1、1试验一 结构的应力应变试验（岩石的单轴压缩变形试验）一、试验基本原理岩石单轴压缩变形试验是为了测定试件在单轴压缩应力条件下的纵向应变值及横向应变值，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。当在进行岩石单轴压缩变形时，记录下应力与相应的应变值，即可得到岩石的应力一应变曲线。根据有关定义：应力应变在屈服应力以下任一点的切线斜率称为切线弹性模量；在屈服应力以下，直线段起点和终点连线的斜率被称为岩石的平均弹性模量；某一点的应力到曲线起点的连线的斜率称为岩石割线弹性模量。岩石由单轴压缩变形试验求得的弹性模量和泊松比是岩石变形特性的最基本参数。在进行各种计算时，这两个参数必不可少。尤其是在采用各种数值计算方法评
2、价岩体的稳定性和分析岩体内的应力分布时，显得更为重要。岩石的弹性模量和泊松比与岩石的单轴抗压强度一样，也将受到许多试验条件、试验环境和不同岩性的影响。但是，弹性模量和泊松比并不像岩石单轴抗压强度对这些因素那么敏感，且并不具有很明显的规律性。在实际的工程中，岩石的平均弹性模量和岩石的割线弹性模量(通常用岩石单轴抗压强度值的一半求其割线模量)以及与其各自相对应的泊松比应用最多。在某些特殊的条件下，也可按不同的应力水平确定其弹性模量和泊松比。二、试验设备1惠斯顿电桥、万用表、兆欧表。 2电阻应变仪。3其他设备，包括岩石单轴压缩试验中有关岩样加工的设备。三、试验要点(一)本节所介绍的试验方法适用于能加
3、工成形的岩石。(二)岩石单轴压缩试验所采用的试件，应满足单轴抗压强度试验中有关试件尺寸、试件加工精度等规定；且应对其进行包含相同内容的试件描述。(三)岩石单轴压缩变形试验按下述程序进行：1粘贴电阻应变片(1)在试件中部选定粘贴电阻应变片的位置，清洗试件贴片处的表面。贴片处应避开裂隙或斑晶。(2)选择电阻应变片：电阻片阻栅长度应大于岩石颗粒的 10 倍，小于试件的半径；同一试件所选定的工作片与补偿片的规格、灵敏系数等应相同，电阻值相差应不大于0.2。(3)根据试件含水状态选择粘结剂。电阻应变片应牢固地粘贴在试件表面，排净气泡和多余的胶液。(4)纵向与横向电阻应变片应粘贴在试件中部的对称位置上，纵
4、向或横向电阻应变片的数量不得少于 2 片，其绝缘电阻值应大于 200M。2将试件置于试验机承压板中心，调整球形座，使试件受力均匀。3以 0.51.0MPas 的速度加荷，逐级测读荷载与应变值直至破坏，读数不应少于10 组测值。4记录加荷过程及破坏时出现的现象，并对破坏后的试件进行描述。(四)在某些工程中，要求在进行饱和试验的同时，进行其变形特性的测试。此时，若采用粘贴电阻应变片的方法进行试验，通常采用先饱和试件、再粘贴应变片的顺序进行试验。以减少粘贴应变片后对试件饱和度的影响。2四、资料整理(一)可按岩石单轴抗压强度中的计算方法确定其强度值。(二)按下式计算各级应力：PA式中 各级应力(MPa
5、)；与所测各组应变值相应的荷载(N)；P试件截面积(mm 2)。A(三)绘制应力与纵向应变及横向应变的关系曲线。(四)变形参数计算1按下式计算岩石平均弹性模量和岩石平均泊松比： baarllEdbaarll式中 岩石平均弹性模量(MPa)；arE岩石平均泊松比；应力与纵向应变关系曲线上直线段始点的应力值(MPa)；应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值(MPa)；b应力为 时的纵向应变值；laa应力为 时的纵向应变值；b应力为 时的横向应变值；d应力为 时的横向应变值。b2按下式计算岩石割线弹性模量及相应的岩石泊松比： 50lE50dl式中 岩石割线弹性模量(MPa)；50E岩石泊松比；相
6、当于岩石单轴抗压强度 50时的应力值(MPa)；应力为 时的纵向应变值；50l50应力为 时的横向应变值。d(五)岩石弹性模量计算取三位有效数字；泊松比计算精确至 0.01。(六)单轴压缩变形试验的记录应包括工程名称、试件编号、试件描述、试件尺寸、各级荷载下的应力及纵向和横向应变值，破坏荷载。五、应用实例下图是秦山核电站期工程火山角砾岩的应力应变曲线。图中增加了一条体积应变3曲线。所谓的体积应变，是指试件体积的增量与原体积的比值。通常按 计123V算岩石的体积变应。体积应变，也是岩石变形特性中的一个重要特性。尤其是体积应变曲线，随着轴向压力的增大，将出现了反弯点。这就是所谓的扩容现象，扩容现象
