【正文】 或石膏凝固后，翻轉(zhuǎn)模具180 度（連同試樣一起） ，以便澆注上模。兩模具的間隙 6～10mm，即注意不要把弱面澆注在水泥或石膏中。待水泥或石膏養(yǎng)護(hù) 3～4 周后，即可用來做試驗(yàn)（見圖 16） 。圖 16 弱面試件制備示意圖 試樣描述重點(diǎn)描述結(jié)構(gòu)面的充填物質(zhì)，充填程度以及取樣和制樣過程的擾動情況；另要描述結(jié)構(gòu)面的起伏、粗糙度。 主要儀器設(shè)備（1 ）制備試樣設(shè)備：模具，灰鏟，搗棒等。（2 ）巖石弱面直剪儀，包括法向恒壓和剪切向加載設(shè)備。（3 ）測量、記錄設(shè)備，包括游標(biāo)卡尺、測量法向和剪切位移的測微表或位移傳感器、函數(shù)記錄儀等。 試驗(yàn)程序（1 ）試驗(yàn)裝置如圖 17 所示，將試樣置于巖石弱面直剪儀上，安裝測法向和剪切向位移的儀表。弱面試件水泥澆筑試件水泥澆筑試件巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書39圖 17 弱面剪切試驗(yàn)示意圖（2 ）選擇法向應(yīng)力，除充填夾泥的結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)外，一般應(yīng)大于或等于設(shè)計(jì)應(yīng)力，對于充填夾泥的結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)，法向應(yīng)力的選擇，以不擠出夾泥為原則。（3 ）按試驗(yàn)要求施加第一級法向應(yīng)力，剪斷捆綁試樣的繩索，當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到一預(yù)定的值后，再施加剪力向載荷，并注意剪切過程中通過伺服系統(tǒng)控制法向應(yīng)力的恒定和穩(wěn)定性。（4 ）控制剪力向載荷的加載速度，試樣相對位移每分鐘不超過 2mm，每位移～ 記錄一次相應(yīng)的剪應(yīng)力值和法向位移量（如用位移傳感器、函數(shù)記錄儀等可連續(xù)記錄） ，當(dāng)隨剪位移增加而剪應(yīng)力降至近似某一常數(shù)值時(shí)（或剪力向總位移量超過15～ 20mm 時(shí)） ，本次摩擦即可停止。（5 ）先卸掉剪力向載荷，再卸掉法向力載荷，推試樣復(fù)原位，施加第二級法向應(yīng)力，開始第二次摩擦。一般情況下，法向應(yīng)力需施加 3～5 級，每變一次法向應(yīng)力，進(jìn)行一次摩擦。（6 ）摩擦完畢，拆除儀表，取出試樣測量其摩擦面積，測定剪切面的起伏差。對于充填夾泥的試樣，要記述夾泥的性質(zhì)、厚度、組織結(jié)構(gòu)，并取樣測定其含水量、容重、流塑性和顆粒分析、礦物鑒定等。 成果整理和計(jì)算（1 ）按下式計(jì)算各級法向載荷下的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力 AP??Q?式中：——作用于剪切面上的總法向載荷（含施加的載荷，設(shè)備、試樣重量） （N） ；P巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書40——作用于剪切面上的法向應(yīng)力（MPa） ；?——剪切面積（mm 2） ；A——作用于剪切面上的剪向應(yīng)力（MPa） ；?——作用于剪切面上的剪切載荷（Ｎ） 。Q0501001502002503003500 2 4 6 8 10D（ mm）τ (KPa)σ =200Kpaσ =400Kpaσ =600Kpaσ =800Kpa圖 18 剪應(yīng)力與剪位移（? ～D ）關(guān)系曲線圖（２）繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力與剪位移（?～D）關(guān)系曲線（如圖 18 所示） ，根據(jù)（?～ D）曲線取每次摩擦的峰值做剪應(yīng)力與法向應(yīng)力（? ～?）關(guān)系曲線（如圖 19 所示） ，從而圖解求的巖石弱面的摩擦角?，粘聚力Ｃ。0501001502002503003504004505000 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500σ （ KPa）τ (KPa)圖 19 剪應(yīng)力與法向應(yīng)力（?～?）關(guān)系曲線圖（３）修正爬坡角，可根據(jù)法向位移和剪切位移的比值，對圖解出的?進(jìn)行修正，如爬坡，則? j＝? —i；反之，? j＝?＋i式中：i——巖石弱面起伏角；巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書41?j——修正后的弱面摩擦角（度） ；?——修正前圖解出的弱面摩擦角（度） 。十三、點(diǎn)載荷指數(shù)的測定 概述巖石的點(diǎn)載荷指數(shù)，可換算成抗拉或抗壓強(qiáng)度。