岩体变形的原位测试

主讲人：王伟@163.com勘查技术与工程教研室岩体变形的原位测试第一节概述岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程勘察的重要手段之一。优点:是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确；缺点:试验设备笨重、操作复杂、工期长、费用高。另外，原位测试的试件与工程岩体相比，其尺寸还是小得多，所测参数也只能代表一定范围内的岩体力学性质。因此，要取得整个工程岩体的力学参数，必须有一定数量试件的试验数据用统计方法求得。岩体原位测试一般应遵循以下程序进行：(1)试验方案制订和试验大纲编写。这是岩体原位试验工作中最重要的一环。其基本原则是尽量使试验条件符合工程岩体的实际情况。因此，应在充分了解岩体工程地质特征及工程设计要求的基础上，根据国家有关规范、规程和标准要求制订试验方案和编写试验大纲。试验大纲应对岩体力学试验项目、组数、试验点布置、试件数量、尺寸、制备要求及试验内容、要求、步骤和资料整理方法作出具体规定，以作为整个试验工作中贯彻执行的技术规程。(2)试验。包括试验准备、试验及原始资料检查、校核等项工作。这是原位岩体力学试验最繁重和重要的工作。整个试验应遵循试验大纲中规定的内容、要求和步骤逐项(3)试验资料整理与综合分析。试验所取得的各种原始数据，需经数理统计、回归分析等方法进行处理，并且综合各方面数据(如经验数据、室内试验数据、经验估算数据及反算数据等)提出岩体力学计算参数的建议值，提交试验报告。第二节岩体变形试验岩体变形参数测试方法有静力法和动力法两种。静力法的基本原理是：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加一定的荷载，并测定其变形；然后绘制出压力-变形曲线，计算岩体的变形参数。动力法是用人工方法对岩体发射或激发弹性波，并测定弹性波在岩体中的传播速度，然后通过一定的关系式求岩体的变形参数。在国内测定岩体变形性的试验方法较多，按荷载的性质可分为两大类：静力法和动力法。静力法：（1）承压板法（刚性承压板法和柔性承压板法）；（2）狭缝法（刻槽法）；（3）单（双）轴压缩法；（4）隧洞水压变形法（封闭硐室法）；（5）钻孔变形测试法；（6）径向液压枕法或双筒法；（7）钢索锚固加荷法；（8）三轴压缩试验；动力法：•地震试验；•声波试验；•超声波试验。承压板法又分为刚性承压板法和柔性承压板法，我国多采用刚性承压板法。该方法的优点是简便、直观，能较好地模拟建筑物基础的受力状态和变形特征。除常规的承压板法外，还有一种承压板下中心孔变形测试的方法，即在承压板下试验体中心打一测量孔，采用多点位移计测定岩体不同深度处的变形值。此外，国际岩石力学学会测试委员会还推荐了一种现场孔底承压板法变形试验。(一)刚性承压板法是通过刚性承压板(其弹性模量大于岩体一个数量级以上)对半无限空间岩体表面施加压力并量测各级压力下岩体的变形；按弹性理论公式计算岩体变形参数的方法。该方法视岩体为均质、连续、各向同性的半无限弹性体；根据布辛涅斯克公式，可推导出测点在板内的圆形板计算公式：)(4)1()(02eeoWWdpEE式中：E0——岩体的变形模量（Ee——岩体的弹性模量）；W0——岩体的总变形；（We——岩体的弹性变形）p——承压板上单位面积压力；μ——岩体的泊松比；d——承压板的直径。承压板的刚度问题（1）刚性垫板要求有足够的刚度，即承压板的厚度与基岩的弹性模量成正比，弹模愈大，板的厚度也愈大，否则难以满足压力均匀要求，承压面积则较小(直径30～40cm)。（2）柔性垫板压力传递较均匀，承压面积也较大(直径80cm)，有利于反映试点的裂隙影响，但相应要增大加载设备的容量。•当基岩较好、裂隙较少时，宜采用柔性垫板法，但测试操作较复杂；•当基岩破碎，裂隙发育时，宜采用刚性垫板法。