第六节 岩体力学性能的现场测试

第6节岩体力学性能的现场测试室内的岩样试验，一方面，其体积小，另一方面，它脱离了现场岩体的地质力学特性。因而它不能充分地反映岩体力学性能，而岩体的野外现场试验就较为全面地反映岩体力学性能的全貌，这是室内岩石试验所不及的。一、岩体的变形试验岩体现场变形试验有静力法及动力法两种。静力法——指在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向静力荷载，并测定其岩体的变形值。然后绘制出应力—应变曲线，计算出岩体的变形参数。方法有：千斤顶法荷载试验（承压板法）、径向荷载试验（水压法）、狭缝法。动力法——用人工方法对岩体发射（或激发）弹性波（声波或地震波），并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。（施加于岩体上的荷载则为动力荷载，如地震法，岩体的变形是因动力荷载引起的。）根据弹性波激发方式不同，分为：声波法和地震波法。通常求算岩体的弹性模量及变形模量用千斤顶法，求岩石的弹性抗力系数采用双筒法。eE0E现场试验的试件制备选定试点位置之后，首先要彻底清除表面松散、松动和破碎的岩石(可用锤轻敲岩面听声检查)；然后用人工将表面凿平，要求凹凸差不超过5mm。再进行试点地质描述，画定试件表面的尺寸。对于承压板法只需确定承压板的中心点，再垂直钻一个埋设测承压板中心变形的钻孔(如果需要测中心变形的话)，而后用水泥砂浆将承压面抹平，试件即告制备完成。对于单轴、三轴和抗剪试验，除单轴外，每组试件均需至少三个，而且要切割成正立方体。其切割方法是在距试件尺寸边缘40cm用风钻连续切成槽，然后再用人工按试件尺寸切成40cm的宽槽，展现出正立方体试件。试件四侧人工开凿的凹凸差也要求不超过5mm，而且壁面相互垂直。最后进行试件面、壁的地质描述，再用水泥砂浆全部抹平封闭，试件即告完成。对比较破碎的试件，也有用水泥或加细钢筋将试件包起来再试验的做法。现场单轴和三轴压缩试验和抗剪试验的试件尺寸，一般为50cmX50cmX50cm或70cmX70cmX70cm。其中，抗剪试验是采用正方体，而单轴、三轴试验的试件高度要求大于或等于边长的2倍。软弱岩石或软弱结构面由于无法制备成上述试件，如需测定抗剪强度时，可在洞壁按图(c)切槽，用埋设扁千斤顶(即测力枕)加压试验。若需测定变形或强度，也可按图(f)在洞壁切槽试验。这就是通常所谓的狭缝法试验。现场试验的试件制备（一）承压板法（千斤顶法）1、定义：用千斤顶加荷于垫板上，使荷载传到岩体中，故也称千斤顶法。一般在洞内或坑道内进行，如果地表上有反力装置的条件，也可在地表上进行。2、设备装置主要由四部分组成(图4—32)：垫板(承压板)：方形或圆形，面积：0.25-1.2m2，材料：弹性、刚性。加荷装置(千斤顶或压力枕)：500kN—3000kN传力装置(传力支柱、传力柱垫板)；变形量测装置(测微计)。承压板的刚度问题要求有足够的刚度，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)。（1）刚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。（2）柔性垫板当基岩较好、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。承压板的刚度问题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图4-33岩体现场变形试验加荷过程示意图3.测试岩体的变形可在垫板下面测定，也可在通过垫板中心的轴线上距垫板一定距离处量测单次小循环大循环多次小循环P-压力T-时间2021/spEr4.算式(测出压力和位移，由下列公式计算岩体的变形模量E)把岩体看作一个弹性半无限空间，用布辛涅斯克方程求得岩体表面的垂直向位移。(1)垫板为柔性垫板(3种位移)a.岩体表面上垫板的中点处垂直位移（4-80）式中：p-荷载;r-垫板的半径;μ-岩体的泊松比;E——岩体的弹性模量201/smpEAb.垫板的平均位移（4－81）式中，A-受荷表面的面积；m-系数它取决于垫板的形状、刚度以及荷载分布等情况，其m值可见表4－52021psbaEc.带孔柔性垫板(中心有孔的压力枕)中心点的垂直位移（4－83)注：在圆形板下不同荷载类型时，其相应的m值可见表4－62222201lnlnpbabaabsababEab（2）垫板为刚性垫板时（4－82）式中：a和b为垫板的边长（二）径向荷载法（水压法、钻孔变形法（求抗力系数K和弹模E））径向荷载试验的实质是在岩体中开挖一圆筒形洞室，然后在这个洞室的某一段长度上施加垂直于岩体表面的均匀压力。压力可以用水压施加，称为水压法。也可用压力枕加压，称径向压力枕试验，在国外称为奥地利荷载试验。如图4—35，试验是靠一钢支承圆筒四周的压力枕同步对其四周岩体施加荷载，造成洞中一定长度范围(一般为2m)内的岩体产生径向压缩。径向压缩的荷载要保持其变形在弹性范围内，径向位移的测定，不是在混凝土和岩面衬砌的接触面上，而是在岩体内部大约15cm的深处测量。变形模量按弹性厚壁圆筒的条件计算。