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歐美大地 室內巖土試驗
室內巖土試驗
巖石力學試驗技術及三軸試驗方法詳解
發布時間:2023-12-13 瀏覽次數:10909 來源:歐美大地


巖石力學是一門研究巖石力學性質及其相關現象的科學,其應用范圍廣泛,涉及到國民經濟基礎建設、資源開發、環境保護、減災防災等多個領域。人類對巖石力學性質的認識始于試驗,而巖石力學理論的形成和發展也與試驗方法緊密相連。

巖石的力學性質包括強度、變形、動力學特性和滲透性等方面。這些性質會受到巖石所處的物理和化學環境的影響。研究巖石力學性質的方法主要是現場和室內試驗。

現場試驗包括三軸壓縮試驗、剪切試驗和巖體滲透性試驗等,可以測量巖體原位變形性能和強度性能。室內試驗則包括單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切、滲透試驗等,可以模擬不同條件下的巖石力學行為。


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通過這些加載方式,我們可以系統地測量巖石試樣在各種應力作用下的應力、應變等力學性質。而且,改變加載條件,如壓力大小、加載速率等,可以進一步研究巖石試樣的抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、變形特性以及破壞機制等關鍵參數。




巖石三軸實驗原理

巖石三軸力學試驗是一種綜合性的研究方法,用于深入探究巖石材料的力學性質。通過分別模擬地殼中的水平地應力、垂直應力和側向應力,該試驗能夠全面地揭示巖石在復雜應力狀態下的變形和破壞過程。

在試驗過程中,第一軸的徑向加載通過施加垂直于巖石試樣截面的壓力,真實地模擬了地殼中的水平地應力作用。第二軸的軸向加載則通過施加垂直于巖石試樣軸向的壓力,成功地模擬了地殼中的垂直應力作用。而第三軸的背景加載在巖石試樣周圍施加恒定的側向壓力,使得巖石材料處于三向應力狀態下,從而更準確地反映了地殼中的真實應力環境。



三維物體中的主應力(作用在剪應力為零的平面上的最大和最小正應力)為三(σ1> σ2> σ3)。實際上,主應力可能不同。但在實驗室三軸試驗中,中間應力σ2等于σ3。三軸試驗中施加的主應力如圖1所示。

三軸試驗中施加在圓柱形巖石樣品上的主應力(σ1> σ2= σ3)

圍壓是確定的,并在試驗過程中保持不變。樣品最初被各向同性地加載,直到主應力等于預定的圍壓。然后,軸向應力σ1以一定的速率增加,直到試樣破壞,并記錄最大σ1。



圖1 巖石三軸加載原理圖


見上述巖石三軸加載原理圖中1-為密封裝置、2-圍壓,3-底座,4-出液口,5巖石試樣,6-乳膠膜,7-進液口

進行所有施加的主應力都不相同的實驗室試驗是有挑戰性的,并且沒有被廣泛使用。這種方法被稱為多軸或真三軸試驗。(點擊這里參見東北大學案例)

三軸試驗中施加在方形巖石樣品上的主應力(σ1> σ2> σ3)


GDSTTA真三軸



巖石三軸試樣制作

在巖石三軸力學實驗中,測試樣品通過巖心鉆探獲得,并且必須選擇能代表被檢查巖層的樣品。應在鉆探日期后的30天內對試樣進行測試,以保持其初始狀態(如自然含水量)。

首要步驟是挑選滿足要求的巖石試樣,并將其切割、研磨至規定的幾何形狀,通常是圓柱體或立方體。這個步驟非常重要,因為試樣的形狀和尺寸會影響到試驗的結果和數據的可靠性。

應該指出的是,飽和度或孔隙壓力的增加在巖石力學中并不是一個關鍵問題,因為巖石的孔隙度比土壤的孔隙度低得多,因此測試干燥或飽和樣品不會對結果產生顯著影響。



在加工巖石試樣時,需要使用精密的切割機和磨床等設備,以確保試樣的表面平整、光滑,并且幾何形狀符合要求。同時,還需要對試樣進行干燥處理,以消除水分對試驗結果的影響。




在試樣制備完成之后,需要進行測量,以確定其原始的幾何尺寸和重量。這些數據將用于計算試樣的力學性質,樣品形狀如為圓柱形,直徑必須在38到54毫米之間。直徑通過在樣品的頂部、中部和底部進行測量得出,公差為0.1毫米。高度與直徑(H/D)之比必須在2.0和3.0之間。高度應精確到毫米。此外,最大工裝碎片的尺寸最大應為樣品直徑的10%。樣品的末端必須平滑,以便頂部和底部表面平坦,公差為0.01 mm。這確保了施加的載荷均勻地傳遞到樣品上,并且沒有載荷偏心。樣品的側面必須光滑,且不存在0.3毫米公差范圍內的不規則性。