由于測點(diǎn)載荷指數(shù)的設(shè)備輕巧，便于現(xiàn)場工作，試驗(yàn)成本低廉、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，所以此法精度雖然較常規(guī)試驗(yàn)低，但仍有其使用價(jià)值。尤其對于嚴(yán)重風(fēng)化的低強(qiáng)度巖石，易于測出點(diǎn)載荷指數(shù)，此法更有實(shí)際意義。 試樣備制巖石點(diǎn)載荷指數(shù)試驗(yàn)（如圖 20 所示） ，試樣有圓柱形或不規(guī)則形兩種，前者加載有軸向與徑向兩種，而以徑向加載常用，其加載點(diǎn)離自由端的距離，不應(yīng)小于試樣直徑的 倍。不規(guī)則形須將試樣修整成橢圓型或卵狀。為保證數(shù)據(jù)的精度，圓柱形試樣一般不少于10 件，不規(guī)則形不少于 15 件。圖 20 巖石點(diǎn)載荷指數(shù)測定示意圖（a）徑向加載 （b）軸向加載 （c）不規(guī)則試樣加載 設(shè)備儀器點(diǎn)載荷儀（如圖 21） ，游標(biāo)卡尺等。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書42圖 21 點(diǎn)荷載試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)方法將試樣放在點(diǎn)載荷儀的兩壓頭之間，啟動油泵加載，直到試樣斷裂為止，同時(shí)記錄下巖石斷裂時(shí)的載荷。巖石斷裂面經(jīng)過兩壓點(diǎn)處，試驗(yàn)有效。如果巖石斷裂面未經(jīng)過兩壓點(diǎn)處或壓頭陷入巖石中，則認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理（1 ）點(diǎn)載荷指數(shù)按下式計(jì)算 2DPIs?式中：——點(diǎn)載荷指數(shù)（Mpa） ；sI——試樣斷裂載荷（N） ；P——上下壓頭間距（mm） 。D（2 ）點(diǎn)載荷指數(shù)和抗拉強(qiáng)度? T 的關(guān)系如下： stIk??1?式中： 為比例系數(shù)，對于巖心試樣， = ，球形試樣， = ，不規(guī)則樣，1k 1k = ～。1（3 ）點(diǎn)載荷指數(shù)和抗壓強(qiáng)度? c 的關(guān)系如下： sIk??2?加載架千斤頂數(shù)顯表頭巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書43式中：比例系數(shù) 和試樣尺寸有關(guān)，當(dāng) 等于 550 、4和 時(shí)， 相2kD2k應(yīng)的等于 2 、21 和 18。十四、巖石縱波速度測定 概述彈性波在介質(zhì)中的傳播速度與其致密程度有關(guān)，一般情況下，完整巖塊的縱波速度大于存有各種結(jié)構(gòu)面的巖體縱波速度。測定縱波在巖石試樣中的傳播速度，一般利用柱形試樣，試樣端部磨平，探頭與試樣之間用黃油或凡士林偶合，在其一端用發(fā)射探頭向巖石發(fā)射脈沖信號，在另一端接收這個(gè)信號，以所經(jīng)歷的時(shí)間除試樣長度，便得縱波速度。圖 22 巖石超聲波試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理（1 ）按下式計(jì)算縱波速： 310???optLV式中：——巖石試樣中的縱波速度（m/s） ；pV——巖石試樣長度，即發(fā)射和接收探頭之間的距離（mm） ；L——由起始訊號到初至波的時(shí)間（?s） ；pt巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書44——儀器的對零讀數(shù)，即發(fā)射和接收探頭直接偶合時(shí)起始訊號到初至波的時(shí)間讀值ot（? s） 。（2 ）按下式計(jì)算巖石的動彈性模量： 3210???pVE?動式中：——巖石的動彈性模量（Mpa）。動E——巖石的縱波速度（m/s） ；pV——巖石容重（g/cm 3） ；?十五、巖石力學(xué)伺服控制剛性試驗(yàn) 概述普通的力學(xué)試驗(yàn)機(jī)是由加載架、液壓系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，長期以來大多數(shù)巖塊的變形與強(qiáng)度性質(zhì)的試驗(yàn)都靠普通試驗(yàn)機(jī)來完成。但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)達(dá)到巖石峰值強(qiáng)度的瞬間，往往會發(fā)生巖石試件“爆裂”現(xiàn)象，以至于很難測得接近或達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，更無法獲得峰值以后的信息。