第二组岩体力学实习报告.docx

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第二组岩体力学实习报告

试验一岩石点荷载强度试验

一．试验目的

岩石的点荷载试验是将岩石块体置于一对点接触的加荷装置上，岩石破坏主要是呈劈裂破坏的性质，破坏的机理是张破坏。

用来测定岩石的抗拉强度，又根据岩石的抗拉强度与坑压强度之间的内在联系，由点荷载试验结果换算出岩石的抗压强度。

二．试验原理

试件在一对点荷载作用下发生破坏，主要是由于加荷轴线上的拉应力引起的，其破坏机制为张破裂。

试验表明，不同形状的试件在点荷载作用下，其加荷轴附近的应力状态基本相同，这为采用不同形状及不规则试件进行点荷载试验提供了理论依据。

点荷载试验得出的基本力学指标是点荷载强度指数，其计算公式为：

试验表明，同一种岩石当试件尺寸不同时，对点荷载强度会产生影响，因此试验方法标准中规定以D＝50mm时的点荷载强度为基准，当D值不等于50mm时，需对点荷载强度进行修正，其修正公式为：

式中：

F—尺寸修正系数；

M—修正指数，由同类岩石的经验值确定，1985年国际岩石力学协会（ISRM）建议m＝0.45，近似取m＝0.5。

由点荷载强度指数可进一步记算出岩石的单轴抗压强度及抗拉强度计算公式如下：

三．试验步骤

（一）试件制备

1.试样应取自于工程岩体，具有代表性。

可利用钻孔岩芯，或在基岩露头、勘探抗槽探硐、巷道中采取岩块。

试件应完整，在取样及制备过程中避免产生裂缝。

2.试件尺寸应符合以下规定：

（1）应采用岩芯试件作径向试验时，试件的长度与直径之比不应小于1.0；作轴向试验时，加荷两点距离与试件直径之比为0.3~1.0；

（2）当采用方块体或不规则块体试件时，加荷两点距离宜为30~50mm；加荷两点间距离与垂直于加荷轴向平均宽度之比为0.3~1.0，试件长度应小于加荷两点间距离。

（3）若采用岩芯试件，每组试验试件数量应为5~10个；采用不规则试件时，每组试件数量为15~20个。

（4）同组试验的试件应保持基本相同的含水状态及风化（新鲜）状态，以免试验数据出现较大的离散性。

（二）开始试验

（1）首先用游标卡尺测量试件的尺寸并记录；

（2）用高压油管连接点荷载仪框架、压力表、油缸与手动油泵；

（3）采用岩芯径向试验时，将岩芯试件放在球端圆锥之间，使上、下锥头与试件直径两端紧密接触，接触点距试件端面的最小距离应不小于加荷点间距1/2。

岩芯轴向试验时，将岩芯试件放在球端圆锥之间，使上、下锥头位于岩芯试件的圆心工与试件紧密接触。

采用方块体或不规则岩块试验时。

一般选择试件最小尺寸方向为加荷方向。

半试件放入球端圆锥之间，使上、下锥头位于试件中心并与试件紧密接触，接触点距试件自由端的距离应不小于加荷点之间距的1/2。

（4）用手动油泵均匀施加荷载，使试件在10！

60秒内破坏，记录破坏荷载。

（5）试件破坏后，确认试验是否有效，对于有效试件量测破坏面加荷点距及垂直加工荷轴向的试件平均宽度。

四．试验资料整理

1.按下式计算岩石点荷载强度指数（未修订）。

式中：

Is—未经修订的岩石点荷载强度指数（MPa）；P—破坏荷载（N）；De—等价岩芯直径（mm）。

2.径向试验时，应按下列公式计算等价岩芯直径De。

或者

式中：

D—加荷点间距离（mm）；

D’—上下锥端发生贯入情况下，试件破坏后的加荷点间距离（mm）。

3.岩芯轴向及方块体或不规则块体试验时，按下公式计算等效岩芯直径De。

4.按下式计算点荷载强度指数。

式中：

F—修正系数，可近似按公式计算。

5.确定岩石的单轴抗压强度和抗拉强度我国《工程岩体分级标准》（GB50218—94）中给出的岩石单轴饱和抗压强度和抗拉强度与点荷载强度指数的换算关系式为：

ISRM1985给出的建议式为：

理论上去掉三个最大值三个最小值，取十组数据的平均值作为所求强度值，本次数据处理中由于同种岩性的岩石样品不足，故将表格中灰色部分明显偏离的数据去掉，取十组数据计算平均值。