设岩体内任一点的位移为aBprrEu211当混凝土圈有分布缝时，作用于岩体面上的应力，app则prruEB211设为洞壁（岩体面）的位移，当时：01uu0upruEB010upK岩体的抗力系数BBrEkprEKp)1(1与承压板法相比较，钻孔变形试验有如下优点：①操作方便，设备轻，对岩体扰动小，可结合勘探钻孔作大范围的测试；②可以在地下水位以下和相当深的部位进行；③试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；④可在一个钻孔中作多点测试，获得不同深度的岩体变形特性参数。这种方法的主要缺点：①被测岩体体积小，因而包含的裂隙少，代表性受到局限，若钻孔直径增大到30～50cm时，可得到满意的成果。②仪器的测量精度直接影响试验成果的正确性，对弹模较高的坚硬岩体，仪器必须有足够的精度。③岩体受力条件复杂，给试验结果的整理带来困难。（三）狭缝压力枕荷载试验法将岩体切割成槽，把压力枕埋于槽内，并用水泥砂浆浇注，使压力枕的两个面皆能很好的与槽的两侧岩面接触。当压力枕施加荷载于岩面之后，施加的荷载大小可由压力表测定，而岩面的平均位移可从水泵（或油泵）打入压力枕中的水量（或油量）而推算出来。即FfhVs2变形模量为sVaVPEs)1(5.02若在垂直岩壁上刻槽布置，则岩体的变形模量可按布辛涅斯克的弹性理论：当实测的位移为已知时，1121314)1(22RuplE二、现场岩体直剪试验（一）双千斤顶法1.要点：可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小而采用不同的加荷方法。双千斤顶试验中，一组试验不少于五块试件。122sincospFtFFFtF2.在不同p力作用下剪切面上的正应力和剪应力注1当剪切面上存在裂隙、节理等滑面时，抗剪面积将分为剪断破坏和滑动破坏两部分，而把剪断破坏当作有效抗剪面积Fa，滑动破坏时的滑动面积为Fb。abFFF3.绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应力强度曲线122sincospFtFFFtF有效抗剪面积正压力仍由全部面积承担总面积：注2施加于试件剪切面上的压力应该包括千斤顶施加的荷重、设备和试件的重量。注3在计算剪应力时，应扣除由于垂直压力而产生的滚轴滚动摩擦力。注4如果剪切面为倾斜面时，上述破坏面上的正、剪应力的计算公式还应根据倾角的大小进行修正。二、现场岩体直剪试验（二）单千斤顶法1、要点：单千斤顶法是现场无法施加垂直应力的情况下采用的。在山坡上或平洞内的预定剪切面上挖成各种主应力方向与固定剪切面成不同倾角的试件（通常剪切面倾角为150-350）2.破坏面上的正、剪应力计算(如图4－42)cossin22xxFtFFtFhhxFtFFF21sin2sin2)2cos1(211而故3.绘制岩体正-剪应力强度曲线三、现场压缩试验（一）岩体单轴抗压强度的测定切割成的试件如图所示。在拟加压的试件表面(在图中为试件的上端)抹一层水泥砂浆，将表面抹平，并在其上放置方木和工字钢组成的垫层，以便把千斤顶施加的荷载经垫层均匀传给试体。根据试体破坏时千斤顶施加的最大荷载及试体受载截面积，计算岩体的单轴抗压强度。（二）岩体三轴抗压强度的测定在一个随机性节理的岩体中，破坏面位置的预定是有困难的，用三轴试验可以量测岩体的抗剪强度和破坏面的位置及形态，这时，破坏面会沿最弱的面破坏。1.试件矩形块体，在试洞底板或洞壁的试验位置上，经过仔细凿刻和整平而成的，此矩形试件三边脱离原地岩体，而仅一边与岩体相连。目前，试件的大小可达2.80m×1.40m×2.80m,试件的基底与岩体相连的面积为2.80m×1.40m.2.加载与测试试件准备好后，把压力枕埋置在刻槽内，以便施加σ2和σ3，而σ1是通过垂直千斤顶或压力枕施加的。在试验中量测和记录试件的位移。3.绘制岩体试验应力圆包络线、强度曲线和岩体特征曲线从而测定应力－位移关系曲线。确定应力的比例极限、屈服极限和破坏极限。关于不同应力状态下，现场三轴试验成果的计算分述如下：1.三轴应力在状态下应力满足：上式中，L,M,N分别是某平面的法向方向余弦。令L,M,N＝0，则在τ－σ平面坐标内表示为三个应力圆（图4－44）。123222223121323222213232131222212313212124124124nnnnnnLMN2.三轴应力在状态下应力满足：(图4－45)上式在τ－σ平面坐标内表示为一个应力圆。3.三轴应力在状态下应力满足：13232,3;2212,312,3222nn132;0222131322nn1、岩体中有一结构面，其摩擦角，，岩石内摩擦角，，岩体受围压，受最大主应力，结构面与方向夹角为，试算岩体是否沿结构面破坏？0uC035uMPaCr10048rMPa4511MPa1023045作业2、一岩石试件进行三轴试验，当侧压力时，垂直压力试件破坏，破坏面与最大主应力面夹角为，试求：（1）岩石的内摩擦角；（2）破坏面上的正应力及剪应力；（3）正应力为零的那个面上的抗剪强度。3、有一节理面，其起伏角，节理面的内摩擦角为，两壁岩石的内摩擦角，。作此节理面的强度线。（曲线）4、动力法和静力法有何不同，为什么不同？5、简述岩体变形特征及类型。MPa3032MPa2701060010i035u040rMPaCr10