现代岩土力学试验及参数取值.pdf

现代岩土力学试验及参数取值现代岩土力学试验及参数取值 主讲付主讲付小小敏敏 成都理工大学成都理工大学 环境与土木工程学院环境与土木工程学院 一、课堂教学一、课堂教学 1 1、岩土力学试验、岩土力学试验 2 2、现代岩土力学试验、现代岩土力学试验 3 3、岩土力学参数在工程中的应用、岩土力学参数在工程中的应用 4 4、试验数据处理方法、试验数据处理方法 5 5、试验研究大纲的编写、试验研究大纲的编写 2020学时学时 主要内容主要内容 二、实验教学二、实验教学 1 1、岩石单轴压缩全过程试验；、岩石单轴压缩全过程试验； 2 2、岩石直剪强度试验；、岩石直剪强度试验； 3 3、岩石常规三轴强度试验；、岩石常规三轴强度试验； 4 4、岩石三轴卸围压强度试验；、岩石三轴卸围压强度试验； 5 5、岩石声发射试验；、岩石声发射试验； 6 6、其它试验。、其它试验。 任选任选4 4项项 主要内容主要内容 一、要求参与课堂教学和实验教学两个环节；一、要求参与课堂教学和实验教学两个环节； 二、严格遵守课堂纪律；二、严格遵守课堂纪律； 三、几本主要参考书；三、几本主要参考书； 四、考试。四、考试。 课程要求课程要求 参考资料参考资料 1、岩土工程试验 监测手册 林宗元主编 辽宁科学技术出版社 1994.12； 2 2、岩土工程勘察设计手册、岩土工程勘察设计手册 林宗元林宗元主编主编 辽宁科学技术出版社，辽宁科学技术出版社， 1996.31996.3 参考资料参考资料 4、岩体力学 肖淑芳、杨淑碧编 地质出版社 1987.5（教材）.. 3、工程岩土学 孔德坊 主编 地质出版社 1992.7（教材） 参考资料参考资料 7、公路工程岩 石试验规程 （JTG E41-2005） 中华人民共和国 交通部发布 6、工程岩体试验方法标准 GB/T 50266-99， 国家质量技术监督局 中华人民共和国建设部 联合发布； 5、水利水电工程岩石试验 规程SL264-2001） 中华人民共和国水利部发布 1、土工试验方法标准（GB/T 50123-99 国家 质量技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布。 2、土工试验规程SL237-1999）中华人民共和 国水利部发布； 3、公路土工试验规程JTG E40-2007）中华人 民共和国交通部发布； 参考资料参考资料 一、岩土力学试验在岩土工程中的地一、岩土力学试验在岩土工程中的地 位和作用；位和作用； 二、岩土力学试验；二、岩土力学试验； 三、岩土力学试验相关问题。三、岩土力学试验相关问题。 概概述述 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 （一）随着我国基础建设的飞速发展，对岩土 工程测试技术提出新的、更高的要求。 1、如重型厂房、高层、超高层建筑、大型水电 枢纽、铁路、公路桥梁与隧洞以及民用建筑物的兴 建是否经济、合理大部分取决于岩土的工程性质。 2、在上述工程活动中，如何防治地质灾害发生 和进行地质环境保护，很多程度取决于岩土的工程 性质。 预应力锚索格构梁复合结构支护预应力锚索格构梁复合结构支护试验试验 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 四川九寨黄龙机场高填方体边坡稳定性及灾害控制四川九寨黄龙机场高填方体边坡稳定性及灾害控制 元山子沟填方区元山子沟填方区 最大垂直填方高程最大垂直填方高程104m 坡脚到坡顶填高坡脚到坡顶填高140m 设计沟填方区设计沟填方区 垂直填方高程垂直填方高程86m 九寨黄龙机场是世界上填方九寨黄龙机场是世界上填方 边坡最高的机场，并处于高海拔边坡最高的机场，并处于高海拔 、高地震烈度区。在高达、高地震烈度区。在高达100100余余 米的填方体施工中，采用本项研米的填方体施工中，采用本项研 究的变形控制技术。究的变形控制技术。 四川九寨黄龙机场高填方体边坡稳定性及灾害控制四川九寨黄龙机场高填方体边坡稳定性及灾害控制 保证了机场提前两年建成通航，产生保证了机场提前两年建成通航，产生 了重大社会经济效益（增收了重大社会经济效益（增收2.12.1亿元），工亿元），工 程投资较预算节省程投资较预算节省80008000万元。万元。 