第五章巖體原位測(cè)試

1、5.1 概述5.2 巖體變形實(shí)驗(yàn)5.2.1承壓板實(shí)驗(yàn)5.2.2狹縫法5.2.3鉆孔變形法5.3巖體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)5.3.1直剪試驗(yàn)5.3.2三軸試驗(yàn) 巖體巖體原位測(cè)試是在現(xiàn)場(chǎng)制備試件模擬工程作用對(duì)原位測(cè)試是在現(xiàn)場(chǎng)制備試件模擬工程作用對(duì)巖體施加外荷載，進(jìn)而求取巖體力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)方法，巖體施加外荷載，進(jìn)而求取巖體力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)方法，是巖土工程勘察的重要手段之一。巖體原位測(cè)試的最是巖土工程勘察的重要手段之一。巖體原位測(cè)試的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)巖體擾動(dòng)小，大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)巖體擾動(dòng)小，盡可能地保持了巖體的天然盡可能地保持了巖體的天然結(jié)構(gòu)和環(huán)境狀態(tài)結(jié)構(gòu)和環(huán)境狀態(tài)，使測(cè)出的巖體力學(xué)參數(shù)直觀、準(zhǔn)確；，使測(cè)出的巖體力學(xué)參數(shù)直觀、準(zhǔn)

2、確；其缺點(diǎn)是試驗(yàn)其缺點(diǎn)是試驗(yàn)設(shè)備笨重設(shè)備笨重、操作復(fù)雜操作復(fù)雜、工期長(zhǎng)工期長(zhǎng)、費(fèi)用高費(fèi)用高。另外，原位測(cè)試的試件與工程巖體相比，其尺寸還是另外，原位測(cè)試的試件與工程巖體相比，其尺寸還是小得多，所測(cè)參數(shù)也只能代表一定范圍內(nèi)的巖體力學(xué)小得多，所測(cè)參數(shù)也只能代表一定范圍內(nèi)的巖體力學(xué)性質(zhì)。因此，要取得整個(gè)工程巖體的力學(xué)參數(shù)，必須性質(zhì)。因此，要取得整個(gè)工程巖體的力學(xué)參數(shù)，必須有一定數(shù)量試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)方法求得。有一定數(shù)量試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)方法求得。 承壓板法又分為承壓板法又分為剛性承壓板法剛性承壓板法和和柔性承壓板柔性承壓板法，法，我國(guó)多采用剛性承壓板法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是我國(guó)多采用剛性承壓板法。該方

3、法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)簡(jiǎn)便便、直觀直觀，能較好地模擬建筑物基礎(chǔ)的受力狀能較好地模擬建筑物基礎(chǔ)的受力狀態(tài)和變形特征態(tài)和變形特征。除常規(guī)的承壓板法外，還有一。除常規(guī)的承壓板法外，還有一種承壓板下中心孔變形測(cè)試的方法，即在承壓種承壓板下中心孔變形測(cè)試的方法，即在承壓板下試驗(yàn)體中心打一測(cè)量孔，采用多點(diǎn)位移計(jì)板下試驗(yàn)體中心打一測(cè)量孔，采用多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)定巖體不同深度處的變形值。此外，國(guó)際巖測(cè)定巖體不同深度處的變形值。此外，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)測(cè)試委員會(huì)還推薦了一種現(xiàn)場(chǎng)孔底石力學(xué)學(xué)會(huì)測(cè)試委員會(huì)還推薦了一種現(xiàn)場(chǎng)孔底承壓板法變形試驗(yàn)。承壓板法變形試驗(yàn)。 剛性承壓板法是通過剛性承壓板剛性承壓板法是通過剛性承壓板( (其彈性模量