巖石試件發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象主要是：1）試驗(yàn)機(jī)的剛度比巖石試件的剛度?。?2）當(dāng)巖石發(fā)生破裂承載力下降時(shí)試驗(yàn)機(jī)不能主動“讓壓” 。目前巖石力學(xué)試驗(yàn)克服巖石試件發(fā)生“爆裂”的途徑是：1）提高試驗(yàn)機(jī)的剛度；2 ）伺服控制試件的變形。 伺服控制剛性試驗(yàn)剛度是指材料抵抗外力變形的能力： LEAlPK??式中：——材料剛度；（MN/mm）K——外力， （Ｎ） ；P——位移， （mm） ；l?——材料彈性模量， （MPa） ；E——材料有效面積， （mm 2） ；A巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書45——材料有效長度， （mm） 。L一般巖石的剛度都大于 ，而普通的試驗(yàn)機(jī)的剛度只有 － MN/mm，在加載過程中，試驗(yàn)機(jī)和試件都儲存彈性勢能：試驗(yàn)機(jī)的彈性勢能： mmKPuE21?巖石試件的彈性勢能： rrr2在普通試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)時(shí)可以看出 ＞ ，在巖石試件破裂的瞬間，巖mEr石試件的承載能力降低，同時(shí)其彈性勢能也伴隨裂紋的擴(kuò)張、聲響、震動和熱能而消耗掉；但試驗(yàn)機(jī)的彈性勢能并沒有消散，它會完全釋放給巖石試件，那么使得巖石試件吸收比自身的彈性勢能大出很多倍的勢能，使得巖石試件不能承受這么大的彈性勢能，因此發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象。如果提高試驗(yàn)機(jī)的剛度，即 ，那么試驗(yàn)機(jī)在加載的過程中自身儲存的彈性勢??mK能就很小，即 ，在巖石試件破裂的瞬間，試驗(yàn)機(jī)不會釋放彈性021lili???mKPE勢能或釋放很少的彈性勢能給巖石試件，這時(shí)巖石試件就不會發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象。圖 23 電液伺服控制系統(tǒng)示意圖電液伺服控制系統(tǒng)其控制方式如圖 23：由自控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，在伺服控制器中與油缸的實(shí)際位置信號相比較，成為誤差的信號放大后，送入電液伺服閥。伺服閥按一定的比例將電流信號轉(zhuǎn)變成液壓油量推動油缸運(yùn)動。位置傳感器監(jiān)測活塞所在位置是否符合指令信號，同時(shí)發(fā)出的反饋信號到伺服控制器，直至于指令信號相等時(shí)，油缸停止運(yùn)動。油缸停在指定的位置上，使伺服閥穩(wěn)定在一定的開度上，這種控制方式稱為閉環(huán)控制方式巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書46（Closed loop） 。在巖石力學(xué)試驗(yàn)過程中，當(dāng)巖石試件反饋的變形速率信號與預(yù)定的的信號不一致的時(shí)候，伺服控制器會產(chǎn)生相應(yīng)的比較信號，推動伺服閥動作，加大或是減小加載裝置的油源供給量，使巖石試件的變形速率始終控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。當(dāng)巖石試件發(fā)生破裂的瞬間，其承載能力減低，變形速率加大，這時(shí)伺服控制器會主動閉合伺服閥門，減少油源的供給量，起到主動“讓壓”的作用，使得巖石試件克服“爆裂”現(xiàn)象，因此能夠得出巖石試件峰值以及峰值以后的變形信息（見圖 24） 。圖中階段 A 為微裂隙與孔隙閉合，非線性變形；階段 B 為可恢復(fù)彈性變形；階段 C 是微裂隙處于單個(gè)穩(wěn)定傳播階段，在該階段，巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，巖石體積不變的點(diǎn)所對應(yīng)的強(qiáng)度稱為長期強(qiáng)度 ，其值大約為峰值強(qiáng)度的 80％左右，從圖中可以看出在該點(diǎn)曲線的切線斜率發(fā)生了改變；階段 D 是破裂事件加速增加，體積變化也加速增加，開始發(fā)生擴(kuò)容，形成拉伸或剪切破壞面的階段。從圖中可以得出，B、C 階段應(yīng)力應(yīng)變曲線近似直線，當(dāng)巖石試件的強(qiáng)度達(dá)到長期強(qiáng)度時(shí)，巖石開始發(fā)生擴(kuò)容，從曲線上可以看出其切線（割線）模量發(fā)生了變化，隨著時(shí)間增加其切線模量逐漸變小，當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，其切線模量為零。 