试验中共测16种岩性岩石的点荷载试验。

根据表中数据，去掉最大值最小值，分别求得10种岩性岩石的平局单轴抗压强度和抗拉强度。

最后结果：

平均抗压强度42.76Mpa

平均抗拉强度4.97Mpa

注：

试验记录及数据整理样表见附表1。

试验二回弹仪测岩体抗压强度

一．试验目的

回弹仪是一种简易轻便地质人员可随身携带，并能取得定量指标的“代锤工具”。

这种仪器可以对软弱、不易取样的岩石及风化的裂隙壁面进行原位测试，取得定量指标。

建立岩石表面回弹值与岩石单轴抗压强度之间的相关曲线和经验公式，获得岩石回弹值与贯入阻力、弹性模量等力学性质指标之间的相互关系及经验数值，还可利用回弹值和岩体地震波速、半波长相配合来评价岩体质量，利用岩体波速与回弹值进行最优地确定地下工程的开挖方式和支护类型。

二．试验原理

通过回弹仪的加荷杆冲击岩石表面，其冲击能量的一部分转化为使岩石产生塑性变形的功，而另一部分能量则是冲击杆的回弹距离——回弹值。

岩石的表面硬度不同，其回弹值亦不同，回弹值越大表明岩石表面硬度越大，其抗塑性变形能力也越强，利用岩石的硬度与其单轴抗压强度的关系，确定岩石的抗压强度。

三．实验步骤

（一）试验前准备

1.回弹仪的标准状态检查

质量合格的回弹仪应符合下列标准状态的要求：

1）当回弹仪水平弹击时，弹击锤脱钩的瞬间、回弹仪的标称动能应与其型号相符。

2）弹击锤与弹击杆碰撞的瞬间，弹击拉簧应处于自由状态，此时弹击锤起跳点应相应于刻度尺上的“0”处。

3）在洛氏硬度HRC为60±2的钢砧上，回弹仪的率定值[N]应为80±2。

4）当以上标准状态检查不具备条件时，在下列情况下，应把回弹仪送检定单位校验：

a.新回弹仪启用前；

b.超过检定有效期限（有效期为一年）；

c.累计弹击次数超过6000次；

d.弹击拉簧、拉簧座、弹击杆、缓冲压簧、中心导杆、导向法兰、弹击锤、指针轴、指针片、挂钩及调零螺丝等主要零件之一经过更换后；

e.弹击拉簧前端不在拉簧座原孔位或调零螺丝松动；

f.遭受严重撞击或其它损坏。

2.测试试件和测试点区的选择

1）.测试试件

岩块尺寸要求：

在锤击方向上岩块的厚度应大于10cm，锤击面积大于20×20cm2。

岩心的尺寸要求：

长度和直径的比为2:

1或2.5:

1，其长度不应小于10cm。

室内经过加工试件的尺寸应为φ5×10cm；5×5×10cm，不宜小于相应尺寸。

2）.岩体测试点区

每一层位或相同岩性、同一岩体结构类型中所选取的测试点区数应不小于10个。

测试点区的岩体表面应尽可能清洁、平整和干燥。

测试点区的面积，以能容纳16个回弹测点为宜。

测点不宜重复，测点距试体棱角边缘不宜小于3cm。

（二）开始试验

1.在做好以上试验前的准备工作以后，即可操作回弹仪按以下步骤进行试验。

2.将回弹仪的弹击杆顶住试体表面，轻压仪器，使按钮松开，弹击杆缓缓缓缓伸出，并使挂钩挂上弹击重锤。

3.手握回弹仪使其对测面缓慢均匀施压，待弹击锤脱钩冲击弹击杆后，弹击锤即带动指针向后移动，直至到达一定位置时，即在刻度尺上指示出某一回弹值。

4.按住回弹仪、进行读数并记录回弹值，如条件不利于读数，可按下按钮，锁住机心，将回弹仪移至它处读数。

5.换个测试位置，重复上述步骤即可进行下个测点的测试。

四．数据整理

1.测点数及取舍计算方法

国内规程一般常采用的方法，舍去测点区内测得的16个回弹值中的3个最大值和3个最小值，然后将余下的10个回弹值按下列公式计算出平均回弹值：

式中：

N为测试点区平均回弹值，计算至0.1；

Ni为第i个测点的回弹值。

2.确定岩石的单轴抗压强度

根据每个测试点区的N值和岩石的容重值，查表得岩石的单轴抗压强度。

结果统计表格见样表。

3..试验结果分析

1.回弹试验结果具有一定的随机性，故需多次试验取平均值，以尽可能地消除误差，

2.产生误差的原因

1）同一测点岩石的不均匀性，使测试结果具有一定的随机性；

2）测量时回弹仪不水平，而计算时按水平计算；

3）试验时人为操作的原因，如加压速率等因素的影响；

注：

试验记录及数据整理样表见附表2

试验三岩体声波探测-模拟围岩松动圈测试

一．实验目的

应用声波探测技术探测由于应力重分布而引进的围岩松动圈的范围，为硐室支护提供重要依据。

二．试验原理

岩体与其他介质一样，当弹性波通过岩体时要发生几何衰减和物理衰减。

岩体中不同力学性质的结构面传播声波时要发生绕射、折射和热损耗，使弹性波能量不断得到衰减而造成波速降低。

弹性波的速度和岩体的声学特征有关，它取决于岩石或岩体的动弹性模量、泊松比及密度。

岩体中纵波波速可表示为：

硐室围岩处在重分布应力状态之中，在重分布应力作用下其动弹性模量、动泊松比以及密度值都发生变化。

这些参数的改变导致岩体中纵波波速的变化。

当围岩中应力集中即应力较高时，其波速相对较大，而在应力松弛的低应力区中岩体的波速相对降低。

根据这个原理，对硐室围岩的松动圈进行声波波速测试，然后结合围岩的工程地质条件对测得的岩体波速进行分析，确定围岩是否产生松动及松动圈的范围。

三.试验步骤

（一）试验准备

1.首先选择有代表性的围岩硐段，在硐的横剖面方向各打一组φ40mm钻孔，分布在边墙，顶拱和拱角等部位。

每个测点可打2—3个测孔。

孔间距离视岩体完整情况而定，完整岩石可相距1—2m，破碎岩本可0.5—1.0m。

每个测量剖面一般可打10—15个测孔，当跨度较大可适当增加孔数量。

测孔深度应根据硐室围岩的岩性、完整程度、地应力大小、硐室断面等因素而定，一般应穿过重分布应力区，深入到岩体的天然应力区内的一段距离。

2.向测孔内注水，注满测孔为止。

（二）开始试验

1.将声波仪与换能器实行正确连接，若发射和接收换能器有标记时，不可互用。

2.正确接通电源，若用外接电源，注意一定不能正、负极接反，否则会烧坏仪器。

3.开机并设定测试参数，根据硐室围岩地质情况选择发射脉宽及发射电压，围岩较完整时可选择较小脉宽及低电压，否则选用大脉宽及高电压。

4.先将发射及接收换能器插入测孔内并注入耦合水，进行“采样”后，显示屏出现波形，调整“采样间隔”及“扫描延时”及“放大倍数”，使波形稳定。

5.将换能器从测孔中拔出，测孔中重新注水，然后从孔口向里每隔20cm进尺，测读声时。