7、也常被称为剪胀，这是由于外力的增大，促食盐石试件产生许多裂纹，且在达到一定应力水平后，这些裂纹不断地连接、贯通、张开，进而使试件的体积发生了不可逆的增大。下表举了秦山核电站、期工程岩石单轴压缩应力下变形试验所求得的岩石平均弹性模量和相应的泊松比。由于该地区属火山岩系，岩性不太均匀。由于含砾的多少和颗粒的大小的不同，造成了试验结果的偏差较大。试验三 超声检测混凝土强度一、超声检测混凝土强度原理和方法1.检测原理（1）混凝土波速（v）一般在 40005000km/s 之间变化。混凝土强度(f)与波速(v)之间有较好的相关性。混凝土强度越高，其波速也越快。（2）当知道 fv 之间的关系曲线后，测出结
8、构物混凝土的波速就可以推算结构物混凝土的强度。2.如何获得 fv 曲线方程？4（1）如果有获得批准的地区曲线可以采用。（2）无地区曲线或所测混凝土与地区曲线所代表的混凝土差异较大，则应专门标定制作专用曲线。地区曲线与专用曲线之间应首先采用专用曲线。3.为什么超声测强中要特别强调采用专用曲线呢？这是因为：（1）混凝土是一种用地方材料制作的产品，各地区的砂、石、水泥性能各不相同。（2）混凝土是几种材料的混合物，因使用目的及要求不同，其合成份有很大差异。（3）不同的混凝土其养护方式和含水率不同。这些差异都影响 fv 曲线。因此，很难找到一条各地区通用的 fv 曲线。4.影响 fv 曲线的的因素很多，
9、主要的有：（1）石子的品种、粒径、用量的影响混凝土的波速实际上是组成混凝土的各部分材料波速的综合值。由于混凝土中石子所占的体积最大，约 7f0 %左右，所以石子的情况对 fv 曲线影响最大。首先是石子的品种。不同的石子，其材质不同，其本身的波速就不同。因而用不同石子制作的同配合比混凝土，其波速不一样。而用不同的石子，只要水灰比相同，混凝土的强度仍然一样。这就造成不同石子的混凝土，其 fv 曲线各不相同，有的甚至差别很大。图 3-1 是陕西建筑科学研究院以同样的配合比、水灰比但不同的石子的混凝土试验得出的 fv 曲线。在同样的强度下，成都卵石混凝土波速最高。这是因为成都卵石是经水流长期冲磨剩下的
10、坚硬、致密的石头，其本身波速就很高，所以用它配制的混凝土波速很高，但混凝土强度并不一定高。杭州碎石混凝土波速最低，显然是由于杭州石灰石波速本身就不高的原因。石子的品种除指材质外，还包括碎石与卵石之分。由于碎石与水泥砂浆粘结力强以及碎石子之间的嵌固力，使得碎石混凝土的强度高于同条件下的卵石混凝土。这也就是为什么图 31 中，成都卵石混凝土强度低而波速高的另一原因。其次，石子的粒径也对 fv 曲线有影响。图 3-2 是同济大学的试验结果。从图中看到，石子粒径越大，其波速越高。另外，在强度相同情况下，单位体积混凝土的石子用量越多，其波速也越高，且石子本身波速越高，石子用量对 fv 曲线影响也越大。（
11、2）混凝土养护方式的影响不同的养护方式对 fv 曲线也形成明显的影响。图 33 是南京水利科学研究院的试验结果：在三种不同的养护方式下获得的 fv 曲线。 1 是自然养护，2 是标准养护，4.0 4.5 5.0 5.5 v（km/s） f(Mp)（403020101 2 3 4图 3-1 不同品种石子的 fv 曲线1杭州碎石；2重庆碎石；3北京碎石；4成都卵石4.5 5.0 5.5v（km/s）1 2 3图 3-3 不同养护条件下的 fv 曲线1-自然养护；2- 标准养护；3-水中养护4030201053 是水中养护。它们的 fv 曲线有明显差别。同样强度水平，混凝土的波速以水中养护的最大，标
