模拟现场错动带结构和应力状态的室内真三轴试验方法与流程
本发明涉及一种试验方法，具体是模拟现场错动带结构和应力状态的室内真三轴试验方法。
背景技术：
历史上曾发生了多起因大坝坝基岩体含错动带而导致的垮坝事故，国内外众多学者针对水电站大坝坝基错动带的力学特性进行了研究，发现了错动带具有有别于一般岩、土体的特点：1)由于形成条件的复杂，错动带的成分、结构、构造在空间上分布是极不均匀的；2)错动带厚度一般很薄，呈两个坚硬厚层中夹极薄软层的模式，其力学特性不仅受软层本身及岩壁的影响，而且取决于软层和岩壁的组构效应以及应力卸荷水平。
因这些错动带所处的工程地质条件和力学环境的特殊性，研究者们主要采用剪切试验对其力学特性进行研究，所依托的工程背景主要为浅部岩体工程(如边坡工程、坝基岩体工程等)。最近，针对2-4m左右的试验洞、探洞等，也开展了错动带与含错动带地层的现场承压板、剪切、强度试验和变形、声波等观测。然而，这些研究获得的错动带变形破坏机制的研究成果，要么是基于较低的常法向荷载水平(＜2.0mpa)下的直剪试验和剪切蠕变试验获得的，要么现场试验是基于小规模工程所进行的，并不能反映高应力、真三轴卸荷作用下错动带的变形破坏机制。因此，有必要发明一种可以反映错动带天然结构、制样方便、符合现场开挖卸荷应力路径的错动带室内真三轴试验方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种模拟现场错动带结构和应力状态的室内真三轴试验方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种模拟现场错动带结构和应力状态的室内真三轴试验方法，包括错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法、错动带的真三轴强度试验方法、错动带的真三轴加卸载试验方法和组合体的真三轴试验方法；
所述错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法，具体步骤如下：
(1)将错动带原状样用橡皮锤敲成碎块，拌合均匀，分别取500g和800g进行比重和颗粒分析，以获得颗粒比重和错动带的全级配曲线和黏粒含量；将错动带分别过孔径为0.075mm、0.10mm、0.25mm、0.50mm、1mm、2mm、5mm、10mm和50mm的试验筛，获得不同的粒组，选定土样中颗粒最大粒径为5mm，并按剔除法配置错动带样并拌合均匀：
pi＝poi/(100-pdmax)公式(1)
式中，pi为剔除后某粒组含量；pdmax为超粒径颗粒含量；poi为原级配某粒组含量；
(2)将各类调制好的达塑限的错动带重塑样分层装入压力容器中，在容器外部注水使其处于饱水状态，然后逐渐加压观测其压缩变形值，直至达预定荷载且变形稳定后，取出测定其物理性质，并与错动带原状样比较，当上述指标和结构类型接近时，认为两者物理力学性质接近；进行固结试验，试样在各级压力下的固结时间为1h，试验中仅测记该级荷载下1h的量表读数；如此逐级加载直至达最后预定荷载，并持续保持该荷载至试样达变形稳定；试验所采用的分级荷载分别为0.1mpa、0.2mpa、0.4mpa、0.8mpa、1.6mpa、3.2mpa、6.4mpa和12.8mpa；
(3)固结试验制样设备是圆筒形容器或方管加压容器；
所述错动带的真三轴强度试验方法，具体步骤如下：
(4)将试样各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(5)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(6)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结；
(7)σ3保持不变，按比例b增加σ1和σ2直至错动带试样破坏，试验过程中对应力、应变的数据全程数据采集；
(8)试验结束后取下试样，描述破坏后形状，测量破坏面倾角；对破坏试样进行颗粒分析；
(9)依次取σ3＝3mpa、6mpa、12mpa和15mpa，重复步骤(4)-(8)，获得该最小主应力条件下的错动带真三轴强度和粒径分布曲线；
所述错动带的真三轴加卸载试验方法，具体步骤如下：
(10)研究错动带在开挖过程中的变形破坏情况，将试样各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(11)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(12)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结；
(13)σ3保持不变，σ1和σ2分别增大至16mpa和14mpa；
(14)σ1和σ3分别按0.0233mpa/min和0.01mpa/min加载，σ2按0.0467mpa/min卸载至0，直至错动带试样破坏；试验过程中对应力、应变等数据全程数据采集；
(15)试验结束后取下试样，描述破坏后形状测量破坏面倾角；对破坏试样进行颗粒分析，获取其粒径分布曲线；
所述组合体的真三轴试验方法，具体步骤如下：
(16)研究组合体在开挖过程中的变形破坏情况，将试样中错动带的各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(17)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(18)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结；
