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1、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,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,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,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
2、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,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
3、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,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
4、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,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
5、.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,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
6、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,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
7、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,12,1 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
8、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,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
9、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,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
10、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,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
11、.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,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
12、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,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；
13、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
14、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,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,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,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
15、。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。
16、,中国石油工程设计有限责任公司华北分公司,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,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,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。,
