巖石力學實習報告

試驗一 巖石點荷載強度試驗

一．試驗目的

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，破壞的機理是張破壞。用來測定巖石的抗拉強度，又根據巖石的抗拉強度與抗壓強度之間的內在聯系，由點荷載試驗結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生破壞iao，主要是由于加荷軸線上的拉應力引起的，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，其加荷軸附近的應力狀態基本相同，這為采用不同形狀的試件在點荷載作用下，其加荷軸附近的應力狀態基本相同，這為采用不同形狀及不規則試件進行點荷載試驗提供了理論依據。點荷載試驗得出的基本力學指標是點荷載強度指數，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，對點荷載強度會產生影響，因此試驗方法標準中規定以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；

M——修正指數，由同類巖石的經驗值確定，1985年國際巖石力學協會（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.試樣應取自于工程巖體，具有代表性。可利用鉆孔巖芯，或在基巖露頭、勘探抗槽探硐、巷道中采取巖塊。試件應完整，在取樣及制備過程中避免產生裂縫。

2.試件尺寸應符合以下規定：

（1）應采用巖芯試件作徑向試驗時，試件的長度與直徑之比不應小于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，試件長度應小于加荷兩點間距離。

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

（4）同組試驗的試件應保持基本相同的含水狀態及風化（新鮮）狀態，以免試驗數據出現較大的離散性。

（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：試驗記錄及數據整理樣表見附表1、附表2

試驗二 回彈儀測巖體抗壓強度

一．試驗目的

回彈儀是一種簡易輕便地質人員可隨身攜帶，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曲線和經驗公式，獲得巖石回彈值與貫入阻力、彈性模量等力學性質指標之間的相互關系及經驗數值，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量，利用巖體波速與回彈值進行最優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化為使巖石產生塑性變形的功，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. 回彈儀的標準狀態檢查

質量合格的回彈儀應符合下列標準狀態的要求：

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與其型號相符。

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

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

4) 當以上標準狀態檢查不具備條件時，在下列情況下，應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. 累計彈擊次數超過6000次；

d. 彈擊拉簧、拉簧座、彈擊桿、緩沖壓簧、中心導桿、導向法蘭、彈擊錘、指針軸、指針片、掛鉤及調零螺絲等主要零件之一經過更換后；

e. 彈擊拉簧前端不在拉簧座原孔位或調零螺絲松動；

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，其長度不應小于10cm。 室內經過加工試件的尺寸應為φ5×10cm；5×5×10cm，不宜小于相應尺寸。

2). 巖體測試點區

每一層位或相同巖性、同一巖體結構類型中所選取的測試點區數應不小于10個。 測試點區的巖體表面應盡可能清潔、平整和干燥。

測試點區的面積，以能容納16個回彈測點為宜。測點不宜重復，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、進行讀數并記錄回彈值，如條件不利于讀數，可按下按鈕，鎖住機心，將回彈儀移至它處讀數。

5. 換個測試位置，重復上述步驟即可進行下個測點的測試。

四．數據整理

1. 測點數及取舍計算方法

國內規程一般常采用的方法，舍去測點區內測得的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

10

i

10

式中：N為測試點區平均回彈值，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

根據每個測試點區的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，現對本次試驗中4個測點，64個回 彈值分析 ，分析結果見上表5-2。

注：試驗記錄及數據整理樣表見附表3

試驗三 巖體聲波探測-模擬圍巖松動圈測試

一．實驗目的

運用聲波探測技術探測由于應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。

二．試驗原理

巖體與其他介質一樣，當彈性波通過巖體時要發生幾何衰減和物理衰減。巖體中不同力學性質的結構面傳播聲波時要發生繞射、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特征有關，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力狀態之中，在重分布應力作用下其動彈性模量 、動泊松比 以及密度 值都發生變化。這些參數的改變導致巖體中縱波波速的變化。當圍巖中應力集中即應力較高時，其波速相對較大，而在應力松弛的低應力區中巖體的波速相對降低。根據這個原理，對硐室圍巖的松動圈進行聲波波速測試，然后結合圍巖的工程地質條件對測得的巖體波速進行分析，確定圍巖是否產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。孔間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量。測孔深度應根據硐室圍巖的巖性、完整程度、地應力大小、硐室斷面等因素而定，一般應穿過重分布應力區，深入到巖體的天然應力區內的一段距離。

2. 向測孔內注水，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. 開機并設定測試參數，根據硐室圍巖地質情況選擇發射脈寬及發射電壓，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. 先將發射及接收換能器插入測孔內并注入耦合水，進行“采樣”后，顯示屏出現波形，調整“采樣間隔”及“掃描延時”及“放大倍數”，使波形穩定。