测试过程中，应始终保持测孔中注满水，因为水是控头与孔壁岩体间的耦合剂。

6.待整个测孔测试完毕后，不拔出测杆和探头，用软盘沿测杆测量孔的产状，即测孔的方位角和倾角，记下两测孔之间的方位角差（α）和倾角差（γ）及孔口距离（s）。

7.测试结束后，拔出探头及测杆，按上述步骤，测试不同方向分布的其它测孔。

四．试验数据及处理

本次试验选择测点一个，共三个测孔，

1.按以下修正公式对孔距进行修正：

式中：

S为修正测距；S′为孔口距离；L为测试深度。

2.由式：

计算纵波波速，其中tp为纵波声时。

试验数据记录及计算结果参见样表示例

3.根据上表所计算得的波速，绘制纵波波速vp与测点深度L的关系曲线。

根据曲线，可作波速变化分析，进而确定松动圈厚度，参考表述如下：

分析图中曲线可知：

硐口纵波波速较大，为应力集中区，厚度为xxxm。

进入一段距离波速下降，为塑性松动带，此区厚度为xxxm；再深入时，波速稳定，为天然应力带，厚度为xxxm；以后波速下降，是由于岩体中裂隙发育的缘故。

4.由芬纳-塔罗勃公式计算围岩塑性区厚度：

式中：

Ro—硐室半径；—天然应力；—结构面内摩擦角；c—结构面内聚力；

Pa—硐室支护反力。

代入数值得：

R1为xxxm。

5.影响试验结果精度的因素：

1）试验点需选取具有代表性的试点，尽可能地反映硐室围岩的特征，如不能选取具有代表性的试点，则不能得到与实际情形想近的试验结果，最终给工程带来损失；

2）波形判读时参数调整的影响：

在岩体中测波速，波形比较复杂，有时候仪器自动判读的数据并不准确，需人工根据波形情况进行调整，这时会产生由于参数的选取不同、首波波形判读的不同而带来的差别。

注：

试验记录及数据整理样表见附表3、附表4

试验四岩体声波探测-模拟围岩平探头声波测试

一．试验目的

隧道及各类地下开挖工程（硐室）的围岩由于岩石（岩性）、岩体结构特征、地质构造、地下水以及地应力作用、风化作用等地质条件上复杂变化，使得围岩岩体的质量及工程地质性质各不相同，甚至差别悬殊，因而也使围岩的稳定性存在差别。

从工程设计及施工的需要出发，有必要对围岩的质量及稳定性进行工程地质分类。

这种围岩分类是经济有效地对围岩进行支护衬砌设计的重要依据，也是指导施工，保障施工安全并顺利进展的先决条件。

声波测试的应用，使得围岩分类由依赖于定性走向定量化，建立在系列化量化指标基础上的工程岩体分类更加科学合理，使工程建设科学决策、优化设计、安全施工、效益经济。

二．试验原理

通过回弹仪的加荷杆冲击岩石表面，其冲击能量的一部分转化为使岩石产生塑性变形的功，而另一部分能量则是冲击杆的回弹距离——回弹值。

三．试验步骤

（一）.试验准备

测试前根据岩性、节理裂隙发育情况、岩体结构及风化程度等地质情况，将岩体分成有代表性地段。

然后根据典型的范围，确定测点数量及间距。

（二）.开始试验

1.对于较松散的岩体，应采用外触发发射方式，而较完整、新鲜的岩体，可采用脉冲发射方式；

2.采用脉冲发射方式时，对岩体的测试应选择大功率、低频率的换能器，而测试岩石时要选择小功率、高频率的换能器；

3.将声波仪与换能器实行正确连接，开机预热；

4.在“参数”菜单中将“模式”设定为“测砼强度”，输入文件名和“收发间距”，然后返回主菜单；

5.在“状态”菜单中设定“系统参数”，将“屏幕参数”中“屏幕区数”设定为“1”，然后返回主菜单；

6.将黄油作为耦合剂涂抹在换能器前表面上，然后将换能器与岩体表面紧密接触；两个换能器之间的距离：

测试岩体波速时大于20cm；测试岩块波速时小于10cm，遇到裂隙密集和软弱岩体时其间距可近些；

7.点击“采样”功能键，即可进行测试，根据屏幕上的波形，调整“采样间隔”、“延迟时间”、“发射脉宽”以及“放大倍数”等参数，以求获得理想的波形图象。

8.用尺子量取发射与接收换能器之间的距离，输入声波仪，计算出波速；

9.按上述步骤7—9逐点进行测量，并做测试记录；

10.在各典型地段采取完整岩石，测试其波速，以便计算各种参数。

试验记录表如下表7-1;

