岩石试验的基本知识及操作流程

岩石试验的基本知识及操作流程 一 岩石的定义 应用及特点二 岩石试验项目三 试验前的准备四 试验的操作五 试验认识的误区 岩石试验的基本知识及操作流程 一 岩石的定义 应用及特点 1 岩石的定义岩石是在各种地质作用下 按一定方式结合而成的矿物集合体 它是构成地壳和地幔的主要物质2 岩石的应用及特点道路及桥涵工程使用的块状石料 一种是由天然岩石经开采加工而成的 另一种是由天然的卵石 漂石 巨石加工而成的 主要用于浆砌工程 是一种地方性材料 便于就地取材 节约成本 二 岩石试验项目 1 岩石试验 测试岩石物理力学性质的试验 2 分类 室内试验和现场原位测试两种 室内试验的主要项目 含水率 颗粒密度和块体密度试验 吸水性 饱和吸水性 变形试验 单轴抗压试验 点荷载试验 抗剪强度试验 包括直剪试验 三轴试验 膨胀性试验及抗拉试验 原位测试的主要项目 岩体现场变形试验 直剪试验 三轴试验 岩体应力测试等 这里我们重点介绍室内试验 试验所依据的标准 铁路工程岩石试验规程 TB10115 2014 三 试验前的准备 1 岩样规格与数量满足表3 0 5规定 三 试验前的准备 1 岩样规格与数量续表表3 0 5 三 试验前的准备 2 包装运输 1 岩石1 样品按照试验项目采取具有代表性的岩芯或岩块 3 样品送样时应按钻孔分开 以便及时核对数量 如样品不多 也可按工点送样 4 运输样品时应有专门的运输箱密封 防止岩石震动 晃动 搬运和装卸时尽量轻拿轻放 以免样品损坏 四 试验的操作 四 试验的操作 1 含水率 1 试验目的 测定岩石在天然状态下的含水率 间接反映岩石中空隙的多少 岩石的致密程度等特性 2 检测方法 烘干法 称试件烘干前质量 然后放入烘箱内 在105 110 的温度下烘24h 对于易逸出结晶水矿物的岩石烘干温度控制在40 5 下烘24h 然后将试件从烘箱中取出 放在干燥器中冷却至室温 称烘干后试件质量 2 颗粒密度采用量瓶法 四 试验的操作 2 块体密度 1 试验目的 测定岩石的块体密度 2 检测方法及适用范围 a 量积法 适用于能制成规则试件的各类岩石 b 水中称量法 测定除遇水崩解 溶解和干缩湿涨以外的各类岩石 四 试验的操作 3 颗粒密度 比重 1 检测目的 测定土的颗粒密度 用于计算土的孔隙比 孔隙度 饱和度等指标 土体内固体颗粒质量与颗粒体积之比值 即为颗粒密度 2 检测方法及适用范围 a 比重瓶法 粒径小于5mm的土 b 浮称法 粒径大于 等于5mm的土 且其中大于20mm的颗粒含量应小于总土质量的10 c 虹吸法 粒径大于 等于5mm的土 且其中大于20mm的颗粒含量应大于总土质量的10 颗粒密度一般可采用经验值 四 试验的操作 5 界限含水量 1 概述a 液限 土从塑态向流态过渡的界限含水量 或土处于可塑状态的上限含水量 以 表示 b 塑限 土从半固态向塑态过渡的界限含水量 或土处于可塑状态的下限含水量 以 表示c 塑性指数 Ip WL WP 粘性土处于可塑状态时的含水量变化范围 Ip越大 可塑性越高 大压缩性土 d 液性指数 IL 土的相对稠度 即土的天然含水量与界限含水量的关系 IL W WP WL WP e 缩限 当土达到塑限后继续变干 土的体积随之减小 当收缩达到某一含水量后土的体积不再收缩 此时的含水量为缩限 2 试验的目的 根据WL WP计算Ip IL 为土的分类 工程设计 施工提供依据 3 适用范围 粒径 0 5mm 有机质 5 4 检测方法 液限 联合测定法 碟式仪法塑限 联合测定法 搓条法 5 联合测定法仪器设备 试锥76g 锥角30 四 试验的操作 6 相对密度 1 概念 相对密度即无黏性土处于最松散状态孔隙比与天然状态 或给定 孔隙比之差和最松散状态孔隙比与最紧密状态孔隙比之差的比值 2 试验目的 测定相对密度 用以判定砂类土或碎石类土的密实状态 从而确定其工程特性 为设计和施工提供依据 3 适用范围 砂的相对密度试验适用于颗粒粒径小于5mm 且粒径2 5mm的试样质量不大于试样总质量的15 