《工程结构》实验
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。特别是在采用各种数值计算方法评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。可是, 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(一般见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．其它设备, 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0.5～1.0MPa／s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, 一般采用先饱和试件、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。
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:
P
σ=
A
式中σ——各级应力(MPa);
P——与所测各组应变值相应的荷载(N);
A——试件截面积(mm2)。
(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:
b a ar lb la
E σσεε-=- db da
ar lb la εεμεε-=-
式中 ar E ——岩石平均弹性模量(MPa);
ar μ——岩石平均泊松比;
a σ——应力与纵向应变关系曲线上直线段始点的应力值(MPa);
b σ——应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值(MPa);
la ε——应力为a σ时的纵向应变值;
lb ε——应力为b σ时的纵向应变值;
da ε——应力为a σ时的横向应变值;
db ε——应力为b σ时的横向应变值。
2．按下式计算岩石割线弹性模量及相应的岩石泊松比:
505050
l E σε= 505050d l εμε=
式中 50E ——岩石割线弹性模量(MPa);
50μ——岩石泊松比;
50σ——相当于岩石单轴抗压强度50％时的应力值(MPa);
50l ε——应力为50σ时的纵向应变值;
50d ε——应力为50σ时的横向应变值。
(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Ⅱ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。一般按123V εεεε=++计算岩石的体积变应。体积应变, 也是岩石变形特性中的一个重要特性。特别是体积应变曲线, 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Ⅱ、 Ⅲ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。
试验二混凝土的抗压强度的快速评定( 回弹仪检测水泥混凝土强度)
一、试验原理
水泥混凝土路面的施工质量历来是困挠工程设计与管理部门的问题, 其原因之一是难以区别样本与实体的差异。传统的水泥混凝土质量检测依靠预制试件或现场钻芯, 预制试件数量有限, 钻芯却又要破坏混凝土, 因此, 这两种方法所检测的样本数总是有限的。因此, 人们需要一种简单、快速而又无破损的水泥混凝土质量检测方法。
水泥混凝土是一种刚性材料, 在瞬时外力冲击之下, 会对施力物体产生反力,
当施力物体质量与冲击时的动能一定时, 水泥混凝土对其反力的大小反映了其本身的强度。本方法即利用此原理, 使用一弹击锤, 以一定动能弹击被测水泥混凝土表面, 之后测得其回弹值。本方法适用于现场对水泥混凝土进行抗压强度的快速评定, 本方法可作为施工质量的参考, 但不能作为仲裁试验或工程验收的最终依据。
使用本方法检测的水泥混凝土厚度不得小于100mm, 检测时温度不得低于10℃。
二、试验设备
1．水泥混凝土回弹仪: 构造和主要零件名称见图, 应符合下述标准:
(1)水平弹击时, 在弹击锤脱钩的瞬间, 回弹仪的标称动能应为2.207J。
(2)弹击锤与弹击杆碰撞的瞬间, 弹击拉簧处于自由状态, 此时, 弹击锤起点应位于刻度尺的零点处。
(3)在洛氏硬度为HGC60±2的钢砧上, 回弹仪的率定值应为80±2。
2．酚酞酒精溶液, 浓度为1％。
3．手提式砂轮。
4．钢砧: 洛氏硬度HGC60±2。
5．其它: 卷尺、钢尺、凿子、锤、毛刷等。
三、试验要点
1．根据回弹仪使用说明书进行检定、保养、率定, 保证仪器精度。
2．将一块混凝土板作为一个试样, 试样选择按附录A的随机取样方法确定。每个试样测区数宜为6～10个, 并在测区表面均匀分布, 并宜避开板边板角。
3．一个测区的面积不宜小于200mm×200mm, 表面应清洁、干燥、平整, 不应有接缝及蜂窝、麻面, 当测区表面有粉刷层、饰面层、浮浆及油污等污染物时, 应用砂轮清除。每一测区应测定16点, 相邻两测点间距不宜小于3cm, 测点距路边缘或接缝的距离应大于5cm。
4．若路面为已超过3个月龄期的硬化混凝土, 应测定其表面碳化深度并进行回弹修正, 也可用砂轮将碳化层打磨掉后进行测定。
5．将回弹仪弹击杆顶住混凝土表面, 使回弹仪轴线垂直于混凝土路面, 轻压仪器, 使按钮松开, 弹击杆徐徐伸出, 并使挂钩挂上弹击锤。使回弹仪对混凝土表面缓慢均匀施压, 待弹击锤脱钩, 冲击弹击杆后, 弹击锤即带动指针向后移动至一定位置, 此位置上指针块刻度线所指即为该处回弹值。读数并记录。精确至1个单位。
6．逐渐对回弹仪减压, 使弹击杆自机壳内伸击, 挂钩挂上弹击锤, 待下一次使用。
7．碳化深度测定:
若被测混凝土龄期超过3个月, 应进行此项检测。
先在测区表面形成直径约15mm 的孔洞(深度略大于预计碳化层深度), 用毛刷净孔, 并立即用浓度为l ％的酚酞酒精溶液洒在洞壁上。用钢尺量测未变色部分深度, 此深度即为混凝土碳化深度。每次测读精确至0.5mm 。
四、 资料整理
1．每一测区回弹值共16个, 去掉三个最大值及三个最小值, 其余10个按下式计算测区平均回弹值: 10i s N N ∑=
式中 s N ——测区平均回弹值, 精确至0.1;
i N ——第i 个测点的回弹值。
2．当回弹仪进行非水平方向的测试时, 应按式下进行修正: s N N N =+? s N N N =+?
式中 N ——经非水平测定修正的测区平均回弹值; s N ——回弹仪实测的测区平均回弹值;
N ?——非水平测量的回弹修正值, 由下表查得, 表中未列的角度
用内插法求得, 准确至0.1。