技术改进-点荷载试验研究ppt课件

.,1,点荷载试验研究,勘察事业部：胡兵2013年10月15日,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,2,提纲：,提纲,1.点荷载试验研究的意义2.点荷载试验的研究现状3.点荷载试验的操作规程及分析4.工作成果汇总5.总结6.参考文献,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,3,研究意义,1,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,4,4,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12，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。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,5,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。因此，对点荷载试验的研究具有深远的意义。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,研究现状,2,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,7,7,关于点荷载试验研究，国内外学者做了大量的工作。前苏联的普罗托基耶卡诺夫(Protodyakanov)、英国的霍布斯(Hobbs)和法兰克林(Franklin)等做的“间接拉伸试验3”等都是点荷载试验的早期成果。勃罗契(Broch)和法兰克林(Franklin)第一次将点荷载试验作为岩石强度指标试验描述成现在的形式4。由于点荷载试验中试件的应力状态比较复杂，上世纪七十年代以来欧美各国又开始对点荷载试验的多方面应用和研究，其中包括根据点荷载指数确定岩石的抗压强度，从而作为岩石强度分类的标准和估算岩石的三轴强度；点荷载指数作为划分基岩风化带的标志；根据点荷载指数研究岩石强度的各向异性以及岩石抗爆破和抗冲击破碎的能力。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,8,目前，国内对点荷载试验的研究仅限于应用层次5-7，仅有少数学者8使用数学方法在点荷载应力分布的解析解方面进行了较为深入的研究。对其原理的研究基本是空白，国内外在岩石点荷载试验理论上的研究水平差距甚大。在点荷载试验与单轴压缩试验的比较方面，是我们较为关心的问题。BrochE.9试验结果表明其分散度较单轴试验结果分散度低，但Bieniawskiz.T.10得出了不同的研究结果，尽管如此，对于实际工程目的(平均来说，大概有15%的标准差)，由点荷载得到的结果是可以接受的。尽管点荷载试验所得到的数值分散，一般高于常规方法，不过试验证明，这一方面可以用增加试件数量来取得数学统计值的方法提高精度;另一方面即使精度比常规方法要低，但从工程使用角度来看，还是能基本满足要求的。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,9,9,KahramanS.11详细论述了点荷载指数与单轴压缩强度之间的关系，并进行了大量试验，得出单轴压缩强度大约为20-25倍点荷载指数，但范围覆盖从4-50之间，呈正态分布。点荷载试验的目的就是要满足工程实践对岩石参数的需求。比如岩石的抗压，抗拉强度，根据岩块的性质来推断岩体质量级别以及强度，而真实的岩块是赋存于岩体这个复杂地质体中的，是个三向受力状态的问题，点荷载是三维实体在一个方向受力破坏的特例。点荷载试验是建立在格里菲斯脆性材料强度理论12基础上的，而岩石还是有部分有塑性材料的性质，与脆性材料13还是有很大区别的。因为目前没有一个能够符合大部分岩体的强度准则，因此，在此不做深入讨论。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,10,10,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,在点荷载试验中，点荷载指数代表物理意义不明确。首先，点荷载指数是具有应力量纲的，学术界对它的物理意义还没有明确的定论。有人认为14点荷载指数则是建立在某种破坏准则下，抗拉、抗压强度与试件内最危险点应力的关系。应力的分布是与试样的形状、压力的分布、大小、试件的泊松比有关的一个函数。在压力大小，分布，材料泊松比已知的情况下，只与试样的形状有关，点荷载指数反映的是试件最危险点的应力。笔者认为，这种说法还是比较贴切的。,.,11,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,3,操作规程及分析,.,12,12,1点荷载试验的应用范围1.1、点荷载强度试验是作为岩石材料的强度分类的一种指标试验。该试验也可用于预估与之相关的其它强度参数，例如单轴抗拉和抗压强度。1.2、本试验是测量岩石试件的点荷载强度指数(IS50)及其强度各向异性指数(Ia50)，后者是点荷载强度在各方向所得的最大和最小值之比。1.3、不论岩石试件的形状是岩芯(径向和轴向试验)、还是切割的块体(规则岩块试验)，或不规则块体(不规则块体试验),都是在一对球端团锥形压板施加集中荷载的作用下破碎的，试件只需稍加制备或不加工。