及粒径小于0 075mm的颗粒质量不大于总土质量的12 砾和碎石类土的相对密度试验适用于最大粒径为60mm 且粗颗粒中小于0 075mm的颗粒含量不得大于12 4 注意事项 a 相对密度Dr的变化范围在0 1之间 相对密度越大 越密实 b 砂类土尤其是碎石类土的颗粒级配不稳定 其最大最小干密度也变化很大 在实际应用中应密切关注其变化 四 试验的操作 7 渗透试验 1 试验目的 用于测定土的渗透系数k 2 本试验根据不同土类 才用下列方法 1 常水头法 适用于砂土及含少量砾石的无黏聚性土 2 变水头法 适用于粉土和黏性土 3 本试验用水应才用纯水或洁净的天然水 试验前应用抽气法或煮沸法进行脱气 避免水中溶解的空气影响土的渗透系数 4 试验操作1 制样 先在环刀内壁涂抹凡士林 制取试样时均匀 平稳下压 防止土样开裂及土样与环刀接触部位出现缝隙 并且边下压边用钢丝锯消除环刀外多余的土样 2 安装试样 在试样容器内壁涂抹凡士林 试样装好后 从排气口排出容器中的空气 3 试验 试验过程总结为三个时间段的三个落差 4 计算 四 试验的操作 8 天然坡角试验 1 试验目的 用于测定砂类土在充分风干状态和水下状态的天然坡角 2 试验采用圆盘提升法 适用于最大粒径小于5mm的无黏性砂类土 3 仪器设备 a 天然坡度仪 圆盘直径100mm 适用于粒径小于2mm的砂类土 圆盘直径200mm 适用于粒径小于5mm的砂类土 b其他 勺 水槽等 4 试验操作 a 取代表性的充分风干试样若干 或烘干试样 转动制动器 使圆盘落入底盘中 用勺沿铁杆四周倾倒试验 勺离试验表面高度始终保持在10mm左右 直至圆盘边缘蓄满 b 提起圆盘 读取铁杆上的刻度 为干燥休止角 c 将盛满试样的圆盘缓缓沉入水槽中 当椎体全部侵入水中后 停止下沉 待试样充分饱和 直至无气泡上升 d 缓缓转到制动器 将圆盘提出水面 读取铁杆上的刻度 为水下休止角 四 试验的操作 9 标准吸湿含水率 1 试验目的与适用范围 本试验适用于在温度20 C 2 C 相对湿度为60 5 标准条件下 进行土样标准吸湿含水率的测定 同时也可以间接确定土样或水泥等细粒材料的比表面积等性质 2 仪器设备 a 烘箱 105 110 C b 天平 精度0 001gc 称量盒 采用铝盒 直径不大于6cm 高度不大于1 5cm d 试验装置 装有干燥剂的干燥缸 装有饱和溴化钠溶液的密闭容器 或恒温恒湿箱等 3 试验操作a 将洁净的铝盒置于105 110 C的恒温下烘3 4h 取出在干燥箱内冷却至室温 称量 反复操作 直至恒重 前后两次质量相差不大于0 001g 记下铝盒质量 b 取代表性天然土样约4g 削成薄片状 置于已知质量 m 的铝盒中 将土样平铺盒底 盖紧盒盖称量盒与湿土总质量 m1 c 将试样放置在装有饱和溴化钠溶液容器内的多孔板上 d 每天取出土样称重 记下盒与湿土总质量 直至恒重 记下盒与恒定湿土总质量 m2 准确至0 001g e 将恒定质量的土样放入烘箱 烘干8h 取出改好盒盖 放入干燥箱冷却至室温 立即称量 如此反复操作 直至恒重 记下质量 m3 准确至0 001g 4 计算标准吸湿含水率wa m2 m3 m3 m0 100 四 试验的操作 10 固结 压缩 1 固结试验需提供每级压力下的孔隙比 压缩系数 压缩模量 和e p曲线 2 固结试验适用于饱和黏性土 当只进行压缩试验时 允许用于非饱和土 固结试验加压等级一般为50 100 200 300 400kPa 有特殊要求时 按地质专业技术人员要求进行 稳定标准为固结24h或每小时试样变形量不大于0 005mm 标准固结 另需提供固结系数 渗透系数 估算 3 对渗透性较大的非饱和土 主要为求压缩系数和压缩模量时 压缩试验可采用1h快速试验方法 400kPa以内的固结加压等级为50 100 200 300 400 400kPa以上固结加压等级为50 100 200 400 600 800 1200 1600kPa 4 高压固结试验的加压等级为12 5 25 50 100 