4、大于巖體一個(gè)數(shù)量級(jí)以其彈性模量大于巖體一個(gè)數(shù)量級(jí)以上上) )對(duì)半無限空間巖體表面施加壓力對(duì)半無限空間巖體表面施加壓力并量測(cè)各級(jí)壓力下巖體的變形；按彈并量測(cè)各級(jí)壓力下巖體的變形；按彈性理論公式計(jì)算巖體變形參數(shù)的方法。性理論公式計(jì)算巖體變形參數(shù)的方法。該方法視巖體為均質(zhì)、連續(xù)、各向同該方法視巖體為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的半無限彈性體；根據(jù)布辛涅斯克性的半無限彈性體；根據(jù)布辛涅斯克公式，剛性承壓板下各點(diǎn)的垂直變形公式，剛性承壓板下各點(diǎn)的垂直變形( (w w) )可表示為：可表示為：02)1(EAmpw式中：式中：A A：承壓板面積；：承壓板面積；E E0 0：巖體的變形模量；：巖體的變形模量；p p：

5、承壓板上單位面積壓力；：承壓板上單位面積壓力；：巖體的泊松比；：巖體的泊松比；m m：與承壓板形狀、剛度有關(guān)的系數(shù)。：與承壓板形狀、剛度有關(guān)的系數(shù)。根據(jù)上式，量測(cè)出某級(jí)壓力下巖體表面任一點(diǎn)的變形量，即可求出巖體的根據(jù)上式，量測(cè)出某級(jí)壓力下巖體表面任一點(diǎn)的變形量，即可求出巖體的變形模量變形模量 (E(E0 0) )。 1試件制備 應(yīng)根據(jù)工程需要和工程地質(zhì)條件選擇代表性試驗(yàn)地段和試驗(yàn)點(diǎn)位置，在預(yù)定的試驗(yàn)點(diǎn)部 位制備試件，具體要求如下： (1)試段開挖時(shí)，應(yīng)盡可能減少對(duì)巖土體的擾動(dòng)和破壞。 (2)試件受壓方向應(yīng)與建筑物基礎(chǔ)的實(shí)際受力方向一致。 (3)試件的邊界條件應(yīng)滿足下列要求：承壓板邊緣至硐側(cè)壁的

6、距離應(yīng)大于承壓板直徑的15倍；至硐口或掌子面的距離應(yīng)大于承壓板直徑的2倍；至臨空面的距離應(yīng)大于承壓板直徑的6倍；兩試件邊緣問的距離應(yīng)大于承壓板直徑的3倍；試件表面以下3倍承壓板直徑深度范圍內(nèi)的巖性宜相同。 5.2.1.3儀器設(shè)備及其安裝調(diào)試1 1儀器設(shè)備儀器設(shè)備 承壓板法所需儀器設(shè)備及規(guī)格要求如下：（1 1）加壓系統(tǒng)）加壓系統(tǒng)液壓千斤頂12臺(tái)，其出力應(yīng)根據(jù)巖體的堅(jiān)硬程度、最大試驗(yàn)壓力及承壓板面積等選定，并按規(guī)范要求進(jìn)行率定。試驗(yàn)試驗(yàn)要求要求P0Pi （2）逐級(jí)多次循環(huán)加卸荷）逐級(jí)多次循環(huán)加卸荷 pw（3 3）一級(jí)多次循環(huán)加卸荷）一級(jí)多次循環(huán)加卸荷pw5 5、變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn) w/w

7、w/w 5% 5% w w相鄰兩次讀數(shù)差（相鄰兩次讀數(shù)差（1010分鐘讀數(shù)一次）分鐘讀數(shù)一次） w w相鄰兩級(jí)壓力變形讀數(shù)差相鄰兩級(jí)壓力變形讀數(shù)差（1 1）逐級(jí)一次循環(huán)加卸）逐級(jí)一次循環(huán)加卸荷荷pw現(xiàn)場(chǎng)靜力加卸荷，測(cè)定Pw曲線，取得巖體變形比例極限（P0）以內(nèi)的某一定壓力下的總變形量（w0）及彈性變形量（we）。然后計(jì)算E0、Es. w0=wp+wewp為永久變形（殘余變形），裂隙及充填物的變形。 4、測(cè)表調(diào)整與調(diào)換 5、記錄 6、試驗(yàn)設(shè)備拆卸試驗(yàn)試驗(yàn)成果成果 1 1、繪制、繪制pwpw曲線曲線以壓力P (MPa)為縱坐標(biāo)、變形值W為橫坐標(biāo)，繪制P一W-關(guān)系曲線。在曲線上求取某壓力下巖體的彈性