圖 24　巖石三軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變圖目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)的廠家有很多，如美國 MTS 公司、日本島津公司以及長春朝陽試驗(yàn)機(jī)有限公司。北京科技大學(xué)土木與環(huán)境學(xué)院引進(jìn)了長春朝陽試驗(yàn)機(jī)有限公司的兩臺套電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)和電液伺服剛性壓力試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)的剛度可達(dá) 10MN/mm，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、變形、位移、圍壓、水壓等伺服控制。巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書47圖 25　電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)和電液伺服剛性壓力試驗(yàn)機(jī)十六、巖石聲發(fā)射試驗(yàn) 概述材料或結(jié)構(gòu)受力作用時(shí)會發(fā)生變形或斷裂，其以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission，AE)。同其他材料一樣，受力的巖石因儲存在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變能的釋放而誘發(fā)產(chǎn)生脈沖，這種脈沖以彈性波的形式出現(xiàn)，一個(gè)聲發(fā)射信號可定義為一個(gè)瞬態(tài)彈性波。此現(xiàn)象早在 1937 年就由美國礦山局的 L. Obert 和 W. Duvall 發(fā)現(xiàn)，并于1940 年在阿米克銅礦監(jiān)測到爆發(fā)性聲發(fā)射，預(yù)報(bào)巖爆的來臨。此后，聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬礦山、煤礦及隧道工程的巖體穩(wěn)定性與安全性問題的監(jiān)測與預(yù)報(bào)，并逐漸擴(kuò)大到邊坡穩(wěn)定等領(lǐng)域。巖石聲發(fā)射作為巖石破壞過程中的一種伴生現(xiàn)象，蘊(yùn)含著巖石內(nèi)部破壞過程的許多信息。聲發(fā)射方法作為巖石微裂紋及擴(kuò)展的預(yù)報(bào)手段，監(jiān)視巖石或巖體破壞的發(fā)生及地震預(yù)報(bào)具有重要價(jià)值 巖石聲發(fā)射試驗(yàn) 巖石聲發(fā)射試驗(yàn)裝置巖石聲發(fā)射試驗(yàn)裝置是由巖石力學(xué)試驗(yàn)加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成，在試驗(yàn)中，將聲發(fā)射探頭涂耦合劑固定于巖石試件表面，然后將試件置于試驗(yàn)機(jī)的加載板上。調(diào)整試驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的初始時(shí)間為零，然后開始加載，同時(shí)記錄其聲發(fā)射信號。圖 26　聲發(fā)射試驗(yàn)裝置示意圖 巖石聲發(fā)射試驗(yàn)當(dāng)巖石受力變形時(shí),巖石中原有的或新產(chǎn)生的裂隙周圍應(yīng)力集中,應(yīng)變能較高。當(dāng)外力增加到一定大小時(shí),有裂縫缺陷部位會發(fā)生微觀屈服或變形,裂縫擴(kuò)展,從而使得應(yīng)力松弛,貯藏的部分能量將以彈性波的形式釋放出來,這就是聲發(fā)射現(xiàn)象。由此可知,聲發(fā)射是在巖石受巖 石 力 學(xué) 試 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書48力和發(fā)生變形過程中產(chǎn)生的,可以根據(jù)巖石聲發(fā)射的多少、大小、頻率等參數(shù)了解到巖石的變形破壞過程。巖石的聲發(fā)射特性與其變形過程有很多內(nèi)在聯(lián)系（見圖 27）,在巖石的聲發(fā)射特性與應(yīng)力——應(yīng)變?nèi)^程曲線模型中蘊(yùn)含有大量的信息，可以得到很多有價(jià)值的科學(xué)結(jié)論。01020304050600 1 移 應(yīng) 變 （ %）應(yīng)力（MPa）振鈴計(jì)數(shù)率（1000）應(yīng) 力 應(yīng) 變 曲 線振 鈴 計(jì) 數(shù) 率 應(yīng) 變 曲 線圖 27 應(yīng)力/振鈴計(jì)數(shù)率與應(yīng)變的關(guān)系曲線