虽然刚性垫板法的测试操作简单，但因设备较笨重，安装往往会带来困难；且在测定荷载时，不能消除千斤顶的摩擦阻力和承压板边缘易引起的应力集中。•承压板的荷载面积与岩石的弹模相关关系是比较复杂的。据日本研究的结果认为：当基岩裂隙间距小于10cm时，采用直径为80cm的柔性承压板与直径30cm的刚性承压板在同一基岩部位测试，其结果两者相当一致。压板的刚度对试验的结果影响较大。承压板的刚度是相对岩体而言的，判断压板是刚性还是柔性，可用下式：33102021113hREESS为圆形承压板的柔性指数；为承压板的泊松比；为承压板的弹性模量，MPa；为岩体的泊松比；为岩体的弹性模量，MPa；为承压板半径，cm；为承压板厚度，cm；当时，为绝对刚性；当时，为有限刚度；当时，为绝对柔度；1式中，1E00ERh21S1021S10S刚性承压板法试验安装示意图1-砂浆顶板；2-钢垫板；3-传力柱；4-圆形钢垫板；5-标准压力表；6-液压千斤顶；7-高压管（接油泵）；8-磁性表架；9-工字钢梁；10-钢板；11-刚性承压板；12-标点；13-千分表；14-滚排轴；15-混凝土支墩；16-木桩；17-油泵（接千斤顶）18-木垫板；19-木梁承压板法所需仪器设备及规格要求如下：（1）加压系统①液压千斤顶1台，其出力应根据岩体的坚硬程度、最大试验压力及承压板面积等选定，并按规范要求进行率定。②油泵1台，手摇式或电动式均可，最大压力40～100MPa。③高压油管(铜管或软管)及高压快速接头。④压力表1个，精度为一级，量程10～100MPa。⑤稳压装置。(2)传力系统①刚性承压板，金属质，应具有足够的刚度，厚度3cm，面积约2000～2500cm2。②钢垫板若干块，面积等于或略小于承压板，厚度2～3cm。③传力柱，应有足够的刚度和强度，其长度视试硐尺寸而定。④钢质楔形垫板若干块。(3)量测系统①测量支架，两根具有足够刚度和满足边界条件要求长度的钢质支架，用以固定磁性表架。②量测仪表，百分表、千分表或电子千分表4～8只，量测岩体变形用。③磁性表架4～8个。④测量标点4～8个，铜质或不锈钢质，标点表面应平整光滑。⑤温度计1支，精度0.1℃，测量实验硐温度。试验准备工作1.试点制备应根据工程需要和工程地质条件选择代表性试验地段和试验点位置，在预定的试验点部位制备试件，具体要求如下：(1)试点开挖时，应尽可能减少对岩土体的扰动和破坏。(2)试点受压方向应与建筑物基础的实际受力方向一致。(3)试点的边界条件应满足下列要求：①承压板边缘至硐侧壁的距离应大于承压板直径的1.5倍；②承压板边缘至硐口或掌子面的距离应大于承压板直径的2倍；③承压板边缘至临空面的距离应大于承压板直径的6倍；④两试件边缘间的距离应大于承压板直径的3倍；⑤试件表面以下3-3.5倍承压板直径深度范围内的岩性宜相同。(4)试点范围内受扰动的岩体应清除干净并凿平整，清除的深度视岩体受扰动的程度而定。(5)安放承压板处的岩石表面宜加凿磨平，岩面起伏差不宜大于承压板直径的1％。当岩体破碎而达不到要求时，应尽可能加凿磨平或用砂浆填平。承压板以外，试验影响范围以内的岩面也应大致平整，无松动岩块和碎石。(6)试件面积应略大于承压板，其中加压面积不宜小于2500cm2。(7)试验反力装置部位应能承受足够的反力，在大约30×30cm2范围内大致平整，以便浇注混凝土或安装反力装置。2.试点地质描述试点的地质描述是整个试验工作的重要组成部分，它可为试验成果分析整理和指标选择提供可靠的地质依据。包括如下内：（1）试点编号、位置、尺寸、层位。（2）试硐编号、位置、硐底高程、方位、硐深、断面形状及尺寸、开挖方及日期等。（3）试点开挖方法及出现的岩体变形破坏等情况。（4）岩石名称、结构、构造及主要矿物成分；岩体的风化程度、风化特点及其抗风化能力。(5)层理、片理、劈理、节理裂隙、断层等各类软弱结构面的产状及其受力方向的关系以及宽度、延伸情况、连续性、密度等。结构面成因类型、力学属性、粗糙程度、填充物的性质、成分和软化、泥化情况，岩脉穿插情况及其与围岩的接触关系。