8、變形、塑性變形及總變形值。 2 2、計(jì)算、計(jì)算E E0 0、EsEs E E0 0=pb(1-=pb(1- 2 2) ) /w/w0 0 E Es s=pb(1-=pb(1- 2 2) ) / /w we eP-P-承壓板單位面積壓力（承壓板單位面積壓力（MPa)MPa)，b-b-承壓板直徑或承壓板直徑或邊長(zhǎng)（邊長(zhǎng)（m m），）， - -泊松比，泊松比，w w0 0總變形（總變形（m m），），w we e彈性變彈性變形（形（m m），）， 剛度系數(shù)或者承壓板形狀系數(shù)。剛度系數(shù)或者承壓板形狀系數(shù)。狹縫法又稱刻槽法。一般是在巷道或試驗(yàn)平硐狹縫法又稱刻槽法。一般是在巷道或試驗(yàn)平硐底板或側(cè)壁巖面上底

9、板或側(cè)壁巖面上進(jìn)行。進(jìn)行。狹縫法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備狹縫法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備輕便、安裝較簡(jiǎn)單，對(duì)巖體擾動(dòng)小，能適應(yīng)于輕便、安裝較簡(jiǎn)單，對(duì)巖體擾動(dòng)小，能適應(yīng)于各種方向加壓，且適合于各類堅(jiān)硬完整巖體，各種方向加壓，且適合于各類堅(jiān)硬完整巖體，是目前工程上經(jīng)常采用的方法之一。它的缺點(diǎn)是目前工程上經(jīng)常采用的方法之一。它的缺點(diǎn)是假定條件與實(shí)際巖體有一定的出入，將導(dǎo)致是假定條件與實(shí)際巖體有一定的出入，將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大，且隨測(cè)量位置不同而異計(jì)算結(jié)果誤差較大，且隨測(cè)量位置不同而異1 1、基本原理：在巖面上開一狹縫，將液壓枕放入，再用、基本原理：在巖面上開一狹縫，將液壓枕放入，再用水泥砂漿填實(shí)；待砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)液

10、壓枕加壓；水泥砂漿填實(shí)；待砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)液壓枕加壓；利用布置在狹縫中垂線上的測(cè)點(diǎn)量測(cè)巖體的變形，進(jìn)而利用布置在狹縫中垂線上的測(cè)點(diǎn)量測(cè)巖體的變形，進(jìn)而根據(jù)彈性力學(xué)公式計(jì)算巖體的變形模量。根據(jù)彈性力學(xué)公式計(jì)算巖體的變形模量。2 2、試件、試件制備制備：（：（1 1）清除掉試件范圍內(nèi)的浮石和松動(dòng)巖）清除掉試件范圍內(nèi)的浮石和松動(dòng)巖塊；塊；（2 2）試件邊界條件應(yīng)滿足一定要求：狹縫邊緣至洞壁距）試件邊界條件應(yīng)滿足一定要求：狹縫邊緣至洞壁距離大于離大于1.51.5倍狹縫長(zhǎng)度，距離洞口和掌子面距離大于倍狹縫長(zhǎng)度，距離洞口和掌子面距離大于2 2倍倍狹縫長(zhǎng)度，兩狹縫之間距離大于狹縫長(zhǎng)度，兩狹縫之間距離大