1.4、试验可用携带式的仪器或利用实验室的试验机来实现，因而在现场还是在实验室均可进行。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,13,2试验仪器本次研究性试验采用北京中科东晨科技有限公司生产的SD-1型携带式数码点荷载仪，在试验过程中，上下压板保持在同一轴线上，偏差不超过0.2mm，最大工作压力30MPa，精度0.3，整个荷载测量系统能抵抗液压冲击和振动，不受反复加载影响。能采集记录瞬间压力，数码显示岩石的瞬间点荷载，规避了在岩石点荷载试验中由机械压力表固有的线性误差及人眼视觉误差所造成的采样误差，特别是解决了瞬间破坏人眼反应节奏时差问题，实现了试验采样的实时性和准确性。仪器的主要参数如下：(1)油缸最大工作压力：40MPa；(2)活塞直径：45mm；(3)活塞面积：15.9cm2；(4)试验尺寸：最大为100mm。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,14,3试验操作规程3.1试件制备将肉眼可辨的、风化程度相近的、工程地质特征大致相同的岩石试件分为一组，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，每组试件须15块。对于不同的试验要求，可对天然含水量试件、饱和试件、烘干试件分别进行试验。3.2试件尺寸要求及试验流程点荷载试验通常分为径向试验、轴向试验以及方块体和不规则块体试验三类，具体要求如下：,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,15,3.2.1径向试验(1)凡长度/直径比大于1.0的岩芯试件均适于作径向试验。(2)每类样品至少最好是进行10次试验，如果样品是非均质的或各向异性的，试件次数更应增多。(3)将试件放在试验机中，使压板沿着岩芯的直径两端紧密接触，保证接触点距试件最近的自由端的距离L至少是岩芯直径的0.5倍(图3a)。(4)记录距离D，误差不超过0.2%。(5)稳定地增加荷载，使试件在1060秒时间内发生破坏，并记录破坏荷载P。如果破裂面仅仅是通过一个加荷点(图4d)，试验是无效的，应予舍弃。(6)样品中的其余试件，重复上述步骤(3)(5)。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,16,3.2.2轴向试验(1)长度/直径比为0.31.0的岩芯试件都适于轴向试验(图3b)。当岩芯很长时,则可先作径向试验，再将剩余的取适当长度（只要这些样品未被初次试验所削弱）作轴向试验。或用锯子或凿刀加工成合格的试件进行轴向试验。(2)每类样品至少要进行10次试验，倘若样品是非均质的或各向异性的，试验次数还要增加。(3)试件放入试验机与压板之间，使其沿着一条垂直于岩芯两端面的线上紧密接触（假定岩石是各向同性的）。(4)记录压板接触点之间的距离，误差不超过0.2%。记录垂直于加荷方向的试件宽度W，误差不超过0.5%。(5)稳定地增加荷载，使试件在1060秒时间内发生破坏，记录破坏荷载P。若仅通过加荷点产生局部的破裂面,试验应视为无效面舍弃如(图4e)。(6)样品中的其余试件，重复本条(3)(5)。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,17,3.2.3方块体和不规则块体试验(1)尺寸为5035mm和形状如图3(c)、(d)的岩块或块团均适于方块体与不规则块体试验。D/W之比应在0.3和1.0之间，最好是接近1.0；距离L(图3c与3d)至少是0.5W。如有此尺寸和形状的或用锯子或凿刀从大块体中加工的，均可用作试件。(2)每组样品至少要作10次试验，如果岩石是非均质的或各向异性的，试验次数还要多些。(3)将试件放在试验机中，压板与方块体或不规则块体最小尺寸紧密接触，但不得靠近块体各边和角点(图3c和d)。(4)记录压板与试件接触点之间的距离D，误差不超过2%。记录垂直于加荷方向的最小的试件宽度W，误差不超过5%。若各边互不平行，则W按(W1+W2)/2计算，如图3d所示最小宽度W与实际的破坏方式无关。(5)稳定地增加荷载，使试件在1060秒之内发生破坏，并记录破坏荷载P。若破裂面仅仅通过一个加荷点(参见图4d或e)，则试验无效，应予舍弃。(6)样品中的其余试验，重复上述步骤(3)(5)。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,18,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,图3不同形状试件要求(a)径向试验（b）轴向试验（c）方块试验（d）不规则块体试验,.,19,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,图4典型的有效与无效的试验破坏模(a)有效的径向试（b）有效的轴向试验（c）有效的方块试验（d）无效的岩芯试验（e）无效的轴向试验,.,20,3.2.4各项异性岩石试验(1)对于含有页理、层理、片理或其它具有明显各向异性的岩石样品，应按方向进行试验，给出最大和最小的强度值。这些数值一般是平行和垂直于各向异性面的。(2)若样品是穿过软弱面钻取的岩芯，则首先应进行一组径向试验，而后从中取些岩块再作轴向试验。(3)当岩芯的轴线垂直于软弱层面时，所得到的结果最好。