紫坪铺水利工程高边坡稳定性评价及灾害防治紫坪铺水利工程高边坡稳定性评价及灾害防治 水库总容量水库总容量11.1211.12亿立方米，最大坝高亿立方米，最大坝高156156米，电站总装机米，电站总装机7676万千万，万千万， 工程高边坡工程高边坡200200多米多米 A区区 C区区 B区区 D 区区 道道 溢溢 洪洪 E 区区 采用变形稳定性的过程模拟与过程控制技术，对该边坡的支护设计方案进采用变形稳定性的过程模拟与过程控制技术，对该边坡的支护设计方案进 行了系统优化，取消原设计方案中行了系统优化，取消原设计方案中D D区的近区的近10001000根锚索。，根锚索。，从而节约工程投资从而节约工程投资 40004000- -70007000万元。万元。 采用我们这套理论优化设计的紫平铺水电站高边坡，距离汶采用我们这套理论优化设计的紫平铺水电站高边坡，距离汶 川地震震中仅川地震震中仅17km17km，影响烈度达，影响烈度达9 9度，经受住了强震的考验度，经受住了强震的考验。。 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 在西部地区的在西部地区的 大型水电站大型水电站 300m级的高坝级的高坝 建设、高等级建设、高等级 公路、铁路建公路、铁路建 设中，深埋长设中，深埋长 隧道工程越来隧道工程越来 越多。其中一越多。其中一 个重大地质灾个重大地质灾 害问题就是异害问题就是异 常地下水流的常地下水流的 ““高压突水高压突水”” 丹巴县后山滑坡纵长约丹巴县后山滑坡纵长约270 米米,宽宽200米米,滑体厚度平均滑体厚度平均30 米米,前后缘高差接近前后缘高差接近200米，总米，总 体积体积150230104m3。 。 I-1 I-2 II III 压脚压脚 随后，利用“过程控制技术”，针对整体边坡，提 出了临时抢险方案和保证边坡长期稳定的综合治理方 案。方案实施后，边坡变形得到了有效控制。 预应力锚索预应力锚索 锚拉抗滑桩锚拉抗滑桩 利用“过程控制技术”，针对整体边坡，提出了 临时抢险方案和保证边坡长期稳定的综合治理方案。 方案实施后，边坡变形得到了有效控制，。 锚拉抗滑桩锚拉抗滑桩 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 攀枝花机场滑坡攀枝花机场滑坡 2000年规划； 2003年建成； 2004正式投入使用 2009年10月3日开始 下滑。 滑坡最高123米， 滑动边坡体积500多 万方，其中填方80 多万方。 滑坡滑坡 机场跑道机场跑道 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 滑滑 坡坡 后后 缘缘 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 修建工程中，修建工程中， 就产生变形，就产生变形， 开始滑动，开始滑动， 花花2个亿采用个亿采用 抗滑桩进行抗滑桩进行 处理。处理。 滑坡体滑坡体 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 20092009年年1010月月3 3日日 下滑后，一直下滑后，一直 都在应急处理都在应急处理 ，已花掉，已花掉1.51.5亿亿 左右。现在预左右。现在预 算要阻止下滑算要阻止下滑 ，还要花，还要花1.51.5个个 亿左右。亿左右。 推断后的抗滑桩推断后的抗滑桩 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 滑坡产生原因滑坡产生原因 覆盖层和基岩接覆盖层和基岩接 触面上的抗剪强触面上的抗剪强 度参数（内摩擦度参数（内摩擦 角）选取过高。角）选取过高。 验算值验算值1717度度 实际值实际值1212度度 （二）要很好的解决岩土工程问题、防灾、 治灾，必须首先进行勘察与测试、试验与分析， 并利用土力学、岩石力学、基础工程、工程地 质学等的理论与方法，对各类工程进行系统研 究。 因此，岩土力学试验是岩土工程规划设计、 防灾的前期工程，也是地基与基础设计，治理 地质灾害的不可缺少的重要环节。 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 （三）岩土力学试验的目的 1、了解岩石本身的物理和力学性质；、了解岩石本身的物理和力学性质； 2、岩体质量分级、工程地质条件与问题评价；、岩体质量分级、工程地质条件与问题评价； 3、边坡、地基和隧道围岩变形及稳定性分析，地质、边坡、地基和隧道围岩变形及稳定性分析，地质 灾害防治工程方案论证等；灾害防治工程方案论证等； 4、为岩土工程设计与施工提供参数和依据；、为岩土工程设计与施工提供参数和依据； 5、揭示岩土的变形规律和强度特征及破裂机理，建、揭示岩土的变形规律和强度特征及破裂机理，建 立其数学力学模型，进行岩土工程结构的力学分析。