12、准养护次之，自然养护的最小。形成这种差别的原因主要是由于不同的养护方式使混凝土的含水量不同。水中养护的混凝土，其孔隙中充满水。而自然养护的混凝土孔隙中充满气，水与空气的波速本身差别就很大，这就造成混凝土含水率高，波速也高。而含水率高的混凝土，其强度倒反而略低一些。这一来，就使 fv 曲线差别更大了。根据试验结果，混凝土含水率每增大 1%，其波速也增大 1%左右。既然影响 fv 曲线的因素很多，所以应当优先考虑使用专用曲线。5.如何获得专用曲线所谓专用曲线就是用与所要测试的结构相同的混凝土来制作一批试件，与所测结构混凝土相同条件下养护一定龄期后进行率定试验，即既测试件波速又测强度，最后通过计算获
13、得一条专用的 fv 曲线。（1）进行步骤：a.制作试件：（a）数量：3 个为一组，宜不少于 10 组。试件混凝土的原材料、配合比、振捣方法、养护条件应尽量与被测结构混凝土一致。（b）试件尺寸：立方试件，边长应大于混凝土最大骨料粒径的三倍。通常使用 15cm立方体试件。（c）试件养护和龄期：试件按所测结构相同的条件进行养护。试件龄期可以是一种龄期（各组试件水灰比有变化） ，例如 28 天；也可以在不同龄期（7、14、28 天）进行测试。其目的是为了拉开混凝土强度的变化范围。b.试件测试：首先测试试件波速再将试件进行抗压强度试验。将各个试件的测试结果强度、波速测值点绘在坐标图上并连出一条 fv 曲
14、线，这就是散点图。c.回归分析：为了获得最优的曲线及该曲线的数学表达式，即曲线方程，还应当采用最小二乘法进行回归分析。回归分析分几个步骤：（a）选择曲线线型进行回归分析前首先应选择合适的曲线型式。下面三种曲线型式均适合于 fv 曲线：平方抛物线，表达式为： f=a+bv+cv2幂函数，表达式为： f=avb指数函数，表达式为： f=aebv式中 a、b、c 为待定系数，即回归系数。因为幂函数、指数函数作最小二乘法运算时可通过取对数的方法化曲线相关为直线相关，计算起来简便，故目前多采用。（b）选定曲线线型后，下面就是计算回归系数。f(km/s)50403020103.7 3.9 4.1 4.3
15、4.5 4.7 4.9 v（km/s）1 2 3 4图 3-2 不同石子粒径的 fv 曲线1-515mm；2-530mm；3-540mm；4-2540mm6首先，看看最基本的一元直线回归：一元直线方程的一般形式为：y=A+Bx (31)根据最小二乘法原则，可推导出直线方程待定系数 A、B 的公式为：B= (32)LxyXA= -B (33)i_i式中 lxx= (34)xnii221()lyy= (35)yiilxy= (36)xyiii、 分别为观测值 xI、y i 的算术平均值yi_xin 为试件个数。（c）化曲线回归为直线回归：由于 f 与 v 之间不是直线相关而是曲线相关，故不能直接利
16、用上述公式。但是幂函数、指数函数可以通过取对数化成直线方程形式。对于幂函数：f=avb， 方程式两边取对数， 得：lnf=lna+blnv （37)令 lnf=y，lna=A，b=B ，lnv=x ，这些为定义式 (38)将定义式代入(37)则(37)式也可化为直线方程形式，y=A+Bx 再代入(32)、(33) 式即可求得系数 B和 A。再代入定义式(38) 即可求得 a、b 值。同样，对于指数函数也可用上述方法处理。为了检验二个相关量彼此相关的程度，还应计算一个叫做相关系数 r 的值。在直线相关中：r= (39)lxy对于曲线相关，则不能采用相关系数 r 来衡量其相关性，而应使用另一种称为
17、相关指数的值 R2 来衡量曲线拟和的效果。R 2 按下式计算：R2= (310)12()_yicii式中 yi 试件强度实测值7试件强度计算值，即以实测的波速 xi 代入所求得方程式计算出的强度值。yc各试件强度实测值的算术平均值。i_r 或 R2 越大，则说明拟合的曲线效果越好。为了对用拟合的曲线计算的强度可能产生的误差有一个估计，还要引出一个参数相对标准差 er：er= (3-11)()ynic10%2式中 n 试件个数。规范规定：对于地区曲线，e r 14%对于专用曲线，e r 12%回归分析计算可用计算机编程进行，也可用有回归统计功能的计算器列表计算。我们现在有了一个合用的 fv 曲线
