求岩石试件各向尺寸之间必须满足一定条件，即岩芯试件的长度与直径之比不小于1，加荷两点间的距离与直径之比为0.3～1.0，对不规则岩块试件，加荷处最小宽度与加荷两点间的距离之比为0.3～1.0，长度不小于两加荷点间距，两加荷点间距为30～50mm。点荷载试验虽然不必对岩石试件进行专门加工，不是统一的形状和同一的标准尺寸，但实践证明，即使在同一种岩石中，由于尺寸不同，试验成果差异较大，尺寸效应显著。为了消除尺寸效应的影响，使不同尺寸的试验资料具有可比性，采用等效直径Dn=50mm为标准对试验成果进行修正。4点荷载的基本概念和特点：将具有一定尺寸和形状系数的岩石试件置于点荷载仪的上下两个加荷锥之间，通过机械装置施加集中荷载直至试件破坏，然后根据试件的破坏荷载和加荷点间距，计算试件材料的强度指数，这就是点荷载试验。这种加荷方式和所加的荷载称为点荷载。试件尺寸与形状系数，除自身固有的常识性涵义以外，更各有其特定的涵义：“尺寸”指的是包含两个加荷点在内的试件破坏额面在垂直于加荷轴方向上的平均宽度(径向试验指的是试件直径)，它相当于常规压缩试验中圆柱状试件的直径，方柱状试件或立方体试件的边长；“形状系数”指的是试件加荷点间距对尺寸的比值，相当于常规压缩试验中的试件高径比或高边比。为了简明，本书有时候将两者合称为“试件规格”。试验证明：岩石试件的材料相同面规格不同，试验结果也不同。由于尺寸不同引起测试值不同，称为尺寸效应，形状系数不同造成测试值的差异则称为形状系数效应。为了比较各试件的强度调试结果，尺寸效应和形状系数效应都必须加以修正，作为修正依据的尺寸和形状系数，本书称为“基准”，有的文献则称为“参考”，如“参考直径”等。符合基准条件的试件称为“基准试件”，其它则称为非基准试件。各国、各地区和各部门采用的基准，目前常不一致。加荷锥是把荷载直接传到试件上的圆锥形器件，其顶端形状和尺寸将影响试件破坏荷载的大小，从而影响测试值的准确性。布劳奇和富兰克林在《点荷载强度试验》中建议的标准化加荷锥祥式，其球场曲率半径为5mm，锥顶角为60°，目前已广泛采用。点荷载试验的机械装置即点荷载仪，大致由三个部分构成：加荷系统、荷载测量系统和加荷点间距测量系统。点荷载试验的成果，用点荷载强度指数表示。强度指数I，是由试件破坏荷载P加荷点间距D直接算求得，不过不同的研究成果各有不同的表述和规定。我们采用最简单的形式Is＝P/D2，因为P和D的测定简单准确。非基准试件的强度指数称为原始强度指数，用Is表示，以MPa计；用基准试件测试的强度指数或原始强度指数经过尺寸效应修正和形状系数效应修正后的强度指数均称为基准强度指数，用Is（n）表示，以MPa计，其下标括号中的M为基准尺寸，n为基准尺寸，以mm计。Is（n）不仅容易通过试验和计算取得，而且与单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度参数c和ψ、弹性模量E，和软化系数K等常用的岩石力学指标密切相关，它也许会成为岩石力学的一个通用测度。点荷载试验的加荷方式与常规试验采用承压扳施加均布荷载的加荷方式不同，因而形成了自身的诸多特点：1.加荷锥对试件施加荷载时接触面积很小，从而使试件破坏总荷载比常规试验所需的小得多，这样就可以把仪器轻型化，便于携带到工地做试验。2.由于接触面积很小，试件不需要作专门的机械加工(切和磨等)，只留用地质锤等简单工具将工程钻探岩芯或取自露头的岩块进行粗略加工修整后便可作为试件使用，从而为在工地开展岩石力学强度测试工作开辟道路，大大降低试验成本，缩短试验周期。3.点荷载试验由于可用不规则块体作试件，从而解决了常规试验工作中难以按规程要求加工成标准试件的软弱岩石成产量风化岩石强度测定难题，填补这类岩石强度测试的空白。