（1）.按下列公式计算岩体纵波波速和横波波速：

（2）.按下列公式计算岩体的完整性系数：

（3）.下列公式计算岩体（岩石）的动泊松比和动弹性模量：

（4）.按照我国《工程岩体分级标准》（GB50218—94），按下式计算岩石的抗压强度：

（5）.按照我国《工程岩体分级标准》（GB50218—94），按下式计算岩石基本质量指标BQ：

BQ=90+3

+250

式中：

BQ—岩石基本质量指标

—岩石单轴饱和抗压强度（MPa）

—岩体完整性系数

注意：

使用本公式时，应遵照下列条件：

1）当σcw＞90Kv＋30时，按σcw＝90Kv＋30进行计算；

2）当Kv＞0.04σcw＋0.4时，按Kv＝0.04σcw＋0.4进行计算。

四．资料整理

试验记录表如附表;

（1）.按下列公式计算岩体纵波波速和横波波速：

（2）.按下列公式计算岩体的完整性系数：

（3）.下列公式计算岩体（岩石）的动泊松比和动弹性模量：

（4）.按照我国《工程岩体分级标准》（GB50218—94），按下式计算岩石的抗压强度：

（5）.按照我国《工程岩体分级标准》（GB50218—94），按下式计算岩石基本质量指标BQ：

式中：

BQ—岩石基本质量指标

Rc—岩石单轴饱和抗压强度（MPa）

Kv—岩体完整性系数注意：

使用本公式时，应遵照下列条件：

1）当时，按进行计算；

2）当时，按进行计算。

注：

试验记录及数据整理样表见附表5

附表1

点荷载试验记录表1

试样编组：

第四组

岩石名称：

花岗岩

试样形状：

方块不规则　

试验日期：

2014.07.08　

试件编号

加荷方向

试件尺寸

加荷点间距离De

荷载值P（KN）

点荷载强度指数

岩石单轴抗压强度（Mpa）

岩石单轴抗拉强度（Mpa）

描述

Is（50）

（mm）

（Mpa）

竖向垂直

44.31

5.20

2.65

2.49

45.28

5.36

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

38.66

4.10

2.74

2.41

44.17

5.19

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

41.47

4.00

2.33

2.12

40.07

4.55

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

50.41

6.90

2.72

2.73

48.42

5.86

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

65.27

7.70

1.81

2.07

39.31

4.44

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

49.76

5.80

2.34

43.13

5.02

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

59.35

7.40

2.10

2.29

42.47

4.92

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

57.11

7.10

2.18

2.33

42.99

5.00

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

68.98

8.60

1.81

2.12

40.14

4.56

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

59.85

7.20

2.01

2.20

41.21

4.73

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

39.50

4.20

2.69

2.39

43.90

5.14

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

49.69

7.30

2.96

2.95

51.34

6.34

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

45.48

5.00

2.42

2.31

42.69

4.96

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

38.77

3.80

2.53

2.23

41.59

4.79

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

52.95

7.20

2.57

2.64

47.30

5.68

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

竖向垂直

55.29

6.10

2.00

2.10

39.78

4.51

方形不规则灰白色花岗岩块，完整新鲜，试验有效

附表2

回弹试验记录表

测点位置

测点编号

回弹值（N）1

回弹平均值

（N）

delt-NA

修正后回弹值

（N）

岩石平均容重

（g/cm3）

单轴抗压强度

Rc（Mpa）

　71.6

　2.7

　71.3

　2.7

　68.9

　2.7

　62.5

　2.7

附表3

声波测试试验记录表

测孔编号：

测孔深度（cm）

2.20

2.00

1.80

1.60

1.40

1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

实际测距（cm）

40.00

纵波走时t（微秒）

116.80

106.40

115.20

183.60

129.60

138.80

207.20

189.60

128.40

119.20

纵波波速Vp（km/s）

3.43

3.76

3.47

2.18

3.09

2.88

1.93

2.11

3.12

3.36

EF（cm）

DE（cm）

S（cm）

alfa（rad）

gama（rad）

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