巖石三軸實驗過程

將一個圓柱形巖石標本放在一個專門設計的小室中(如Hoek小室)。一種特殊設計的薄膜貼在壓力室上,使其保持密封。側向壓力是流體靜力的,通過泵入膜中的液體(通常是油)施加。使用能夠在1%精度內調節壓力的液壓泵或伺服馬達。試樣被鋼制球形座軸向包圍。為了獲得樣品的垂直和圓周變形,可以使用應變儀。然而,在進行三軸試驗時,并不強制記錄應變響應。下圖B給出了Hoek壓力室和組裝在一起進行三軸試驗的零件的示意圖。



圖2:用于三軸試驗的Hoek壓力室


然后將Hoek壓力室放入加載裝置中,該裝置用于向樣品施加垂直載荷?,F代加載系統是以恒定速率施加液壓的伺服控制裝置。選擇加載速率(kN/s ),使樣品在大約10分鐘(5-15分鐘)內破壞。如果已經有關于常數σ3下的最大σ1的數據(從以前的測試中獲得),則可以計算出該比率。否則,應根據對被測材料行為的現有知識做出合理的假設.側向壓力以與軸向載荷相同的速率施加,直到達到規定值。一旦達到該圍壓,其精度應保持在2%以內。

加載機器必須堅固,足以施加巖石樣品破壞所需的最大壓力。此外,應經常校準它,以正確得出負載測量值。


Controls巖石三軸儀



結果和計算

三軸試驗的原始數據包括樣品尺寸、側壓力σ3、軸向載荷P、試驗持續時間(必須在要求的范圍內),以及變形測量值(如果使用了應變儀)。

首先,樣品的橫截面積計算如下:


其中D是樣品的直徑。

軸向應力由軸向載荷除以試樣的橫截面積得出:

其中P是軸向載荷。

如果記錄了變形測量值,則繪制樣品的應力-應變響應圖。軸向和周向應變eA和eC分別計算如下:


其中R是應變計的初始電阻,δR是變形引起的電阻變化,kis是應變計系數。經過一系列至少3次三軸試驗后,得出巖石樣品的破壞包絡線。巖石力學中最常用的破壞標準是:

  • 莫爾-庫侖破壞準則

  • 霍克-布朗(H-B)破壞準則

M-C破壞準則將剪切強度和作用在破壞面上的法向有效應力聯系起來。它也可以用主應力表示為:

其中t是材料的剪切強度,c是內聚力,φ是摩擦角,σn是作用在破壞面上的正應力,σ1和σ3是主應力。

M-C準則因其簡單性和在巖土工程中的普遍接受性而被采用。然而,H-B準則是基于許多巖石類型的一系列實驗室試驗發展起來的,這些試驗表明,巖石脆性破壞中的主應力之間存在非線性相關性。

H-B準則中的主應力相關性表示為:

其中σci是單軸抗壓強度,mi是基于巖石類型的常數,σ1和σ3是主應力。

在不同側壓力下進行至少3次三軸試驗后,繪制出所選標準的最佳擬合包絡線,并推導出每個包絡線的參數(M-C中的內聚力、摩擦角和mi,H-B中的σci)。然而,在H-B準則中,大多數情況下σci已經由材料的單軸壓縮試驗確定。確保樣品來自相同的巖心或巖塊,并呈現相似的特性,這一點至關重要。這可以通過視覺觀察來實現。



圖3 基于實驗室數據和M-C和H-B標準最佳擬合包絡線的主應力圖


推導M-C和H-B標準參數的示例

假設對特定類型的巖石試樣進行了4次三軸試驗。表1列出了預先確定的側向應力和相應的軸向應力:



表1 三軸試驗結果數據示例


結果用最佳擬合M-C和H-B包絡繪制在圖3中。

圖3是基于實驗室數據和M-C和H-B標準最佳擬合包絡線的主應力圖。

基于最佳擬合曲線,表2中給出了兩個失效標準的參數。


表2:基于實驗室測試數據的H-B和M-C標準的導出參數



結束語

巖石力學的研究不僅具有理論意義,還具有實際應用價值。例如,在土木工程、地質工程、采礦工程等領域中,巖石力學的研究成果被廣泛應用于巖土工程設計、施工和監測等方面。此外,巖石力學的研究還可以為資源開發、環境保護、減災防災等方面提供重要的科學依據和技術支持。

隨著科學技術的發展,巖石力學的研究方法和手段也不斷更新和完善。例如,數值模擬技術、非接觸式測量技術、X射線CT掃描技術等新技術的應用,使得巖石力學的研究更加精確和深入。同時,巖石力學研究領域也不斷拓展,涉及到地質學、物理學、化學等多個學科領域,形成了多學科交叉的研究格局。


GDS動態巖石三軸測試系統



參考文獻

Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression: Revised version, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Volume 20, Issue 6, 1983, Pages 285-290, ISSN 0148-9062, doi.org/10.1016/0148-9062(83)90598-3.

https://www.geoengineer.org/education/laboratory-testing/triaxial-compression-test-in-rock


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