圍巖室內(nèi)及原位實驗策劃

三、室內(nèi)試驗及獲取材料參數(shù)實驗取樣設計及實施（1）取樣12.1~12.10儀器：地質(zhì)鉆機（巖質(zhì)）和鉆孔取土器地點：有代表性的斷面，如土質(zhì)斷面，巖石斷面，地質(zhì)條件改變的地段，或者某一斷面由若干種不同巖性組成的斷面。方式：盡量取未擾動部位的試樣，如在一側(cè)邊墻內(nèi)部3-5米范圍內(nèi)采用地質(zhì)鉆機去巖芯。如果條件不允許，取擾動后的巖體也可以，比如爆破崩落的巖塊即可。數(shù)量：由于巖土介質(zhì)的離散性較大，因此每一個采樣點的要做3-5個試樣，盡量減小離散性。運輸：為防止巖樣水分丟失及減少擾動，需要將巖樣用塑料膜包裹起來。另外每個巖樣要貼上標簽，標明采樣時間，里程，部位，巖性，采樣人等。制樣：加工廠制樣；另外，有可能出現(xiàn)制樣失敗的況，因此要預留備用巖樣。巖樣尺寸為：50*100mm。（2）設計12.11~12.12常規(guī)實驗設計單三軸壓縮實驗：單軸實驗：加軸向荷載直到破壞；三軸實驗：在不同圍壓級別下加軸向荷載直到破壞，圍壓級別應根據(jù)巖樣承受的原始地應力的量級來確定。剪切蠕變實驗：在不同級別正應力下，施加剪應力。正應力級別和剪應力應根據(jù)巖樣所處的原始地應力的量級來確定。（3） 實施12.13~12.25在相應設計下進行實驗，每個代表性巖樣的相關實驗要進行3-5次，從而消除巖土介質(zhì)的離散性。另外，由于儀器和距離原因，準備聯(lián)系中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所（北京）進行相關實驗的實施。蠕變實驗極費時間，準備在后期實施。（4） 成果12.26~12.31得到如下實驗成果：巖石的彈性模量E,泊松比u,峰值強度o，內(nèi)摩擦角屮，內(nèi)聚力C；根據(jù)蠕變實驗，得到巖樣的三階段蠕變曲線（有可能只有兩個階段：加速蠕變和穩(wěn)定蠕變）,建立相應的蠕變模型,再根據(jù)實驗數(shù)據(jù),用數(shù)學方法求的模型的參數(shù)。為后續(xù)的數(shù)值計算做準備。主要實驗內(nèi)容：①室內(nèi)巖石試驗A、巖石的單軸試驗（采用普通壓力試驗機）：a、 單軸抗壓強度試驗：獲得相應的巖石單軸抗壓強度，為后續(xù)的數(shù)值模擬計算做準備。b、 單軸壓縮變形試驗：得到巖石的單軸壓縮應力-應變曲線（圖6），可以獲得巖石的彈性模量和泊松比，為后續(xù)的數(shù)值模擬計算做準備。

圖圖11常單規(guī)軸單壓軸縮壓縮應應力力-應-應變變曲曲線線 圖2單軸電子萬能試驗機B、巖石的三軸壓縮強度試驗（采用三軸試驗儀）：確定其破壞形式（硬化，軟化，理想塑性等），獲得巖石的抗剪強度指標（內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角）、彈性模量和泊松比，為后續(xù)的數(shù)值模擬做準備。圖3全自動巖石三軸試驗機圖4巖石剪切流變試驗機圖5三軸壓縮實驗圖3全自動巖石三軸試驗機圖4巖石剪切流變試驗機圖5三軸壓縮實驗3C、剪切蠕變實驗：采用剪切流變試驗機進行室內(nèi)實驗，得到巖石的剪切蠕變曲線，確定相應的蠕變力學參數(shù)（蠕變時間，初始蠕變率，穩(wěn)態(tài)蠕變率，長期