立其数学力学模型，进行岩土工程结构的力学分析。 一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用一、岩土力学试验在岩土工程中的地位和作用 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 1 1、岩石力学试验、岩石力学试验 1）岩石物理性质试验）岩石物理性质试验 含水率、颗粒密度、块体密度；含水率、颗粒密度、块体密度； 2）岩石水理性质试验）岩石水理性质试验 吸水性、渗透性、膨胀性、耐崩解性和冻融性。吸水性、渗透性、膨胀性、耐崩解性和冻融性。 3）岩石力学性质试验）岩石力学性质试验 单轴压缩强度和变形试验、三轴压缩强度和变形试单轴压缩强度和变形试验、三轴压缩强度和变形试 验、抗拉强度试验、直剪强度试验和点荷载强度验、抗拉强度试验、直剪强度试验和点荷载强度。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 1）岩石物理性质试验 （（1 1）含水率）含水率 指岩石试样在指岩石试样在105105～～1101100 0C C温度下烘至恒量时失温度下烘至恒量时失 去的水分质量和恒量时试样干质量的比值，以百分去的水分质量和恒量时试样干质量的比值，以百分 数表示。数表示。 12 0 20 0 0 1 2 100 mm mm m m m ω ω − − − − − 式中－岩石的天然含水率，％）； 称量盒质量，g； 盒加原含水状态试件的质量，g； 盒加干试件的质量，g。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （（2 2）块体密度）块体密度 岩石块体密度是试件质量与试件体积的比值，岩石块体密度是试件质量与试件体积的比值， 反映岩石固体颗粒结构的松紧程度和组成固体颗粒反映岩石固体颗粒结构的松紧程度和组成固体颗粒 的矿物成分。的矿物成分。 0 0 m AH ρ 0 ρ A H 0 m 试件的天然密度 g／cm3； 试件截面积 cm2； 试件高度（cm）； 试件的天然质量 g； 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （（3 3）颗粒密度）颗粒密度 岩石颗粒密度是岩石固相物质的质量与体积的岩石颗粒密度是岩石固相物质的质量与体积的 比值。比值。 12 d pwm d m mmm ρρρ − （或） p ρ w ρ 1 m 2 m d m 颗粒密度 g／cm3 ； 试验温度条件下蒸馏水的密度g／cm3； 比重瓶和试液总质量g； 比重瓶、试液和岩粉总质量g； 岩粉干质量g。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 岩石物理性质试验指标的关系岩石物理性质试验指标的关系 岩石中的空隙岩石中的空隙粒间孔隙、微裂隙粒间孔隙、微裂隙 空隙空隙开启空隙（与大气连通）；开启空隙（与大气连通）； 封闭空隙（与大气隔绝）。封闭空隙（与大气隔绝）。 开启空隙开启空隙大开空隙（水能自由进入）；大开空隙（水能自由进入）； 小开空隙（在一定压力下才能进入）小开空隙（在一定压力下才能进入） 。。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 总空隙度（空隙率）总空隙度（空隙率）岩石中空隙总体积与岩石中空隙总体积与 岩石体积之比。岩石体积之比。 ）。－水的密度（ 岩石颗粒密度； －岩石干密度（ （％）；空隙率 3 3 / ;/ 1001 cmg cmg n n w p d wp d ρ ρ ρ ρρ ρ − − − －岩石的天然含水率。ω ）；岩石块体密度（ －岩石干密度（ ω 0 3 3 0 / ;/ 01 . 0 1 cmg cmg d d − ρ ρ ρ ρ 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 岩石物理性质试验岩石物理性质试验 了解岩石的空隙性，分析岩石的含水状态、密了解岩石的空隙性，分析岩石的含水状态、密 实程度，计算岩石的孔隙性指标。实程度，计算岩石的孔隙性指标。 判断岩石的风化情况。判断岩石的风化情况。 分析岩石的力学效应，即降低强度和增加变形分析岩石的力学效应，即降低强度和增加变形 性。性。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 2）岩石水理性质试验 岩石水理性质吸水性、渗透性以及在水作 用下某些岩石出现的膨胀和崩解现象。 