(19)σ3保持不变，σ1和σ2分别增大至16mpa和14mpa；
(20)σ1和σ3分别按0.0233mpa/min和0.01mpa/min加载，σ2按0.0467mpa/min卸载至0，直至错动带试样破坏；试验过程中对应力、应变等数据全程数据采集；
(21)试验结束后取下试样，描述破坏后形状；对破坏试样中的错动带进行颗粒分析，获取其粒径分布曲线。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(2)中测定其物理性质包括获取干密度和孔隙比，通过电镜扫描观察其微观结构。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(3)中圆筒形容器的内径50mm，方管加压容器管边长为50mm，圆筒形容器或方管加压容器的高度均为两块10mm垫板高度与100mm试样高度及预留固结压缩高度之和。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(7)中
作为本发明进一步的方案：所述错动带的真三轴加卸载试验方法，具体步骤如下：
(100)研究错动带在开挖及支护过程中的变形破坏情况，将试样各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(110)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(120)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结)
(130)分别增大σ1和σ2至16mpa和14mpa；σ3保持不变；
(140)σ1和σ3分别按0.0233mpa/min和0.01mpa/min加载，σ2按0.07mpa/min卸载至0而后又以0.01mpa/min增加，直至错动带试样破坏；试验过程中对应力、应变等数据全程数据采集；
(150)试验结束后取下试样，描述破坏后形状测量破坏面倾角；对破坏试样进行颗粒分析，获取其粒径分布曲线。
作为本发明再进一步的方案：所述组合体的真三轴试验方法，具体步骤如下：
(160)研究组合体在开挖及支护过程中的变形破坏情况，将试样中错动带的各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(170)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(180)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结；
(190)分别增大σ1和σ2至16mpa和14mpa；σ3保持不变；
(200)σ1和σ3分别按0.0233mpa/min和0.01mpa/min加载，σ2按0.07mpa/min卸载至0而后又以0.01mpa/min增加，直至组合体试样破坏；试验过程中对应力、应变等数据全程数据采集；
(210)试验结束后取下试样，描述破坏后形状；对破坏试样中的错动带进行颗粒分析，获取其粒径分布曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够获得与现场错动带组构特征相似、筛除大颗粒影响的错动带室内重塑样，能够采用它进行室内力学试验，研究错动带的真三轴强度和变形特性，研究中间主应力对强度的影响，建立了适用于错动带的多轴强度准则，研究了错动带在开挖过程及支护过程中的变形破坏特征。
附图说明
图1为本发明错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法中错动带2500倍垂直层面方向的结构示意图。
图2为本发明错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法中错动带4000倍平行层面方向的结构示意图。
图3为本发明错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法中圆筒形容器的结构示意图。
图4为本发明错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法中圆筒形容器的俯视图。
图5本发明错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法中方管加压容器的结构示意图。
图6本发明错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法中方管加压容器的俯视图。
图7为本发明错动带的真三轴强度试验方法中错动带的真三轴加载示意图。
图8为本发明错动带的真三轴强度试验方法中错动带真三轴强度试验应力路径示意图。
图9为本发明错动带的真三轴加卸载试验方法中卸荷的应力路径示意图。
图10为本发明错动带的真三轴加卸载试验方法中卸荷加支护的应力路径示意图。
图11为本发明中组合体的真三轴试验的加载示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-11，一种模拟现场错动带结构和应力状态的室内真三轴试验方法，包括错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法、错动带的真三轴强度试验方法、错动带的真三轴加卸载试验方法和组合体的真三轴试验方法；