18、，是不是马上就可以推算结构混凝土的强度呢？我们说，还有些问题需要解决。6. 现场超声测试中的问题及修正方法大家知道，我们率定 fv 曲线时，我们是在边长 15cm 的立方体试件上测试波速，它与在构件上测试波速是有差别的。这些差别是：（1）实体构件尺寸大，即超声测距大；（2）实体构件内大多有钢筋；（3）测试实体构件与试件时，所用的换能器频率可能不一样。通过大量研究发现，构件与试件的这些差别有时会导致二者所测波速不同。现在让我们来逐个地加以讨论。这就是：a.测距对波速测值的影响随着测距增大，所测波速会减小。本来，一种介质的波速是一定的，不应随尺寸大小而变。但问题在于，用我们目前的超声仪来测定时，随
19、着测距的增加，所测得的波速值确实会减小。为了弄清这个问题，南京水利科学研与洲坝工程局合作进行了大规模的试验。制作了不同强度等级的大型混凝土阶梯型试件(图 3-4)。试件混凝土尽可能均匀一致。从二个方向一级一级地测试混凝土的波速。这样就获得了在不同测距（从 15cm600cm)下混凝土波速的变化情况，如图 3-5 所示。从图中可以看到，三种等级的混凝土，随着测距增加，所测波速都逐渐减小。减小的趋势是：测距短时减小快，而测距增大后，这种减小趋势也变缓。在测试波速的同时也测量了接收波主频率。结果发现，随着测距的增加，接收波的主频率也变小，且变小的趋势与波速变小的趋势600cm600cm图 3-4 测
20、试阶梯状大试件 8一致。超声脉冲波随着传播距离增加将逐渐衰减，而其中高频分量又比低频分量更容易衰减，所以随着测距增加接收波的主频率也随之下降。超声脉冲波主频率的下降正是引起所测波速下降的根本原因。为了使在实体结构上测得的波速与在15cm 试件上测得的波速一致，根据上述试验结果制作了不同测距波速修正表。表中以15cm 测距为准，凡测距大于 15cm 者，可将测得的波速乘上表中的修正系数。中间测距可用内插修正。不同测距波速修正表 表 3-1b 钢筋对波速测量的影响为什么钢筋对混凝土波速测量有影响？道理很简单，声波在钢中传播速度比混凝土快。钢的传播速度 5900 m/s；混凝土的传播速度 4000m
21、/s5000m/s。由于测定声时时，我们总是以首先到达的波来计时，所以当在声波的传播路径上遇到钢筋时，有时会使所测波速增大。现在谈谈钢筋是如何影响，影响的大小及如何避免。钢筋的影响分两种情况：v km/s5.04.50 1 2 3 4 5 6213d（m）图 3-5 波速 测距关系图图 3-5 声速测距关系图1-350 号；2-250 号；3-150 号测距 cm 15 50 100 200 300 400 500修正系数 1 1.003 1.015 1.023 1.027 1.030 1.031图 3-6 垂直钢筋的影响图 3-7 平行钢筋的影响DBCLd A9（1） 垂直钢筋的影响。一些构
22、件，如梁，上下有成排的主筋（图 3-6） 。如果我们测量梁的混凝土波速时，换能器正好对准钢筋，这时，声波穿钢筋而过，将使所测波速略有提高。随钢筋排列的密度不同波速会增大 1%5%。这时，您只需要将换能器向上移开钢筋35cm，这种影响就没有了。（2）平行钢筋的影响有时也会遇到钢筋的方向正好与声波的传播方向平行，如图 3-7。当发射换能器 A 发出一束超声波，其中一部分在混凝土中传播，直接由 A 到达 D。同时，也有一部分超声波从 A 出发，斜向传播到钢筋上的 B 点，然后沿着钢筋以较快的速度传播到 C 点，再从 C到达接收换能器 D。如果 A、D 换能器离开钢筋的距离 d 小到一定程度，那么完全
23、有可能声波经折线 ABBCCD 传播的时间还短于经 AD 直接传播的时间。这时，我们仍然以测距 L 来计算波速，结果计算出的波速就高于混凝土真正的波速。通过数学推导并经试验证实，当知道换能器距钢筋的距离 d 及声波在钢筋中的波速，我们也是可以计算出声波在混凝土中的 AB、CD 段的波速。但最方便和最稳妥的作法是在选定测点时，使换能器连线与钢筋离开一定距离。这应离开的最小距离 dmin 是可以计算的。作为大致估计，d min 为测距 L 的 1/61/8。这样就可完全不受钢筋的影了。混凝土结构中大都有钢筋，那么是不是一听到说有钢筋，就没办法测量呢？完全不是这么回事。根据上面的讨论我们可以归纳出关