200 400 800 1600 3200kPa 报告中需额外提供压缩指数 前期固结压力和e log p 曲线 5 回弹试验应由地质技术人员确定回弹压力 地质技术人员未确定回弹压力时 回弹压力不应大于前期固结压力且不宜大于400kPa 6 饱和试样或工程上要求浸水的试样 在施加第一级压力后 应立即向容器内注水 使试样在水下进行试验 非饱和试样 应用湿棉纱围住加压盖板四周 防止试验过程中水分的蒸发 7 固结仪应进行仪器变形校正 某级压力下土的变形量等于该压力下总的变形量减去该压力下仪器变形量的差 四 试验的操作 11直接剪切试验 1 直剪试验应取4个环刀试样 对剪切点离散的尚应增加试样个数 以保证抗剪强度与垂直压力关系曲线呈线性 各实测点与直线上对应点的抗剪强度之差不超过直线上对应点抗剪强度的 5 2 直剪试验最大加压应根据土的软硬状态确定 一般加压等级为50 100 150 200kPa或50 100 200 300kPa 对于软土 应减小压力 最小压力宜为25kPa 避免试样挤出 对于硬土 当取样深度大于20m时 加压等级为100 200 300 400kPa 3 剪切速率快剪应在0 8 1 2mm min 慢剪应为0 002mm min 4 固结快剪试验应使试样固结稳定后再进行剪切试验 固结稳定标准为每小时变形量 黏性土不大于0 005mm 粉土和砂类土不大于0 01mm 5 剪切试验记录应能够反映试验过程中抗剪强度值的变化情况 能够确定峰值点或稳定值 不能仅仅记录一个峰值数据 对无明显峰值的试样 应剪切至位移量达6mm为止 并取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度 四 试验的操作 12三轴试验必须制备4个以上性质相同的试样 在不同围压下进行试验 围压大小要与工程的实际荷载相适应 尽可能使最大周围压力与土体最大实际荷载大致相等 一般要求2个样品的围压必须大于自重 固结样品的围压必须有2级大于土体自重压力 最后二级压力要分别大于自重压力50 150kPa 软弱土可采用50 100 150 200kPa 围压以不破坏土体为原则 不固结不排水 UU 试验 天然状态下的直接装样进行试验 需要抽气饱和的样品按要求抽气饱和 再以0 5 0 8 min的剪切速率进行试验 施加的围压必须有2级大于自重压力且要求土体必须剪损 试验结束后 将原始数据从采集器保存到计算机 采用数据处理软件 以主应力差的峰值作为破坏点 无峰值时以15 轴向应变所对应的主应力差作为破坏点绘制破损应力圆 求取Cuu uu 固结不排水 CU 试验 天然状态下的直接进行固结 需要抽气饱和的样品先按要求抽气饱和 再对样品进行固结 固结压力与试验采用的围压相同 固结 固结度大于95 完成后 黏性土以0 05 min的剪切速率进行试验 粉土以0 8 min的剪切速率进行试验 施加的围压大于土体自重的剪切数据不少于2个且要求必须剪损 试验结束后通过处理软件 以主应力差的峰值作为破坏点 无峰值时以15 轴向应变所对应的主应力差作为破坏点绘制破损应力圆 求取总应力强度指标Ccu cu 同时对孔隙水压力量测 以破坏时的有效应力绘制有效破损应力圆 求取有效应力强度指标C 有效应力路径确定强度参数按下列步骤进行 先绘制有效应力路径曲线 以曲线上密集点或转折点作为破坏点 将破坏点连成一条直线 通过直线斜率与截距反算出有效强度指标C 五 试验认识的误区 1 固结和压缩两个概念混淆 固结是一般是饱和样 压缩一般针对非饱和样 固结 指的是在荷载或其他因素作用下 土体孔隙中水分逐渐排出 体积压缩 密度增大 有效应力增大的现象 现在大部分试验模型均建立在饱和土试验模型上 非饱和土理论研究规律性不强 固结试验可求固结系数 前期固结压力 压缩指数 再压缩指数 回弹指数 可推算渗透系数 压缩试验只可求压缩系数和压缩模量 试验方法不同 主要目的也不同 试验时间相差很大 五 试验认识的误区 2 颗粒分析及级配情况的误区颗粒分析分为筛分和细颗分 比重计颗分 分