所述错动带物理指标测定及室内仿真重塑试验方法，具体步骤如下：
(1)将错动带原状样用橡皮锤敲成碎块，拌合均匀，依据《土工试验方法标准，gb/t50123-1999》)分别取500g和800g进行比重(比重瓶法)和颗粒分析(d＞0.075mm，筛分法；d＜0.075mm，密度计法)，以获得颗粒比重和错动带的全级配曲线和黏粒含量(＜0.002mm)；将错动带分别过孔径为0.075mm、0.10mm、0.25mm、0.50mm、1mm、2mm、5mm、10mm和50mm的试验筛，获得不同的粒组，为避免大颗粒对试验结果的影响，选定土样中颗粒最大粒径为5mm(即颗粒最大粒径为50mm×50mm×100mm试样边长的1/10)，并按剔除法配置错动带样并拌合均匀：
pi＝poi/(100-pdmax)公式(1)
式中，pi为剔除后某粒组含量；pdmax为超粒径颗粒含量；poi为原级配某粒组含量；
(2)现场踏勘和室内试样的微观结构观察均显示白鹤滩层间错动带结构具有明显的差异(少量泥化程度高的c2除外)，泥化程度较低的情况下，垂直层面方向孔隙比相对较小(最大孔径＜2μm，见图1)，结构致密；平行层面方向孔隙相对较大(最大孔径＞5μm，见图2)，结构相对疏松，在宏观上常呈现为鳞片状结构。这必然会导致其强度和变形的各向异性。为在室内再现这种结构特性并获得饱和状态下的错动带重塑样，采用如下办法进行：将各类调制好的达塑限(参考《金沙江白鹤滩水电站可行性研究阶段柱状节理玄武岩专题研究工程地质研究报告》，取14％，以便于分层装入)的错动带重塑样分层装入压力容器中，在容器外部注水使其处于饱水状态，然后逐渐加压观测其压缩变形值，直至达预定荷载且变形稳定后，取出测定其物理性质(获取干密度和孔隙比；通过电镜扫描，观察其微观结构)，并与错动带原状样比较，当上述指标和结构类型接近时，认为两者物理力学性质接近；由于本固结试验的目的是为获得与现场结构相似的错动带，并不需要测定固结系数，故固结试验步骤采用行业标准《土工试验方法标准，sl237-1999》推荐的快速固结试验的步骤，即：进行固结试验，试样在各级压力下的固结时间为1h，试验中仅测记该级荷载下1h的量表读数；如此逐级加载直至达最后预定荷载，并持续保持该荷载至试样达变形稳定(稳定标准为量表读数每小时变化不大于0.005mm)；试验所采用的分级荷载分别为0.1mpa、0.2mpa、0.4mpa、0.8mpa、1.6mpa、3.2mpa、6.4mpa和12.8mpa；(终极荷载值根据上覆岩体深度350-550m，计算得8.75mpa-13.75mpa，由于13.75mpa是根据最大埋深计算得到，不为普遍情况，故取上限12.8mpa)。
(3)固结试验制样的试验设备采用化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置进行少量改装后进行。固结试验制样设备是圆筒形容器或方管加压容器，所述圆筒形容器的内径50mm，所述方管加压容器管边长为50mm，圆筒形容器或方管加压容器的高度均为两块10mm垫板高度与100mm试样高度及预留固结压缩高度之和；圆筒形容器或方管加压容器上下各加一个打孔的加压垫板(不锈钢制，相当于透水石)，为便于取出试样，容器均切割为2部分，试验时用对穿的螺栓组合在一起。
所述错动带的真三轴强度试验方法：
试验目的：获得错动带的真三轴强度和变形特性，研究中间主应力对强度的影响，用于建立适用于错动带的多轴强度准则。
试样尺寸：50mm×50mm×100mm(长×宽×高)。
试验设备：硬岩高压伺服真三轴试验机(各方向活塞总的行程可达20mm，基本满足土样变形需求，需更换一个灵敏度更高的小量程传感器，并在侧向变形的量测方面进行改进)。
试验的应力路径：加载示意图如图7所示，应力路径如图8所示，图6中σ1o、σ2o和σ3o为主应力初始应力状态值，即在保持最小主应力不变的条件下，等比例增大最大主应力和中间主应力直至试样破坏。
试验数量：5组(每组5块)，共25块。
所述错动带的真三轴强度试验方法，具体步骤如下：
(4)将试样各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(5)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(6)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结；
(7)σ3保持不变，按比例(
(8)试验结束后取下试样，描述破坏后形状，测量破坏面倾角；对破坏试样进行颗粒分析。
(9)依次取σ3＝3mpa、6mpa、12mpa和15mpa，重复步骤(4)-(8)，获得该最小主应力条件下的错动带真三轴强度和粒径分布曲线。
所述错动带的真三轴加卸载试验方法：
试验目的：研究错动带在开挖过程及支护过程中的变形破坏特征；
试样尺寸：50mm×50mm×100mm(长×宽×高)；
试验数量：2组(每组5块)；
试验设备：硬岩高压伺服真三轴试验机；