24、于钢筋影响的几点结论：a.对于垂直于测试方向的钢筋这是常遇到的，例如柱、墩、墙体的主筋。虽然可能纵横都有，但都与测试方向垂直，完全可以不去管它。仅仅象梁的底部、顶部有成排的主筋，因为密集，会显出一些影响。但避开也很简单：将测点移开 35cm 就行了。b.对于平行于测试方向的筋真正遇到这种情况的不多，只是在结构变断面或机械安装的局部区域碰到。这时通常考虑避开。避开的最小距离为测距的 1/81/6 。c.箍筋的情况梁、柱一类结构有许多箍筋，往往平行于测试方向，似乎有影响。但是，这里有个有趣的问题，就是钢筋的声传播速度。我们说钢的传播速度是 5940m/s，那是指在半无限大介质中的速度。当声波沿着钢
25、筋传播时，边界条件变了，声波是近似在杆件中传播，速度变小。南京水利科学研究院实测了的钢筋波速。结果发现，钢筋越细，波速越小。6mm 的钢筋波速甚至低于一般混凝土的波速。所以箍筋的问题一般可不予考虑。c.换能器频率的影响。我们在率定 fv 曲线时是测量试件，所用换能器频率较高，而实测结构时由于测距大，有时用的换能器频率较低，这将造成测试条件和结果的不一致。为使二者测试结果一致，我们建议：(1)如果实测距离在 1m 以内，如梁、板、柱，则率定试件时用的什么频率换能器(例如50100kHz)，实体测试也用它。(2)50kHz 换能器通用性较强，可用来测试试件，实体测试中也可达 23m 的测距。(3)
26、当实体结构尺寸较大，例如 45m 以上，需要采用较低频的换能器时，宜在试件上比较二种换能器测值的差异，以修正测试结果。6.现场测试按照规范要求，在结构表面按一定间距画出测区（2020cm） 。每个测区测试 3 点的波速，取其平均值作为测区混凝土波速值。将波速值按前述有关项目进行修正后，即可按10fv 曲线换算出测区强度值。7.综合法测强综合法测强就是在测区上既进行回弹法测试又进行超声法测试，以回弹值和波速值两项参数与混凝土强度建立关系，推算混凝土强度。综合法测强繁琐一些，但它可以综合回弹法与超声法二者的优点。这是中国工程标准化委员会标准：超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程以综合法测强时，和超
27、声法一样，先布置测区。所不同的是，测试时，先在测区相对两面，每面用回弹仪弹击 8 点，两面共 16 点。然后再进行超声测试。根据各测区回弹、超声测值(R、v)按混凝土强度（f ）与 R、v 间相关关系计算各个测区混凝土强度换算值 fi。综合法相关关系一般式为：f =avbRc式中 a、b、c 回归系数，即待定系数（1）关于综合法测强曲线综合法规程规定：a.应根据原材料品种、龄期和养护条件等，通过专门试验建立专用曲线。b.如无条件建立专用曲线，可采用经过批准的地区曲线。c.当无上述二类曲线时，经过验证后可采用规程中列出的通用曲线。通用曲线方程如下：粗骨料为卵石时：fecu=0.0038（v i）
28、 1.23（R i） 1.97 （3-14）粗骨料为碎石时：fecu=0.008（v i） 1.72（R i） 1.57 式中 （3-15）式中 fecu 测区混凝土强度换算值vI 测区波速值Ri 测区回弹值综合法规程中已将上述相关曲线制成了测区强度换算表供直接查用。规范规定：要使用通用曲线须通过验证。验证方法是用当地或该工程常用的材料制作一批试件( 每个强度等级 3 组） ，进行综合法测定和强度试验以验证通用曲线的是否可用 。有时也可通过取样试件或取芯试件试验结果来修正所用曲线。综合法测强专用曲线的制定与超声法专用曲线的制定类似。所不同的是试件除了要测量波速外还要测量回弹值（最好还要测量混凝土碳化层厚度） ，以波速、回弹值和碳化层厚度值与混凝土强度值建立关系，进行回归分析。这时应是二元或三元曲线回归。计算方法这里不再详述，大家可参见综合法测强规程及有关书籍。这里列出江苏省超声回弹综合法曲线公式供参考：fecu=0.00134（v i） 3.853（R i） 1.16610-0.00418L （3-