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．試驗數據及處理

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結果見表5-2-1：

2.根據上表所計算得的波速，繪制縱波波速Vp與測點深度L的關系曲線（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力集中影響較小。故可將其視為在彈性范圍內沒有塑性松動區得巖體。S1和S3硐口縱波波速較小，塑區松動區，厚度為0.3m。隨深度增加波速不再有明顯增加，為天然應力區。

3.由芬納-塔羅勃公式計算圍巖塑性區厚度 ：Sp計算縱波波速，其中tp為縱波聲時。 試驗數據記錄及計算tp

(0ccot)(1sin)R1R0

Pccota

式中： R0 —硐室半徑，取值為1m； σ0—天然應力，取值為500KPa； φ —結構面內摩擦角，取值為25°；

1sin

2sin

c —結構面內聚力，取值為100kPa；

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

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果，最終給工程帶來損失；

2) 波形判讀時參數調整的影響：在巖體中測波速，波形比較復雜，有時候儀器自動判讀的數據并不準確，需人工根據波形情況進行調整，這時會產生由于參數的選取不同、首波波形判讀的不同而帶來的差別。

注：試驗記錄及數據整理樣表見附表4

試驗四 巖體聲波探測-模擬圍巖平探頭聲波測試

一．試驗目的

隧道及各類地下開挖工程（硐室）的圍巖由于巖石（巖性）、巖體結構特征、地質構造、地下水以及地應力作用、風化作用等地質條件上復雜變化，使得圍巖巖體的質量及工程地質性質各不相同，甚至差別懸殊，因而也使圍巖的穩定性存在差別。從工程設計及施工的需要出發，有必要對圍巖的質量及穩定性進行工程地質分類。這種圍巖分類是經濟有效地對圍巖進行支護襯砌設計的重要依據，也是指導施工，保障施工安全并順利進展的先決條件。 聲波測試的應用，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上的工程巖體分類更加科學合理，使工程建設科學決策、優化設計、安全施工、效益經濟。

二．試驗原理

聲波（彈性波）在巖體中傳播時，其速度、振幅頻率、波形等聲學特征對巖體的巖性、結構面發育程度、風化及應力情況有比較靈敏的反映。巖體愈堅硬、完整、新鮮、地應力越高，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指標是聲波波速，根據波速可以計算出一系列分類指標，如巖體的完整性系數Kv，動彈性模量巖體風華系數、巖石濕潤系數等。

三．試驗步驟

（一）.試驗準備

測試前根據巖性、節理裂隙發育情況、巖體結構及風化程度等地質情況，將巖體分成有代表性地段。然后根據典型的范圍，確定測點數量及間距。

(二). 開始試驗

1.對于較松散的巖體，應采用外觸發發射方式，而較完整、新鮮的巖體，可采用脈沖發射方式；

2. 采用脈沖發射方式時，對巖體的測試應選擇大功率、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，開機預熱；

4. 在“參數”菜單中將“模式”設定為“測砼強度”，輸入文件名和“收發間距”，然后返回主菜單；

5. 在“狀態”菜單中設定“系統參數”，將“屏幕參數”中“屏幕區數”設定為“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，根據屏幕上的波形，調整“采樣間隔”、“延遲時間”、“發射脈寬”以及“放大倍數”等參數，以求獲得理想的波形圖象。

8. 用尺子量取發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；

10. 在各典型地段采取完整巖石，測試其波速，以便計算各種參數。

四．資料整理

(1).按下列公式計算巖體縱波波速和橫波波速： Vp

SS

Vs

tstp

(2).按下列公式計算巖體的完整性系數：

Kv(VpmVpr2)

(3).下列公式計算巖體（巖石）的動泊松比和動彈性模量：



Vp2Vs

2

22

2(VpVs)

Ed



g

Vp

2

(1d)(12d)

1d

(4). 按照我國《工程巖體分級標準》（GB50218—94），按下式計算巖石的抗壓強度：

c22.82Is(50)0.75

(5). 按照我國《工程巖體分級標準》（GB50218—94），按下式計算巖石基本質量指標BQ：

BQ=90+3Rc+250Kv

式中：BQ—巖石基本質量指標

Rc—巖石單軸飽和抗壓強度（MPa） Kv—巖體完整性系數

注意：使用本公式時，應遵照下列條件：

1）當σcw＞90Kv＋30時，按σcw＝90Kv＋30進行計算；

2）當K＞0.04σ＋0. 4時，按K＝0.04σ＋0. 4進行計算。

vcw

注：試驗記錄及數據整理樣表見附表5

vcw

附表1

附表2

附表3

附表4

測孔編號：2~3

附表5

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