第五章 岩体的原位测试

5.1概述5.2岩体变形实验5.2.1承压板实验5.2.2狭缝法5.2.3钻孔变形法5.3岩体强度实验5.3.1直剪试验5.3.2三轴试验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。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。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、要求和步骤逐项实施并取得最基本的原始数据和资料。(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。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。据其方法不同，静力法又可分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压法等。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。据弹性波的激发方式不同，又分为声波法和地震法。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。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，刚性承压板下各点的垂直变形(w)可表示为：02)1(EAmpwA：承压板面积；E0：岩体的变形模量；p：承压板上单位面积压力；μ：岩体的泊松比；m：与承压板形状、刚度有关的系数。根据上式，量测出某级压力下岩体表面任一点的变形量，即可求出岩体的变形模量(E0)。5.2.1.2试件制备与描述1．试件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)试段开挖时，应尽可能减少对岩土体的扰动和破坏。(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；④两试件边缘问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2500cm。(6)试验反力装置部位应能承受足够的反力，在大约30×30cm。范围内大致平整，以便浇注混凝土或安装反力装置。2.试件地质描述试件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。(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况。(4)岩石类型、结构构造及主要矿物成分和风化度。(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。5.2.1.3仪器设备及其安装调试1．仪器设备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1～2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液压枕1～2个，单个枕出力一般应为10～20MPa。⑧油泵1～2台，手摇式或电动式均可，最大压力40～60MPa。④高压油管(铜管或软管)及高压快速接头。⑤压力表1～2个，精度为一级，量程10～60MPa。⑥稳压装置。(2)传力系统①承压板，金属质，应具有足够的刚度，厚度3cm，面积约2000～2500cm。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测表支架两根，钢质，应有足够的刚度和长度。②百分表4～8只。⑧磁性表架或万能表架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温度计一支，精度0．1。2．仪器设备的安装调试(1)传力系统安装①在制备的试件表面抹一层加有速凝剂的高标号(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，用锤轻击承压板，以使承压板与岩面紧密接触。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。②依次放上千斤顶、传力柱及钢垫板等，安装时应注意使整个系统所有部件保持在同一轴线上且与加压方向一致。③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，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。(2)量测系统安装①在承压板两侧各安放测表支架一根，支承形式以简支梁为宜，固定曳架的支点必须安放在试验影响范围以外，并用混凝土浇注在岩体上，以防止支架在试验妓程邙产生沉陷或松动。②通过安放在测表支架上的磁性表座或万能表架在承压板及其以外石呵对弥部位上安装测表(百分表)。测表安装时应注意：(a)测表表腿与承压板或岩面标点垂直且俯镣自如，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，尽量避免或域少在斌验过程中凋表，c)测表应安在适当位置，便于读数和调表；(磁性表架的悬臂杆应尽量缩短，以保证表架有足够的刚度。5.1.2.4试验要求1、试验一般在平硐中进行（承压板法、环形加压法），狭缝法可在地面进行。2、试验最大荷载PmaxP0（比例极限），Pmax=1.2P，P为建筑物基础底面设计压力。3、试验荷载分级，Pi=(0.1-0.2)Pmax，等分取整。4、加卸荷方法与工程荷载作用于工程岩体的方式一致。（2）逐级多次循环加卸荷pw（3）一级多次循环加卸荷pw5、变形稳定标准w/w5%w—相邻两次读数差（10分钟读数一次）w—相邻两级压力变形读数差（1）逐级一次循环加卸荷pw注：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。5.2.1.5试验步骤1、准备工作：确定最大试验压力（1.2倍设计压力）；计算施加压力与压力表读数关系的加压表；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，即可加压。2、加压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5、记录6、试验设备拆卸5.2.1.6试验成果1、绘制p—w曲线以压力P(MPa)为纵坐标、变形值W为横坐标，绘制P一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。2、计算E0、EsE0=pb(1-2)/w0Es=pb(1-2)/weP-承压板单位面积压力（MPa)，b-承压板直径或边长（m），-泊松比，w0总变形（m），we弹性变形（m），刚度系数或者承压板形状系数。狭缝法又称刻槽法。一般是在巷道或试验平硐底板或侧壁岩面上进行。狭缝法的优点是设备轻便、安装较简单，对岩体扰动小，能适应于各种方向加压，且适合于各类坚硬完整岩体，是目前工程上经常采用的方法之一。它的缺点是假定条件与实际岩体有一定的出入，将导致计算结果误差较大，且随测量位置不同而异1、基本原理：在岩面上开一狭缝，将液压枕放入，再用水泥砂浆填实；待砂浆达到一定强度后，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。2、试件制备：（1）清除掉试件范围内的浮石和松动岩块；（2）试件边界条件应满足一定要求：狭缝边缘至洞壁距离大于1.5倍狭缝长度，距离洞口和掌子面距离大于2倍狭缝长度，两狭缝之间距离大于3倍狭缝长度。3、仪器设备与安装：加压系统、量测系统。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。（3）钻孔变形法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，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:式中：d—钻孔直径(cm)；p—压力(MPa)；其余符号意义同前。利用式上式可求得岩体的变形模量。0)1(EdpU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。岩体的强度参数是工程岩体破坏机理分析及稳定性计算不可缺少的参数，目前主要依据现场岩体力学试验求得。特别是在一些大型工程的详勘阶段，大型岩体力学试验占有很重要的地位，是主要的勘察手段。原位岩体强度试验主要有直剪试验、单轴和三轴抗压试验等。由于原位岩体试验考虑了岩体结构及其结构面的影响，因此其试验成果较室内岩块试验更符合实际。（1）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。岩体本身抗剪强度试验安装示意图1-砂浆顶板；2-钢板；3-传力柱；4-压力表；5-液压千斤顶；6-滚轴排；7-混凝土后座；8-斜垫板；9-钢筋混凝土保护罩直剪试验一般在平硐中进行，如在试坑或大口径钻孔内进行，则需设置反力装置。下图为常见的直剪试验布置方案当剪切面为陡倾时采用(e)、(f)方案。当剪切面水平或近水平时，采用(a)、(b)、(c)、(d)方案，其中(a)、(b)、(c)为平推法，(d)为斜推法。②试件制备与地质描述a.试件制备。在选定的试验部位，切割出方柱形试件，要求如下：（a）同一组试件的地质条件应基本相同且尽可能不受开挖的扰动；每组试件宜不少于5块；每块试件面积不小于2500