4.利用点荷载与常规岩石强度对比试验研究得出的相关关系，在工地做一组点荷载试验便能同时提供几种有关的岩石力学数据。由此看来，点荷载试验具有快速、简便、成本低并可弥补常规试验的不足等特点，这些特点也是它的优点。5试验设备1.点荷载试验仪：如下图所示，它包括：（1）加载系统，由摇式油泵、承压框架，球端圆锥状压板组成。油泵出力一般约为50kN；加载框架应有足够的刚度，要保证在最大破坏荷载反复作用下不产生永久性扭曲变形；球端圆锥状压板球面曲率半径为5mm，园锥的顶角为60°（见下图），采用坚硬材料制成。（2）油压表：量程约为10MPa，其测量精度应保证达到破坏荷载读数（P）的2%，整个荷载测量系统应能抵抗液压冲击和振动，不受反复加载的影响。（3）标距测量部分：采用0.2mm刻度钢尺或位移传感器，应保证试样加荷点间的测量精度达±0.2mm。2.卡尺或钢卷尺；3.地质锤。6试验步骤1.试样制备（1）试样分组：将肉眼可辨的、工程地质特征大致相同的岩石试样分为一组，如果岩石是各向异性的（如层理、片理明显的沉积岩和变质岩），还应再分为平行和垂直层理加荷的亚组，每组试样约须15块。（2）本试验可用岩芯样，规则或不规则岩块样，对不同形状试样的尺寸要求如下：岩芯径向试验，试样的径长比应大于1.0；轴向试验，试样的径长比应等于或小于1.0；不规则岩块样，其长（L）、宽（W）、高（h）应尽可能满足L≥W≥h，试样高度（h）一般控制在0.5～10cm间，使之能满足试验仪器加载系统对试样尺寸的要求，另外，试样加荷点附近的岩面要修平整。（3）根据试验要求对试样进行烘干或饱水处理。烘干试样：是在105～110℃温度下烘干12h；饱水试样，是先将试样逐步浸水，按试样高的1/4、1/2、3/4及4/4等份用6h将试样全部浸入水中（如试样高度很小，允许分1/2、1等份浸水），自由吸水48h，然后用煮沸法或真空抽气法饱和试样。2.描述试样描述内容：除岩性外，重点应对其结构构造特征（如颗粒粗细，排列以及节理、层理等发育特征）及风化程度等进行描述。3.试样尺寸粗测对岩芯样及规则样，分别量测各试样的长（L）、宽（W）、高（h）的尺寸；对不规则岩块样，可过试样中心点测量试样的长（L）、宽（W）、高（h）的尺寸。4.安装试样试样安装前，先检查试验仪器的上、下两个加荷锥头是否准确对中，然后将试样放置试验仪中，摇动手摇油泵升起下锥头，使加荷锥头与试样的最短边方向（即h方向）紧密接触，注意让接触点尽量与试样中心重合。若需要测定结构面（层理、片理、节理等）的强度，则应确保两加点的连线在同一结构中。5.加荷试样安装后，调整压力表指针到零点，以在10～60秒钟内能使试样破坏（相当于每秒0.05-0.1MPa）的加荷速度匀速加荷，直到试样破坏，记下破坏时的压力表读数（F）。6.描述试样破坏的特点正常的试样破坏面应同时通过上、下两个加荷点，如果破坏面只通过一个加荷点，便产生局部破坏，则该次试验无效，应舍弃，破坏面的描述还应包括破坏面的平直或弯曲等情况。7.破坏面尺寸测量试样破坏后，须对破坏面的尺寸进行测量，测量的尺寸包括上、下两加荷点间的距离（D）和垂直于加荷点连线的平均宽度（Wf），岩芯径向试验、岩芯轴向试验和不规则块体试验四种情况说明了D和Wf的测量方法，测量误差不超过±0.2mm。8.重复试验重复步骤3～7对其余试样进行试验。7试验数据的可能整理及分析计算及成果资料整理（1）按下式计算试样破坏荷载P=C·F式中：P―试样破坏时总荷载（N）；C―仪器标定系数（为千斤顶的活塞面积，mm2），一般在各仪器的说明书都有该仪器的标定系数供参考；F―试样破坏时的油压表读数（MPa）。（2）按下式计算试样的破坏面积和等效园直径的平方