钻孔内测试岩体工程力学参数方法

钻孔内岩体工程力学参数原位测试贾志欣2012年09月23日主要内容前言钻孔力学试验技术的发展新型岩体钻孔测试设备的开发研制结论2012年09月23日2主要内容前言钻孔力学试验技术的发展新型岩体钻孔测试设备的开发研制结论2012年09月23日3前言岩体是赋存于一定的地质环境中的地质体，不但其应力环境复杂，且包含着随机发育的空间上离散的结构面，其工程力学特性十分难以把握。岩体抗剪强度参数是岩土工程设计的重要指标，进行岩体工程稳定性分析时确定合理的岩体抗剪强度参数是最基本和最重要的，也是最难的一项工作，直接关系到工程的经济与安全。目前，确定岩体抗剪强度参数的方法很多，但是在很大程度上仍然采用的是在室内外岩体试验基础上，参考借鉴以往积累的经验来进行岩体抗剪强度参数的确定。为此，国内外的岩土工程研究者都非常重视岩体的试验。2012年09月23日4节理岩体抗剪强度参数确定方法类别方法优点缺点理论方法损伤力学断裂力学结构面网络模拟理论严密岩体高度非线性，无可操作成果。试验方法直剪（室内和现场）三轴（室内和现场）原位测试（声波）直观，目前规范和设计中主要依据的方法。取样扰动，试样不能代表岩体参数。经验方法Hoek-BrownQRMRZ适用于发育3组以上结构面并可以假设为各向同性的节理岩体不适合于结构面、软岩；取值与技术人员有很大关系，有较强的随意性。前言2012年09月23日6中国水利水电科学研究院岩土所鉴于现有室内和现场试验方法的局限性以及经验准则的人为性，岩石工程界一直没有放弃寻找和研究一种能快速、简易和较可靠确定岩体，特别是对软～中等硬度岩体抗剪强度参数的原位测试手段，期望可以弥补现有现场大剪量少和室内试验试样易受扰动代表性差等问题。事实上寻找和研究能快速、简易和较可靠确定岩体抗剪参数的原位测试手段已成为岩土工程界内亟需解决的重要瓶颈问题之一。前言钻孔剪切仪能够在现场快速进行岩体剪切试验的便携设备，可以弥补现有现场大剪量少和室内试验试样易受扰动代表性差等问题。进行了室内试验与工程现场应用，在总结钻孔剪切仪的优缺点基础上，结合了岩土工程中常用的其他钻孔岩体工程特性测试方法，研制开发了第一代岩体原位测试设备——岩体钻孔剪切弹模测试系统。2012年09月23日7主要内容前言钻孔力学试验技术的发展新型岩体钻孔测试设备的开发研制结论2012年09月23日8钻孔剪切试验（RBST）简介美国爱荷华州州立大学RichardHandy教授自1970年就提出了利用现场地质钻孔进行孔内原位直接剪切试验的想法，后经过多年不断的研制开发与工程应用反馈，于近期成功开发了适用于软~中等硬度岩体的岩石钻孔剪切仪（英文名称为RockBoreholeShearTest），并已在美国、日本等国家得到了应用。2012年09月23日9钻孔剪切试验（RBST）简介岩石钻孔剪切试验仪（RBST）主要部件为由两块剪切板组成的剪切头和液压装置，由液压千斤顶提供动力，通过剪切板向钻孔围岩施加正应力和剪应力。保持剪切板上的正应力不变，增加剪应力直至钻孔岩壁破坏，此时的剪应力便是该正应力水平下的剪切强度。2012年09月23日10齿状凸起可扩张活塞可旋转的剪切头推压板梯形螺纹钢杆封装套管滑轨基座及触发机构钻孔剪切仪的基本原理孔内侧岩体拉拔力/剪力法向力/压力孔内径该实验可以看作沿着这一薄层岩片（图2中虚线部分）的强制直剪破坏试验。在岩石钻孔剪切试验中，如嵌于齿状凸起间岩片的面积为A，作用于岩片上的法向力和连杆的提拉力大小分别为P和T，则作用在岩片上的正应力和剪应力分别为σ=P/A；τ=T/2A剪切头25mm25mm施加剪力的推力板施加剪力装置基本原理RBST的组成部分剪切头提供提拉力的液压千斤顶法向力和剪切力控制装置孔深、孔斜和孔径孔深＝目前最深到20m孔斜＝可以水平孔径＝76~86mm室内试验与RBST试验对比分析日本进行钻孔剪切试验研究，右图所示的是日本对同一种岩体所进行的室内试验与现场钻孔剪切试验的比对分析，通过图中可以看出，钻孔剪切试验得到的岩体内摩擦角与内聚力分别为43.4度与0.4MPa，而室内试验得到的岩体体内摩擦角与内聚力分别为42.4度与0.67MPa，.另外从图中可以看出，两者具有较好的一致性。2012年09月23日16美国爱荷华州立大学所进行边坡软岩钻孔剪切试验结果2012年09月23日17y=0.3369x+0.5478R2=0.9817y=0.15x+3.9667R2=0.9643y=0.5185x+0.0857R2=0.99140246805101520Normalstress(MPa)Shearstress(Mpa)BH7,7.80m,S.W.ShBH8,11.43m,S.W.ShBH9,8.90m,S.W.Sh('=9o,c'=3.97MPa)(RBST)('=19o,c'=0.55MPa)(RBST)('=27o,c'=0.086MPa)(BST-H)美国爱荷华州立大学所进行的软弱岩体钻孔剪切试验结果2012年09月23日18试验步骤放置剪切头到孔内指定深度；剪切头和入孔连杆及油管重量的测试；施加座压；施加法向力，然后施加剪应力；回缩剪切板，提升剪切头；重新开始下一轮试验。