強度），為研究隧道圍巖變形的時空效應做理論準備，并為施工方案的制定提供科學依據(jù)。圖7巖石流變試驗曲線圖②室內(nèi)土工試驗A、 無側(cè)限抗壓強度試驗（采用無側(cè)限壓縮儀）：得到土的軸向應力與軸向應變的關系曲線，確定土的無側(cè)限抗壓強度。圖10軸向應力與軸向應變關系曲線 圖11無側(cè)限壓縮儀B、 三軸壓縮試驗（采用應變控制式三軸儀）：確定土的抗剪強度參數(shù)（內(nèi)聚力C摩擦角0）,為后續(xù)的數(shù)值模擬計算做準備。圖12圖土4圖12圖土4的摩爾剪圓切包強絡度線包線圖13固結試驗儀C、 土的流變試驗（采用應力式三軸儀）：a、三軸壓縮蠕變試驗：了解土在不同應力作用下，其變形與強度隨時間變化的特點，同時可以求出土的長期強度和流動性指標。圖15剪應變與時間的關系曲線圖16應力式三軸儀四、考慮到現(xiàn)場取樣困難，我們將采取一定原位測試技術來來配合室內(nèi)試驗，以獲得圍巖的材料參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬計算做準備。A、旁壓儀試驗：1） 原理：旁壓儀試驗室是在現(xiàn)場鉆孔中進行的一種水平向荷載試驗。具體試驗方法是將一個圓柱形的旁壓器放到鉆孔內(nèi)的設計標高，加壓使得旁壓器橫向膨脹，根據(jù)試驗的讀數(shù)可以得到鉆孔橫向擴張的體積-壓力或應力-應變關系曲線，據(jù)此可用來估計地基承載力，測定土的強度參數(shù)、變形參數(shù)、基床系數(shù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供參考。2） 試驗儀器:預鉆式旁壓儀預鉆式旁壓儀由旁壓器、控制單元和管路三部分組成。a、 應力控制式試驗加壓等級一般采用8-12級為宜，即加壓增量按預計極限壓力的1/8-1/12考慮。每級壓力下穩(wěn)定時間一般采用l-3min。當試驗加壓到接近儀器的容許變形量或容許壓力值時，應終止試驗。b、 回彈試驗旁壓儀回彈試驗的目的是原位測定土的回彈再壓縮旁壓模量或回彈再壓縮剪變模量。其試驗方法與常規(guī)試驗相似，只是當加載至某一應力水平時，進行卸載，然后再加載到原來應力水平，回彈試驗結束后，一般一直加壓到試驗

終止。23預鉆式旁壓儀3）可以獲得旁壓曲線和蠕變曲線，由此可以得到試驗壓力的特征值（初始壓力、臨塑壓力和極限壓力）還可以得到土的強度參數(shù)（飽和黏土的不排水抗剪強度、干砂的內(nèi)摩擦角）和變形參數(shù)（變形模量和剪變模量），這些參數(shù)為后期的數(shù)值模擬計算做準備，還算可以作為參數(shù)反分析的對比依據(jù)。23預鉆式旁壓儀圖22預鉆式旁壓曲線圖B、圍巖松動圈范圍測試：圍巖松動圈大小與隧道的穩(wěn)定性及支護的難易程度密切相關,其范圍的測定是評價隧道穩(wěn)定性、進行合理的支護結構設計的重要依據(jù)。圖20換能器結構示意圖注：1-發(fā)射探頭；2-接收探頭S1；3-隔聲連接筒；4-接收探頭S2；5-銅管；6-鉆孔1） 測試儀器超聲波圍巖裂隙探測儀由下列部件組成。聲波儀：發(fā)射機向發(fā)射換能器輸出一定頻率的電脈沖。接收機將接收換能器收到的微量訊號,經(jīng)放大器、控制器、計數(shù)器,譯碼后能直接顯示發(fā)射換能器發(fā)射縱波至巖體,到達結構面后,折返并被接收換能器接收的時間間隔,精度為0.1“s。換能器：也稱聲波測試探頭。結構見圖20，主要元件為壓電陶瓷。分發(fā)射和接收兩種換能器，中間用隔聲連接筒連接。直徑36mm，直接伸進42mm鉆孔，浸人水中。要求機械強度、絕緣強度、密封性能均達到使用要求。發(fā)射探頭能把聲波儀輸出的電脈沖轉(zhuǎn)換為聲波能，要求發(fā)射功能較大，接收探頭將接收的反饋聲波能轉(zhuǎn)換為電訊號，輸送至接收機。隔聲筒的作用是避免發(fā)射波沿孔壁直達接收探頭。封孔器和耦和劑：了減小鉆孔內(nèi)換能器與鉆孔壁間隙的縱波衰減，需用封孔器封堵孔口，并注人清水作耦合劑，以保證探頭與孔壁聲耦合良好。單孔一發(fā)雙收測試法如圖21所示換能器結構可用于單孔測試。即同一鉆孔中放人一個發(fā)射探頭和兩個接收探頭，實行一發(fā)雙收。發(fā)射探頭發(fā)射超聲波后，接收探頭S1立即收到首波，將聲波能轉(zhuǎn)換成電能，接收器1放大整形，翻轉(zhuǎn)控制器，開啟計數(shù)門，振蕩信號通過計數(shù)門進人計數(shù)器開始計數(shù)。因隔聲筒起阻隔發(fā)射波的作用，接收探頭S2,這時不能收到發(fā)射波。發(fā)射波碰到巖體結構面后折返回來，被接收探頭S2收到時，接收器已放大整形，使控制器轉(zhuǎn)回，關閉計數(shù)門，計數(shù)器停止計數(shù)。儀器顯示出超聲波在這一段巖體中傳播的時間讀數(shù)t二12-tl。施工測試時先直送孔底測第一次，以后由深至淺沿孔軸線每隔100mm或200mm測一次，直至距孔口50mm-70mm為止。即可分別計算波速Vp繪制該鉆孔的Vp一L曲線圖