坚硬岩石的吸水性和渗透性，能有效的反映微 裂隙的发育程度。岩石的吸水率能间接判断岩石材 料的耐冻性能。 含粘土矿物的岩石，由于粘土矿物的亲水性， 出现膨胀现象，最总导致岩石崩解。 膨胀量、膨胀压力和耐崩解性能可用于岩石分 类和工程类比。 （1）岩石吸水性试验 适用于不崩解的岩石 岩石吸水率试样在大气压力和室温条件下所 吸收水的质量与试样固体质量的比值。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 100 − d da a m mm ϖ a ϖ 自然吸水率，％； a m 试件自由吸水后的质量，g； d m 试样的天然质量，g。 用自由水法测定。 将试件放入水槽，先注水至试件高度的 1/4处，以后每隔2h分别注水至试件高度的 1/2和3/4处，6h后全部淹没试件 。试件在水 中自由吸水48h后，取出试件并沾去表面水分 称重。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 岩石饱和吸水率 试样在强制条件下最大吸 水量与试样固体质量的比值。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 100 − d ds s m mm ϖ s ϖ 饱和吸水率，％； s m 试件强制吸水后的质量，g； d m 试样的天然质量，g。 采用真空抽气法测定。 饱和器内的水面高于试件； 真空压力100kPa； 总抽气时间＞4h； 在大气压力下静置4h，取出并沾去表面水分 称重。 饱和系数 岩石吸水率和饱和吸水率的比值。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （2）岩石渗透试验测定岩石在水压力作用下， 水穿透空隙介质的能力，即渗透系数。 ）。渗透水头（ ）；－试样截面积（）；试样高度（ ；渗透流量（－）；（岩石渗透系数 式中 cmH cmAcmL scmQscmk AH QL k 2 3 // 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 计计 算算 机机 控控 制制 系系 统统 体体 变变 测测 量量 系系 统统 岩石高压渗透试验系统岩石高压渗透试验系统 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （3）膨胀性试验 自由膨胀率试验试样水后产生的径向和轴向 膨胀变形分别与水前试样原直径和高度的比值； 。（试样原平均直径或边长）。试样原高度（ ）；－试样径向变形（）；（试样轴向膨胀变形高度 ；径向自由膨胀率（％）－；轴向自由膨胀率（％） 式中 100100 mmDmmH mmDmmH VV D D V H H V DH DH ∆∆ ∆ ∆ 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 膨胀性试验 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 膨胀性试验 岩石侧向约束膨胀性试验在有侧限的条件 下，试样轴向受有限荷载时，水后产生的轴向变 形与试样原高度的比值； 岩石膨胀压力试验试样水后保持原形不变 时所需的压力。膨胀压力一般采取平衡加载法测 定。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 通过测试岩石的水理性质指标 了解岩石的吸水性、遇水膨胀的特性； 渗透特性； 遇水崩解性以及在低温下的冻融特性。 间接判断岩石的耐冻性能， 用于岩石分类和工程类比。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 2、土体力学性质试验 1）土体物理性质试验 含水率、密度、土粒比重、界限含水率、渗透性。 2）土力学试验 击实试验、固结试验、土的直剪强度试验、三轴压 缩强度和变形试验和土的动力性质试验等。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （1击实试验 用标准的击实方法，测定 土的密度与含水率关系，确 定土的最大干密度与最优含 水率。 轻型击实试验轻型击实试验粒径 小于5mm的粘性土。 重型击实试验重型击实试验粒径 小于20mm。