向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用2012年09月23日202012年09月23日21**水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用2012年09月23日22向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用试验组正应力（MPa）剪应力（MPa）fc(MPa)R平方值备注第一组试验钻孔编号：RBX-73.53.10.850.070.994试验深度距孔口0.25m～0.40m9.58.512.510.66.55.4第二组试验钻孔编号：RBX-73.53.00.501.400.968试验深度距孔口0.65m～0.85m6.55.19.55.812.56.112.57.8第三组试验钻孔编号：RBX-73.53.00.541.080.984试验深度距孔口0.80m～0.95m6.54.79.55.812.58.0泥岩钻孔剪切典型试验数据以及回归拟合曲线2009年底及2010年5月，进行了60余组钻孔剪切试验，其中黑色条带状泥质粉砂岩中进行了3组钻孔剪切试验，试验位置约为消力池底板下4m处；黑色泥岩钻孔中共进行了47组试验。向家坝水电站钻孔剪切试验成果简介2012年09月23日23（1）条带状灰黑色泥质粉砂岩的钻孔剪切实验数据回归得到f平均值为0.67，c平均值为1.43MPa，试验数据线性拟合优度平均值为0.97。其中得到的岩体抗剪强度参数中f值非常接近，而c离散较大。（2）黑色泥岩的钻孔剪切试验数据回归分析可知，抗剪强度参数中f的平均值为0.45，c的平均值为0.80MPa，试验数据线性拟合优度平均值为0.968。其中岩体f值的离散性较小，而c离散较大。（3）通过试验成果与地质工作者对相应岩体的抗剪强度参数建议值相比可知，钻孔剪切试验得到的f值与地质建议值接近，且略小；但c值大于地质建议值，且幅度较大[7,8]。方便快捷能够在不同的方向上进行岩体的剪切实验费用低廉，可以在一小时内得到岩体抗剪强度参数2012年09月23日24岩体钻孔剪切试验（RBST）主要优点钻孔剪切试验仪中岩石的有效剪切面积较小；另外，由于剪切板上的剪切齿高度仅有1mm，因此，剪切厚度很小，如果钻孔孔壁不完整，则导致试验结果偏小；由于剪切板上的剪切齿的存在，使得剪切齿在嵌入钻孔岩壁中，孔壁岩体已经发生了破坏，并且在试验过程中剪切板上齿也会对其上的岩体发生剪切破坏，因此，也将对试验成果造成一定的影响；为了解岩体变形特性，在工程应用中往往同时进行钻孔弹模试验，不同的钻孔试验设备交替进行，因此试验实施较为繁琐，并且所得到的试验资料也不利于对比分析。2012年09月23日25岩体钻孔剪切试验（RBST）几点不足主要内容前言钻孔力学试验技术的发展新型岩体钻孔测试设备的开发研制结论2012年09月23日26新型岩体钻孔测试设备的开发研制在引进的钻孔剪切仪工作原理与实际应用的基础上，开发了新一代的岩体原位工程特性测试仪器，利用该设备可以在工程现场的勘探钻孔中进行重要的岩体力学特性试验，得到岩体抗剪强度参数，岩体变形参数等重要工程设计资料。并且可以结合其他的岩体钻孔测试设备相配合，对工程岩体进行合理评价，更好地为工程设计、施工、验收、运行中的重大决策基础技术支撑。2012年09月23日27岩体钻孔剪切弹模仪的研制（a）钻孔剪切弹模仪正视图（b）钻孔剪切弹模仪纵剖面示意图图9钻孔剪切弹模仪总体结构示意图新型岩体钻孔测试设备的开发研制岩体剪切试验。通过改进了剪切仪上的上下盘刀，较美国爱荷华大学研发的钻孔剪切仪，增加了剪切面积，基本上实现了在钻孔中进行的真正意义上的剪切试验。岩体变形试验。通过橡胶膜向岩体钻孔孔壁施加应力，对岩体的弹性模量与变形模量进行测试；复杂应力条件下的岩体原位剪切试验。可进行多级荷载作用后的岩体剪切试验，或者根据工程实际设计复杂应力条件下的岩体原位剪切试验。利用同一个设备可同时完成弹模与剪切试验。并且一次入孔可作不同位置多点测试，省时省力，可以方便快捷地得到岩体抗剪力学强度参数。岩体工程质量分级。结合其他钻孔测试设备，如钻孔声波测试设备、钻孔电视，并结合岩心质量评价的RQD系统，全面综合对岩体工程质量进行评价。2012年09月23日28岩体钻孔剪切弹模仪的功能与特点主要内容前言钻孔力学试验技术的发展新型岩体钻孔测试设备的开发研制结论2012年09月23日29结论钻孔剪切仪为国内岩体力学参数的确定提供了一条新的路径，一种新的技术手段；从国外应用经验以及向家坝应用结果来看，钻孔剪切试验结果与常规室内外试验具有较好的一致性；与常规试验相比，钻孔剪切试验具有原位、快速、简便、经济等显著特点，可在中~软岩体抗剪参数测试中发挥具大作用。在试验中也发现钻孔剪切仪尚存在一些不尽人意之处，通过进一步改进可使仪器更为合理、应用范围更为广泛，为岩体工程特性的确定提供较为可靠的参考依据。新开发的钻孔剪切弹模测试系统，综合了钻孔弹模测试仪与钻孔剪切设备的优点，可以获得多种岩体工程力学特性指标。随着工程应用的不断深入，其性能不断完善，切实为工程中岩体力学特性参数的确定提供重要的基础资料。另外，设备轻便便于携带、操作简单，将为岩石工程地质勘察试验提供一种新的技术手段。2012年09月23日30