围岩室内及原位实验策划

三、室内试验及获取材料参数
实验取样设计及实施
（1）取样12.1~12.10
仪器：地质钻机（岩质）和钻孔取土器
地点：有代表性的断面，如土质断面，岩石断面，地质条件改变的地段，或者某一断面由若干种不同岩性组成的断面。

方式：尽量取未扰动部位的试样，如在一侧边墙内部3-5米范围内采用地质钻机去岩芯。

如果条件不允许，取扰动后的岩体也可以，比如爆破崩落的岩块即可。

数量：由于岩土介质的离散性较大，因此每一个采样点的要做3-5个试样，尽量减小离散性。

运输：为防止岩样水分丢失及减少扰动，需要将岩样用塑料膜包裹起来。

另外每个岩样要贴上标签，标明采样时间，里程，部位，岩性，采样人等。

制样：加工厂制样；另外，有可能出现制样失败的况，因此要预留备用岩样。

岩样尺寸为：50*100mm。

（2）设计12.11~12.12
常规实验设计
单三轴压缩实验：
单轴实验：加轴向荷载直到破坏；
三轴实验：在不同围压级别下加轴向荷载直到破坏，围压级别应根据岩样承受的原始地应力的量级来确定。

剪切蠕变实验：在不同级别正应力下，施加剪应力。

正应力级别和剪应力应根据岩样所处的原始地应力的量级来确定。

（3）实施12.13~12.25
在相应设计下进行实验，每个代表性岩样的相关实验要进行3-5次，从而消除岩土介质的离散性。

另外，由于仪器和距离原因，准备联系中国科学院地质与地球物理研究所（北京）进行相关实验的实施。

蠕变实验极费时间，准备在后期实施。

（4）成果12.26~12.31
得到如下实验成果：岩石的弹性模量E，泊松比υ，峰值强度σ，内摩擦角φ，内聚力C；根据蠕变实验，得到岩样的三阶段蠕变曲线（有可能只有两个阶段：加速蠕变和稳定蠕变），建立相应的蠕变模型，再根据实验数据，用数学方法求的模型的参数。

为后续的数值计算做准备。

主要实验内容：
①室内岩石试验
A、岩石的单轴试验（采用普通压力试验机）：
a、单轴抗压强度试验：获得相应的岩石单轴抗压强度，为后续的数值模拟计算做准备。

b、单轴压缩变形试验：得到岩石的单轴压缩应力-应变曲线（图6），可以获得岩石的弹性模量和泊松比，为后续的数值模拟计算做准备。

图1 常规单轴压缩应力-应变曲线
图1 单轴压缩应力-应变曲线 图2 单轴电子万能试验机
B 、岩石的三轴压缩强度试验（采用三轴试验仪）：确定其破坏形式（硬化，软化，理想塑性等），获得岩石的抗剪强度指标（内聚力和内摩擦角）、弹性模量和泊松比，为后续的数值模拟做准备。

图3 全自动岩石三轴试验机 图4 岩石剪切流变试验机
σε
σ=σσ=σ
σ=
σ
2
σσ3
112σ
3
图4 摩尔圆包络线
图5三轴压缩实验 图6 岩石的摩尔圆包络图 C 、剪切蠕变实验：采用剪切流变试验机进行室内实验，得到岩石的剪切蠕变曲线，确定相应的蠕变力学参数（蠕变时间，初始蠕变率，稳态蠕变率，长期
强度），为研究隧道围岩变形的时空效应做理论准备，并为施工方案的制定提供科学依据。

蠕
变
率
时稳态蠕变阶段衰减阶段加速阶段
图7 岩石流变试验曲线图
②室内土工试验
A 、
无侧限抗压强度试验（采用无侧限压缩仪）：得到土的轴向应力与轴向应变的关系曲线，确定土的无侧限抗压强度。

图10 轴向应力与轴向应变关系曲线 图11 无侧限压缩仪
B 、 三轴压缩试验（采用应变控制式三轴仪）：确定土的抗剪强度参数（内聚力
C
，摩擦角φ），为后续的数值模拟计算做准备。

图4 摩尔圆包络线
图12 土的剪切强度包线
图13 固结试验仪
C、土的流变试验（采用应力式三轴仪）：
a、三轴压缩蠕变试验：了解土在不同应力作用下，其变形与强度随时间变
化的特点，同时可以求出土的长期强度和流动性指标。

图15 剪应变与时间的关系曲线图16 应力式三轴仪
四、考虑到现场取样困难，我们将采取一定原位测试技术来来配合室内试验，以获得围岩的材料参数，为后续的数值模拟计算做准备。