故岩芯应尽可能按此方向钻取。岩芯的轴线与软弱层面法线的夹角以不超过30为宜。(4)为了测定最低强度方向的Is值。必须注意确保荷载沿单一弱面作用；同样,当测定最大强度方向的Is值时，也要确保荷载垂直作用于弱面(图5)。(5)如果样品是方块体或不规则块体，则应分为两亚个组的样品作试验。首先是荷载垂直于弱面，而后再平行于明显的弱面分别进行试验。当压板是沿单一的弱面接触时，可测得所需要的最小强度值。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,21,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,图5各项异性岩石试验的加载方向,.,22,3.3成果计算3.3.1未经修正的点荷载强度大量研究成果表明，未经修订的点荷载强度Is，是以P/De2的比值得出的，其中De是等价岩芯直径，对于径向试验：De2=D2对于轴向、方块体和不规则块体试验：De2=4A/其中A=WD，是通过压板接触点平面的最小横截面积。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,23,3.3.2尺寸修正1、对于径向试验，Is是作为D的一个函数；对于轴向、方块和不规则块体试验中，Is是作为De的一个函数。为了获得岩石样品统一的点荷载强度值，便于岩石的强度分类，需要对岩样的尺寸进行修正。2、我们定义修正后的点荷载强度Is(50)，是以D=50mm的径向试验所测得的Is来确定的。3、原则上，获得Is(50)的最可靠的方法，就是用D=50mm的岩样做径向试验，这样就不需要进行尺寸修正，误差可以降到最低；但实际情况下，大多数试件都是采用其它的尺寸，因此，必须进行修正。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,24,4、当试样很多时，可以绘制P与De2的关系，用双对数点绘制，其关系通常是一条直线，对于明显偏离的点删除，求得相应于De2=2500mm2时P50值，再按照P50/502计算尺寸修正后的点荷载强度指数。5、当试件的数量很少，或者在同一尺寸的试样较为集中时，可以采用尺寸修正系数来修正：Is(50)=F*Is其中F-尺寸修正系数，可以按图6来确定，也可以由下式来求得。F=(De/50)0.45,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,25,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,图6尺寸修正系数曲线图,.,26,6、哈塞尼等学者提出修正公式法，用如下公式进行修正：LgIs(50)=0.256+LgIs-1.008e-0.0274D根据经验分析，当35mmD65mm时，使用哈塞尼公式得出的数据相关性较高，效果较好。7、根据在工程岩体分级标准(GB50218-94)中，点荷载强度指数Is(50)用如下公式表达：Is(50)=Is*Kd*KDd式中：Is(50)直径为50mm标准试件的点荷载强度指数；Is非标准试件的点荷载强度指数；Kd尺寸效应修正系数；KDd形状效应修正系数；,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,27,试件尺寸与标准试件尺寸一致或采用不规则试件时，取Kd=1。其它情况下，尺寸效应修正系数按照下式计算，需将直径d的单位用厘米带入：Kd=0.4905d0.4426试件形状效应修正系数按照下式计算：KDd=0.3161e2.303(D/b+logD/b)/2式中：D/b是加荷点间距与最短边长之比。当测试采用圆柱状岩芯时，KDd=1。由于该项修正方法较为复杂，针对复杂的岩体结构破坏特征，也很难消除D值得大小对试验结果的影响，因此，许多学者并不认同该项修正方法。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,28,4与饱和单轴抗压强度之间的关系在此方面，前人做了大量的研究，如表4所示。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,29,根据大量试验分析，以及参考建议前人的研究成果，通过试验得出误差分析，建议点荷载强度值与单轴抗压强度值得换算关系如下：Rc=KIs(1)转换系数K=1723之间，通常来说，系数对岩石强度增大而减小。对于硬岩，可以取其较小值；对于软岩，可以取其较大值。如果试件较少，且不属于绝对硬岩软岩的范围时，可选取如下公式：Rc=22.82Is(50)0.75(2)经验表明，公式(2)对于大多数岩体来说均适用，且其得出成果离散性较小。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,30,5试验中的注意事项1、如果使用接近50mm的标准尺寸，则径向试验和用锯子切割面的轴向试验是最精确的，而且强度分类也最好是用岩芯。用锯子切割面的轴向试验试件可以在实验室从大块岩样中钻取很容易地得到。这种形式的试件尤其适合用在各向异性的岩石，但必须注明弱面的方向。2、对于比较坚硬的试件，荷载要求达到50KN。所能试验的最大试件尺寸根据试验机的负荷能力决定，而最小的尺寸则取决于试验机的荷载和距离的测量灵敏度。对小于D=25mm的试件进行试验时要特别的谨慎，以保证满足测量灵敏度的要求。