试验的应力路径：加载示意图如图7所示，应力路径分两种情况：1)如图9所示，即在试样有三向等应力条件下，逐步增大最大主应力和中间主应力，使之达初始应力状态，而后逐渐减小中间主应力至0，同时增加最大主应力和最小主应力，直至试样破坏(模拟洞室开挖卸荷的过程)；2)如图10所示，即在试样有三向等应力条件下，逐步增大最大主应力和中间主应力，使之达初始应力状态，而后逐渐减小中间主应力至0，而后又逐渐增加至一定值，在这一过程中同时增加最大主应力和最小主应力，直至试样破坏(即先模拟开挖卸荷后又立即支护的过程，假定支护结构给围岩施加的最小主应力为3mpa)。
第一组：研究错动带在开挖过程中的变形破坏情况：
所述错动带的真三轴加卸载试验方法，具体步骤如下：
(10)将试样各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(11)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(12)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结；
(13)σ3保持不变，σ1和σ2分别增大至16mpa和14mpa；白鹤滩错动带的原岩应力状态；在该应力状态下，假定前述常规三轴试验得c＝30kpa，
(14)σ1和σ3分别按0.0233mpa/min和0.01mpa/min加载，σ2按0.0467mpa/min卸载至0，直至错动带试样破坏(采用应力控制，根据应力应变分析，开挖前σ1、σ2和σ3分别16mpa、14mpa和9mpa，开挖后分别为23mpa、0和12mpa，为与前述应变控制的三轴试验对应，在5个小时内完成试验，那么可以确定力的加载速率为σ1方向0.0233mpa/min，0.01mpa/min和0.0467mpa/min；)；试验过程中对应力、应变等数据全程数据采集；
(15)试验结束后取下试样，描述破坏后形状测量破坏面倾角；对破坏试样进行颗粒分析，获取其粒径分布曲线。
第二组：研究错动带在开挖及支护过程中的变形破坏情况：
所述错动带的真三轴加卸载试验方法，具体步骤如下：
(100)将试样各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(110)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(120)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结)
(130)分别增大σ1和σ2至16mpa和14mpa；σ3保持不变(真实的原岩应力状态)；
(140)σ1和σ3分别按0.0233mpa/min和0.01mpa/min加载，σ2按0.07mpa/min卸载至0而后又以0.01mpa/min增加，直至错动带试样破坏；试验过程中对应力、应变等数据全程数据采集；
(150)试验结束后取下试样，描述破坏后形状测量破坏面倾角；对破坏试样进行颗粒分析，获取其粒径分布曲线。
所述组合体的真三轴试验方法：
试验目的：研究组合体(母岩夹错动带)在开挖过程及支护过程中的变形破坏特征；
试样尺寸：50mm×50mm×100mm(长×宽×高)；
试验数量：2组(每组5块)；
试验设备：硬岩高压伺服真三轴试验机；
试验的应力路径：加载示意图如图7所示，应力路径与图9、图10所示相同。
第一组：研究组合体在开挖过程中的变形破坏情况：
试验步骤：
(16)将试样中错动带的各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(17)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(18)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结；
(19)σ3保持不变，σ1和σ2分别增大至16mpa和14mpa；
(20)σ1和σ3分别按0.0233mpa/min和0.01mpa/min加载，σ2按0.0467mpa/min卸载至0，直至错动带试样破坏；试验过程中对应力、应变等数据全程数据采集；
(21)试验结束后取下试样，描述破坏后形状；对破坏试样中的错动带进行颗粒分析，获取其粒径分布曲线。
第二组：研究组合体在开挖及支护过程中的变形破坏情况：
所述组合体的真三轴试验方法，具体步骤如下：
(160)，将试样中错动带的各个加载面均抹一薄层凡士林以防止水分蒸发；
(170)将试样放在下加压板上并施加小量荷载使之加压板刚好接触；将测量装置的力和位移读数均调至零位；
(180)σ1、σ2和σ3同步增加至9mpa实现错动带的等向固结；
(190)分别增大σ1和σ2至16mpa和14mpa；σ3保持不变(真实的原岩应力状态)；
(200)σ1和σ3分别按0.0233mpa/min和0.01mpa/min加载，σ2按0.07mpa/min卸载至0而后又以0.01mpa/min增加，直至组合体试样破坏；试验过程中对应力、应变等数据全程数据采集；
(210)试验结束后取下试样，描述破坏后形状；对破坏试样中的错动带进行颗粒分析，获取其粒径分布曲线。
本发明能够获得与现场错动带组构特征相似、筛除大颗粒影响的错动带室内重塑样，能够采用它进行室内力学试验，研究错动带的真三轴强度和变形特性，研究中间主应力对强度的影响，建立了适用于错动带的多轴强度准则，研究了错动带在开挖过程及支护过程中的变形破坏特征。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
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