A、旁压仪试验：
1）原理：旁压仪试验室是在现场钻孔中进行的一种水平向荷载试验。

具体试验方法是将一个圆柱形的旁压器放到钻孔内的设计标高，加压使得旁压器横向膨胀，根据试验的读数可以得到钻孔横向扩张的体积-压力或应力-应变关系曲线，据此可用来估计地基承载力，测定土的强度参数、变形参数、基床系数，为后续的数值模拟提供参考。

2）试验仪器:预钻式旁压仪
预钻式旁压仪由旁压器、控制单元和管路三部分组成。

a、应力控制式试验
加压等级一般采用8-12级为宜，即加压增量按预计极限压力的1/8-1/12考虑。

每级压力下稳定时间一般采用1-3min。

当试验加压到接近仪器的容许变形量或容许压力值时，应终止试验。

b、回弹试验
旁压仪回弹试验的目的是原位测定土的回弹再压缩旁压模量或回弹再压缩剪变模量。

其试验方法与常规试验相似，只是当加载至某一应力水平时，进行卸载，然后再加载到原来应力水平，回弹试验结束后，一般一直加压到试验
终止。

3）可以获得旁压曲线和蠕变曲线，由此可以得到试验压力的特征值（初始压力、临塑压力和极限压力）还可以得到土的强度参数（饱和黏土的不排水抗剪强度、干砂的内摩擦角）和变形参数（变形模量和剪变模量），这些参数为后期的数值模拟计算做准备，还算可以作为参数反分析的对比依据。

图22 预钻式旁压曲线图23 预钻式旁压仪
B、围岩松动圈范围测试：
围岩松动圈大小与隧道的稳定性及支护的难易程度密切相关, 其范围的测定是评价隧道稳定性、进行合理的支护结构设计的重要依据。

图19 声波仪图20 换能器结构示意图注：1-发射探头；2-接收探头S1；3-隔声连接筒；4-接收探头S2；5-铜管；6-钻孔
1)测试仪器
超声波围岩裂隙探测仪由下列部件组成。

声波仪：发射机向发射换能器输出一定频率的电脉冲。

接收机将接收换能器收到的微量讯号, 经放大器、控制器、计数器, 译码后能直接显示发射换能器发射纵波至岩体, 到达结构面后, 折返并被接收换能器接收的时间间隔, 精度为0.1μs。

换能器：也称声波测试探头。

结构见图20，主要元件为压电陶瓷。

分发射
和接收两种换能器, 中间用隔声连接筒连接。

直径36mm，直接伸进42mm钻孔，浸人水中。

要求机械强度、绝缘强度、密封性能均达到使用要求。

发射探头能把声波仪输出的电脉冲转换为声波能, 要求发射功能较大, 接收探头将接收的反馈声波能转换为电讯号, 输送至接收机。

隔声筒的作用是避免发射波沿孔壁直达接收探头。

封孔器和耦和剂：了减小钻孔内换能器与钻孔壁间隙的纵波衰减, 需用封孔器封堵孔口, 并注人清水作耦合剂, 以保证探头与孔壁声耦合良好。

2)单孔一发双收测试法
如图21所示换能器结构可用于单孔测试。

即同一钻孔中放人一个发射探头和两个接收探头, 实行一发双收。

发射探头发射超声波后, 接收探头S1立即收到首波, 将声波能转换成电能, 接收器1放大整形, 翻转控制器, 开启计数门, 振荡信号通过计数门进人计数器开始计数。

因隔声筒起阻隔发射波的作用, 接收探头S2，这时不能收到发射波。

发射波碰到岩体结构面后折返回来, 被接收探头S2收到时, 接收器已放大整形, 使控制器转回, 关闭计数门, 计数器停止计数。

仪器显示出超声波在这一段岩体中传播的时间读数t=t2-t1。

施工测试时先直送孔底测第一次,以后由深至浅沿孔轴线每隔100mm 或200mm 测一次, 直至距孔口50mm-70mm 为止。

即可分别计算波速Vp绘制该钻孔的Vp一L曲线图。

图21 测试孔布置图
3）测试结果分析：
由Vp一L曲线图分析松动圈的范围，不同岩性的岩体, 声波速度不同。

在相同岩性的岩体中, 声波速度及振幅的衰减与结构面的性质、发育程度有密切关系。

围岩的完整性好, 其纵波速度高, 围岩节理裂隙多或较破碎, 其纵波速度低。

（5）通过查阅文献资料的途径，获取相应材料的力学参数。