《岩体原位测试》PPT课件

第5章岩体原位测试本章重点：岩体原位测试技术的种类；岩体变形试验、岩体强度试验、岩体应力测试和岩体现场简易测试等各试验的种类、特点、适应对象、仪器设备、操作过程及试验结果的应用等。（本章在岩体力学中将详细讲到）第1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，进行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。岩体原位测试的最大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；其缺点是试验设备笨重、操作复杂、工期长、费用高。岩体原位测试一般以遵循以下程序进行：（1）试验方案制定和试验大纲编写，其基本原则是尽量使试验条件符合工程岩体的实际情况。（2）试验，包括试验准备、试验及原始资料检查、校核等项工作。（3）试验资料整理与综合分析。包括：静力法和动力法两种静力法基本原理：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。可分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压法等；动力法：原理：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。据弹性波的激发方式不同，又分为声波法和地震法。第2节岩体变形试验一、承压板法1、基本原理刚性承压板法是通过刚性承压板(其弹性横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；根据布辛湟斯克公式，刚性承压板下各点的垂直变形(W)可表示为：2、试件制备与描述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)试段开挖时，应尽可能减少对岩体的扰动和破坏。(2)试件受压方向应与建筑物基础的实际受力方向一致。(3)试件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至硐口或掌子面的距离应大于承压板直径的2倍；③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倍承压板直径深度范围内的岩性宜相同。(4)试件范围内受扰动的岩体应清除干净并凿平整；岩面起伏差不宜大于承压板直径的1％，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。(5)试件面积应略大于承压板，其中加压面积不宜小于2500cm2。(6)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。3、仪器设备及安装调试包括如下内容：(1)试硐编号、位置、硐底高程、方位、硐深、断面形状及尺寸、开挖方式及日期等。图5-1刚性承压板法试验安装示意图(a)钻直方向加荷；（b)水平方向加荷1—砂浆顶板；2—垫板；3—传力柱；4—圆垫板；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i10—钢板；11一刚性承压板|12—标点I13—千分表I14一滚轴；15—混凝土支墩；16—木柱；17—油泵（接千斤顶）；18—木垫；19一木梁(2)试件编号、层位、尺寸及制备方法等。(3)试段开挖方法及出现的岩体变形破坏等情况。(4)岩石类型、结构构造及主要矿物成分和风化程度。(5)地下水情况。(6)岩体结构面类型、产状、性质、隙宽、延伸性、密度及充填物性质等情况。(7)地质描述应提交的图件包括；试段地质素描图、裂隙统计图表及相应的照片，试段地质纵横剖面图，试件地质素描图等。4、试验步骤(1)准备工作①按设计压力的1．2倍确定最大试验压力。②根据千斤顶(或液压枕)的率定曲线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同；在加卸压过程中，过程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与同级压力下第一次读数与前一级压力下最后一次读数差的比值5％时，可认为变形达到了稳定。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。(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，等读数稳定后方可继续试验。(5)记录。(6)试验设备拆卸。5、试验成果整理(1)参照试验现场点绘的测表压力—变形曲线，检查、核对试验数据，剔除或纠正错误的数据。(2)变形值计算。(3)以压力P(MPa)为纵坐标、变形值W(10-4cm)为横坐标，绘制p—W关系曲线。在曲线上求取某压力下岩体的弹性变形、塑性变形及总变形值。(4)按下式计算岩体的变形模量或弹性模量：二、狭缝法（刻槽法）1、基本原理在岩面上开一狭缝，将液压枕放人，再用水泥砂浆填实，待砂浆达到一定的强度后，对液压枕加压，利用布置在狭缝中垂线上的测点量测岩体的变形，进而根据弹性力学公式计算岩体的变形模量。因此，该方法假定岩体为连续、各向同性、均质的弹性体，狭缝视为半无限平面内的椭圆形(长短轴比视为无限大)孔洞，按平面应力状态下椭圆周边应力—与变形的关系计算岩体的变形模量．2、试件制备与地质描述（1）试件制备具体要求如下：①清除掉试件范围内的浮石和松动岩块。②试件的边界条件应满足下列要求：狭缝边缘至洞壁的距离大于1.5L(L为狭缝长度)，距洞口和掌子面的距离大于2L，两狭缝间的距离大于3L。