在试验之前应根据假定近似的强度值估计需要的试验荷载范围，保证设备的负荷能力和灵敏度都相适宜。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,31,3、如果是为了减少每次试验之间耽误的时间而采用快速收缩活塞，则活塞的回弹力与摩擦力应低于试验期间所测最大荷载的5%左右，或单独用压力盒而不用油压表测定压力，以避免活塞的回弹力和摩擦力。这对较弱和较小的试件进行试验时尤其重要。4、由于本项试验主要是想作为岩石材料现场分类的一种简单而实用的试验，为了克服在应用上的限制，有时必须放宽对样品的尺寸、形状、试验数量等有关要求。但是这些处理的改变在报告中应当说明清楚。这样得到的强度值其可靠性是有限的，但总比一点都没有要好。例如，岩石有时太破碎或呈片状，不能加工成理想尺寸和形状的试件，或者可用来作强度试验的岩芯数量有限。在岩芯记录的应用方面，“样品”的概念意义不大，试验经常是在每隔任意深度进行，比如说根据岩芯强度的明显变化或均匀性和记录强度的岩芯总长度，每隔1m或3m试验一次。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,32,5、同所有的岩石强度试验一样，点荷载强度是随试件的含水量而变化。当饱水度低于25%时，这种变化特别显著。例如，干试件的强度通常都比湿的要高。饱水度度超过50%，含水量很小的变化对强度的影响较小，所以，除非专门要求用干岩石进行试验，所有试验都推荐在含水量的一定范围内进行。在一组样品中的所有试件都应处在相互接近或最佳含水量的情况下进行试验，而且试验的数据也与工程所需要的相适应。现阶段我勘察事业部土工实验室不具备测定岩石含水量的能力，但是不论岩石的含水量是否进行了测定，报告中均应说明，还要说明样品的储存、样品制备与试验拖延的时间等情况。6、通常，天然各向异性的不规则块体的最短尺寸是垂直于弱面的。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,33,7、由于岩石点荷载强度一般都比较低，因此在试验中一定要控制好加荷速度，慢慢加压，使压力数据缓慢而均匀地前行。8、安装试件时，上、下加荷点应注意对准试件的中心，并使其加荷面垂直于加荷点的连线。9、在对软岩进行试验时，加荷锥尖常有一定的嵌入度，因此，在测量加荷点的距离D时，应将游标卡尺对准试件破坏上加荷锥尖留下来的两个凹痕进行量测。对于硬岩，锥尖贯入的深度可以忽略不计。10、给液压缸补充液压油时应先卸下点荷载框架，然后拧开油孔螺丝加油即可。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,34,工作成果汇总,4,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,35,35,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,通过一年的技术改进工作，结合事业部的生成项目，共计完成工作量如下，点荷载试验的过程中，通过对仪器的熟悉，操作的掌握，以及试验数据的处理及误差分析，能够合理的选取参数对岩石单轴抗压强度进行换算。具体工作量如下表；详细的工作成果见附录。,.,36,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,以烟台地下水封洞库项目为例，共计完成点荷载试验112块，其中无效试验破坏24次，具体的统计见下表。,.,37,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,根据统计可以发现，大部分岩样的转换成单轴抗压强度值都分布在50-100MPa之间，说明点荷载强度值与单轴抗压强度的转换关系还是成正态分布的，具有较高的可信度。根据计算，烟台水封洞库的点荷载试验得出的单轴抗压强度平均值是78.98MPa（主要为地表中等风化含斑粗中粒二长花岗岩）。主要依据的公式为：,Rc=22.82Is(50)0.75,.,38,技术改进总结,5,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,39,39,本技术改进基于前人研究的基础上，学习了点荷载试验的发展历史和取得的成就。结合勘察事业部的生成任务，完成了不同岩性岩石的点荷载试验，从点荷载试验中试件的选择、操作规程、注意事项、点荷载值得选取、误差分析以及点荷载值与单轴抗压试验值得关系等方面做出了全面的总结。能够较好的应用于勘察项目当中，可将点荷载仪携带至现场进行试验，试样无需加工，可及时获得试验数据，不仅节约了成本，而且提高了工作效率和生产进度。,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,40,参考文献,6,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,.,41,l中华人民共和国国家标准编写组.工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99).北京:中国计划出版社，1999.2中华人民共和国行业标准编写组.水利水电工程岩石试验规程(SL264-2001).北京:中国水利水电出版社，2001.3测定点荷载强度的建议方法.岩石力学与工程学报，1986,5:79-90.4BrochE.andFranklin.J.