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （1击实试验 击实试验可提供击实试验可提供 a、在给定的击实功条件 下，求得干密度和含水比 的关系； b、最有效的击实含水比 （在该含水比，用给定的 击实功，可得到最大干密 度）； c、土的最大干密度； 击实曲线击实曲线 粉煤灰样粉煤灰样 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （1击实试验 填土地基、路基、土堤和 土坝工程建设中； 进行填土时，常采用夯打、振 动或碾压等方法，使土压实，提供 土的强度、减小压缩性和渗透性， 保证地基和土工建筑物的稳定。 在实际工程中，需要知道在什 么样的含水量下，或什么样的压实 度下，才能将土体的工程性质改善 到满足设计要求。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （2固结试验 杠杆式高压固结仪杠杆式高压固结仪 采用单杠杆砝码施加法向力 测定试样在侧限与轴向排水条 件下的变形和压力，或孔隙比和 压力的关系及变形和时间的关系。 计算土的压缩系数、压缩模 量、固结系数、压缩指数、回弹 指数及原状土的先期固结压力。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （3 直接剪切试验 试试 验验 装装 置置 测定土的抗剪强度测定土的抗剪强度采用采用4个试个试 件，分别在不同的垂直压力下，施加件，分别在不同的垂直压力下，施加 水平剪切力进行剪切，求得破坏时的水平剪切力进行剪切，求得破坏时的 剪应力。根据库仑定律确定土的抗剪剪应力。根据库仑定律确定土的抗剪 强度参数内摩擦角和粘聚力。强度参数内摩擦角和粘聚力。 快剪；快剪； 固结快剪；固结快剪； 慢剪。慢剪。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 试验曲线试验曲线 含水含水 率对率对 抗剪抗剪 强度强度 参数参数 关系关系 曲线曲线 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 （4土三轴压缩试验 测定土的抗剪强度测定土的抗剪强度用用3 3～～4 4 个圆柱形试样，分别在不同的恒定个圆柱形试样，分别在不同的恒定 周围压力下，施加轴向压力，进行周围压力下，施加轴向压力，进行 剪切直至破坏。根据摩尔剪切直至破坏。根据摩尔- -库仑理库仑理 论，求得抗剪强度参数。论，求得抗剪强度参数。 根据排水条件的不同根据排水条件的不同 不固结不排水剪（ＵＵ）；不固结不排水剪（ＵＵ）； 固结不排水剪（ＣＵ）；固结不排水剪（ＣＵ）； 固结排水剪（ＣＤ）。固结排水剪（ＣＤ）。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 不固结不排水剪强度曲线不固结不排水剪强度曲线 不固结不排水剪（ＵＵ）不固结不排水剪（ＵＵ）在施加围压和增加轴压直至破坏在施加围压和增加轴压直至破坏 过程中均不允许试样排水，测得总抗剪强度参数。过程中均不允许试样排水，测得总抗剪强度参数。 二、岩土力学试验二、岩土力学试验 固结不排水剪强度曲线固结不排水剪强度曲线 固结不排水剪（固结不排水剪（C CＵ）Ｕ）试样先在某一围压作用下排水固试样先在某一围压作用下排水固 结，然后在保持不排水的情况下，增加轴压直至破坏。测得总结，然后在保持不排水的情况下，增加轴压直至破坏。测得总 抗剪强度参数或有效抗剪强度参数和孔隙压力系数。抗剪强度参数或有效抗剪强度参数和孔隙压力系数。 三、岩土力学试验相关问题三、岩土力学试验相关问题 1、岩土试验结果是试验样品在一定条件下的特征值岩土试验结果是试验样品在一定条件下的特征值 试验样品具有足够的代表性，能反映不同工程地 质单元，或不同风化程度岩石的性质。 2、试试验标准化是岩土试验应该遵循的一个基本准则验标准化是岩土试验应该遵循的一个基本准则 测试结果，取决于岩石性质、试样形态、测试条 件和试验环境，各种试验结果只是某种指定条件下的 特征值。 3、岩土是一种各向异性的非均质体岩土是一种各向异性的非均质体试验结果有 很大差异。选取试验参数时，需要根据不同的试验内 容，采取不同的方法处理试验结果。 三、岩土力学试验相关问题三、岩土力学试验相关问题 4、为了揭露岩石性质之间的内在联系、为了揭露岩石性质之间的内在联系在制定 试验计划时，应考虑采用同一试样测定多种物理力学 性指标。 例如，岩石的块体密度试验、单轴抗压强度试验和 单轴压缩变形试验可用同一个试件完成。利用测试结 果即可计算岩石的单轴抗压强度和变形参数弹性模量 及泊松比。这样既可以真实反映实际情况，同时可以 节约试样数量。