③在选定的试验部位开凿一条狭缝(或称直槽)，切缝方向应与工程受力方向垂直，狭缝尺寸应视液压枕大小而定，一搬约60×55×6cm。（2）地质描述内容与要求同承压板法。3、仪器设备及安装调试(1)仪器设备①加压系统②测量系统(2)安装调试①埋设液压枕②测量系统安装4、试验步骤(1)准备工作(2)加压(3)重复加压(4)测表调整与调换(5)试验设备拆卸狭缝法试验安装示意图1一液压枕；2—槽壁；3—油管；4一测表支架；5—百分表（绝对測量）；6—磁性表架；7—测量标点；8—砂浆；9一标准压力表；10—百分表（相对渕量）；11一油泵5、试验成果整理(1)原始数据的检查与校对。(2)变形值计算，同承压板法。(3)绘制压力—变形曲线。(4)按下式计算岩体的变形模量或弹性模量：三、钻孔变形法（一）基本原理钻孔变形法是利用钻孔膨胀计或压力计，对孔壁施加径向水压力(图5—8)，测记各级压力下的钻孔径向变形(U)。按弹性力学中厚壁筒理论，钻孔径向变形U为：利用式(5—10)可求得岩体的变形模量。与承压板法相比较，钻孔变形法的优点是：①对岩体扰动小。②可以在地下水位以下和较深的部位进行。③试验方向基本不受限制，且试验压力可以达到很大。④在一次试验中可以同时量测几个不同方向的变形，便于研究岩体的各向异性。其主要缺点是试验涉及的岩体体积较小。该方法较适合于软岩或半坚硬岩体。（二）试验孔施工与地质描述(1)试验孔施工。试验孔应使用金刚石钻头钻进。钻孔深度可视工程需要及岩体条件而定，孔径需略大于测量压力计或膨胀计直径，且孔壁光滑平直。在受压范围内，岩性不应有突变或大的构造不连续，4d范围内的岩性应相同；加压段边缘距孔口不小于l倍加压段长，距孔底不小于0.5倍加压段长，两试点之间距离不小于1倍加压段长。(2)地质描述。内容包括：①钻孔及试段编号、开孔高程、孔底高程、孔深孔径及日期等情况。②岩石名称、结构构造、主要矿物成分及风化程度。③钻孔岩心RQD值、地下水位及岩层透水性情况。④岩体结构面类型、产状、性质、隙宽与充填物性质等。⑤应提交的图件包括：钻孔平面布置图及柱状图。(三)仪器设备(1)旋转式钻机一台，包括起吊设备、足够长度的钻杆及金刚石钻头、扫孔器和花杆等。(2)水泵l～2台，离心式或往复式，最高扬程应相当于试验最高压力水头的1.3～1.5倍。(3)钻孔压力计或钻孔膨胀计。（四）试验步骤(1)准备工作。(2)将组装后的测量探头放人孔内预定深度，经定向后立即施加0．5MPa的压力，探头即自行固定，读取初始读数。(3)加压。(4)每一循环过程中，一般卸压至初始压力。(5)试验结束后，应取出探头，对橡皮囊上的压痕进行描述，以确定孔壁岩块掉落与开裂现象和方向。(6)试验过程中，如压力突然下降，应及时取出探头，检查橡皮囊是否破裂，若已破裂需更换后再进行试验。图钻孔变形试验(五)成果整理(1)检查、核对原始数据，去掉不合理且原因不明的数据。(2)绘制压力—变形关系曲线。(3)按下式计算岩体的变形模量正。(MPa)：第三节岩体强度试验一、直剪试验1、基本原理与方法岩体原位直剪试验是岩体力学试验中常用的方法，它又可分为岩体本身、岩体沿结构面及岩体与混凝土接触面剪切三种。每种试验又可细分为抗剪断试验、摩擦试验及抗切试验。抗剪断试验是试件在一定的法向应力作用下沿某一剪切面剪切破坏的试验，所求得的强度为试体沿该剪切面的抗剪断强度；摩擦试验是试件剪断后沿剪切面继续剪切的试验，所求得的强度为试件沿该剪切面的残余剪切强度；抗切试验是法向应力为零时试件沿某一剪切面破坏的试验。同一组试验的试体不少小于5块。试体剪切面积一般为70cmX70cm，并不小于50cmX50cm。试体高度为其边长之半试体间距应便于试体制备和仪器设备安装，但不应小于剪切面边长的1.5倍，以免试验过程中互相影响在岩洞内进行试验时，试验部位的洞顶应先开挖成大致平整的岩面，以便浇注混凝土（或砂浆)反力垫层。在施加剪力的后座部位，应按液压千斤顶（或液压钢枕）的形状和尺寸开挖。混凝土与岩体胶结面直剪试验的试体制备用人工(不准爆破)挖除表层松动岩石，形成平整岩面按剪切方向立模并浇注混凝土试体岩体弱面、软弱岩体直剪试验的试体制备倾斜岩体弱面直剪试验的试体制备试验前描述包括以下几项：①试验地段岩石名称、风化破碎程度。②岩体弱面的成因、类型、产状、分布状况(连续性)及其间充填物的性状(厚度、颗粒组成、泥化程度和含水状态等）。③试验地段开挖情况和试体制备方法。④试体岩性、编号、位置、剪切方向和剪切面尺寸;试验地段地下水类型、化学成分、活动规律等。试验后描述①测量剪切面尺寸；②记录剪切破坏形式；③剪切面起伏差；④擦痕方向和长度；⑤碎块分布状况。描述项目内容数量规格说明试体制备设备手风钻（或切石机）、模具、人工开挖工具各一套切石机、模具，应符合试体尺寸要求加载液压千斤顶（或液压钢枕）500~3000kN出力容量根据试验要求确定行程70mm设备液压泵（手动或电动）附压力表、高压管路、测力计等与液压千斤顶(或液压钢枕配套使用）传力设备传力柱（木、钢或混凝土制品）、钢垫块（板）、滚轴排岩锚、钢索、螺夹、或钢梁等传力柱宜具有足够的刚度在露天或基坑试验时使用量测设备百分表千分表6磁性表座和万能表架，测量标点量表支架2数量与百分表(或千分表)配套支杆长度，应超过试验影响范围其他仪器、仪表安装工具混凝土浇捣工具地质描述仪器照相、照明设备文具、记录用品水泥、砂、石子一套用量根据浇筑混凝土试体和试体处理要求而定岩体现场直剪试验仪器设备仪器设备安装垂直、剪切加载系统设备安装。位移量表安装施加垂直荷载施加剪切荷载混凝土与岩体胶结面直剪试验仪器设备安装示意1一(或混凝土）垫层；2—传力柱；3—传力横梁；4一钢板；5—滚轴排；6_垂直位移量表;7—接液压泵；8—液压钢枕；9一混凝土保护罩；10—测向位移量脯；11一剪切位移量表；12—试体