(6)水文地质条件：地下水的类型、化学成分、活动规律、出露位置、渗水量大小。(7)地质描述应提交的图件包括：试点地质素描图、裂隙统计图表及相应的照片，试点地质纵横剖面图，试件地质素描图等（8）岩爆、硐室变形等初始应力现象。3.安装传力系统（1）在制备的试件表面抹一层加有速凝剂（如1-2%的氯化钙和适量的水玻璃）的高标号(不低于400#)水泥浆，其厚度以填平岩面起伏为准，然后放上承压板，用手锤轻击承压板，以使承压板与岩面紧密接触，将部分水泥浆挤出，使承压板与岩面间水泥浆尽可能薄些。（2）刚性承压板必须有足够的刚度，为增大承压板的刚度，应在承压板上叠置3～4块厚2～3cm的钢垫板。（3）依次放上千斤顶、传力柱及钢垫板等，传力柱必须有足够的刚度和强度，安装时应注意使整个系统所有部件保持在同一中心轴线上且与加压方向一致。（4）顶板(或称后座)用加速凝剂的高标号水泥沙浆浇成，浇好后起动液压千斤顶（或楔紧楔块），使整个传力系统各部位接合紧密，并经一定时间的养护备用。4.量测系统安装（1）标点位置：在承压板4个小孔下各设一个标点；在承压板外，沿硐轴方向，可埋设若干标点，各标点间距不超过承压板半径。有条件时，还可以沿垂直硐轴方向在承压板两侧的对称轴上布置标点。（2）在承压板两侧，平行硐轴方向，各安放测表支架一根，支承形式以简支梁为宜，支撑表架的支点必须安放在试验影响范围以外，即支点距承压板的距离应大于某一定值，一般为承压板直径的1.5倍，不得小于1倍，并用混凝土浇注在岩体上，以防止支架在试验过程中产生沉陷或松动。（3）通过安放在测量表支架上的磁性表座或万能表架，在承压板及其以外测量标点部位安装测表(百分表或千分表)。安装测表时应注意：(a)测表表腿与承压板或岩面标点垂直且伸缩自如，避免被夹过紧或松动；(b)采用大量程测表时，应调整好初始读数，尽量避免或减少在测试过程中凋表；(c)测表应安在适当位置，便于读数和调表；(d)磁性表架的悬臂杆应尽量缩短，以保证表架有足够的刚度。实验步骤（1）试验压力确定①试验最大压力一般按设计压力的1.2倍确定，压力分5-10级，用最大压力等分并取整的分级方法。②据液压千斤顶(或液压枕)的率定曲线，标准压力表刻度，活塞及承压板面积，计算出施加压力与压力表读数关系的加压表。③测读各测表的初始读数，加压前每10min读数一次，连续三次读数不变，即可开始加压。（2）加压①将确定的最大压力分为5-10级并分级施加压力；加压方式一般采用逐级一次循环加压法，必要时可采用逐级多次循环法。②加压后立即读数一次，此后每隔10min读一次数，直到变形稳定后卸压；卸压过程中的读数要求与加压相同；在加卸压过程中，压力下的变形也应测读一次；板外测点可在板上测表读数达到稳定后一次性读数。③变形稳定标准，当所有承压板上测表相邻两次读数之差△W0与同级压力下第一次读数与前一级压力下最后一次变形读数差W0之比，即△W0/W0，比值小于5%时，认为变形已稳定。④某级压力加完后卸压，卸压时应注意除最后一级压力卸至零外，其他各级压力均应保留接触压力(0.1～0.05MPa)，以保证安全操作，避免传力柱倾倒及顶板坍塌。试验荷载分级，Pi=(0.1-0.2)Pmax，等分取整。加卸荷方法与工程荷载作用于工程岩体的方式一致。（1）逐级一次循环加卸荷pw（2）逐级多次循环加卸荷pw（3）一级多次循环加卸荷pw通过现场静力加卸荷，测定P—w曲线，取得岩体变形比例极限（P0）以内的某一定压力下的总变形量（w0）及弹性变形量（we）。然后计算E0、Es.w0=wp+wewp为永久变形（残余变形），裂隙及充填物的变形。pwwpwep0（3）重复加压•第一级压力卸完后，接着加下一级压力，如此反复直至最后一级压力，各级压力下的读数要求与稳定标准相同。（4）测表调整与调换•当测表被碰动或将走完全量程时，应在某级变形稳定后及时调整；对不动或不灵敏的测表，也应及时更换；调表时应记录与所调表同支架上所有测表调整前后的读数；调整后，要进行稳定读数，等读数稳