11、于3 3倍狹縫長(zhǎng)度。倍狹縫長(zhǎng)度。3 3、儀器設(shè)備與安裝：加壓系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)。、儀器設(shè)備與安裝：加壓系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)。4 4、 試驗(yàn)步驟：（試驗(yàn)步驟：（1 1）準(zhǔn)備工作；（）準(zhǔn)備工作；（2 2）加壓；（）加壓；（3 3）重復(fù)）重復(fù)加壓；（加壓；（4 4）測(cè)）測(cè) 表調(diào)整與調(diào)換；（表調(diào)整與調(diào)換；（5 5）試驗(yàn)設(shè)備拆卸。）試驗(yàn)設(shè)備拆卸。 （3 3）鉆孔變形法）鉆孔變形法 鉆孔變形法是利用鉆孔膨脹計(jì)或壓力計(jì)，對(duì)孔壁鉆孔變形法是利用鉆孔膨脹計(jì)或壓力計(jì)，對(duì)孔壁施加徑向水壓力，測(cè)記各級(jí)壓力下的鉆孔徑向變形施加徑向水壓力，測(cè)記各級(jí)壓力下的鉆孔徑向變形U。按彈性力學(xué)中厚壁筒理論，鉆孔徑向變形按彈性力學(xué)中厚壁筒理論，

12、鉆孔徑向變形U為為: :式中：式中：d鉆孔直徑鉆孔直徑(cm)； p壓力壓力(MPa)；其余符號(hào)意義同前。；其余符號(hào)意義同前。 利用式上式可求得巖體的變形模量。利用式上式可求得巖體的變形模量。0)1 (EdpU 與承壓板法相比較，與承壓板法相比較，鉆孔變形法的優(yōu)點(diǎn)是鉆孔變形法的優(yōu)點(diǎn)是： 對(duì)巖體擾動(dòng)小。對(duì)巖體擾動(dòng)小。 可以在地下水位以下和較深的部位進(jìn)行?？梢栽诘叵滤灰韵潞洼^深的部位進(jìn)行。 試驗(yàn)方向基本不受限制，且試驗(yàn)壓力可以達(dá)試驗(yàn)方向基本不受限制，且試驗(yàn)壓力可以達(dá)到很大。到很大。 在一次試驗(yàn)中可以同時(shí)量測(cè)幾個(gè)不同方向的在一次試驗(yàn)中可以同時(shí)量測(cè)幾個(gè)不同方向的變形，便于研究巖體的各向異性。其主要缺

13、點(diǎn)是變形，便于研究巖體的各向異性。其主要缺點(diǎn)是試驗(yàn)涉及的巖體體積較小。該方法較適合于軟巖試驗(yàn)涉及的巖體體積較小。該方法較適合于軟巖或半堅(jiān)硬巖體?；虬雸?jiān)硬巖體。 巖體的強(qiáng)度參數(shù)是工程巖體破壞機(jī)理分析及穩(wěn)定巖體的強(qiáng)度參數(shù)是工程巖體破壞機(jī)理分析及穩(wěn)定性計(jì)算不可缺少的參數(shù)，目前主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體力性計(jì)算不可缺少的參數(shù)，目前主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)試驗(yàn)求得。特別是在一些大型工程的詳勘階段，學(xué)試驗(yàn)求得。特別是在一些大型工程的詳勘階段，大型巖體力學(xué)試驗(yàn)占有很重要的地位，是主要的勘大型巖體力學(xué)試驗(yàn)占有很重要的地位，是主要的勘察手段。察手段。 原位巖體強(qiáng)度試驗(yàn)主要有原位巖體強(qiáng)度試驗(yàn)主要有直剪試驗(yàn)直剪試驗(yàn)、單軸單軸和和

14、三軸三軸抗壓試驗(yàn)抗壓試驗(yàn)等。由于原位巖體試驗(yàn)考慮了巖體結(jié)構(gòu)及等。由于原位巖體試驗(yàn)考慮了巖體結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)面的影響，因此其試驗(yàn)成果較室內(nèi)巖塊試驗(yàn)其結(jié)構(gòu)面的影響，因此其試驗(yàn)成果較室內(nèi)巖塊試驗(yàn)更符合實(shí)際。更符合實(shí)際。 （1 1）直剪試驗(yàn)）直剪試驗(yàn) 基本原理與方法基本原理與方法 巖體原位直剪試驗(yàn)是巖體力學(xué)試驗(yàn)中常用的方法，巖體原位直剪試驗(yàn)是巖體力學(xué)試驗(yàn)中常用的方法，它又可分為巖體本身、巖體沿結(jié)構(gòu)面及巖體與混凝土它又可分為巖體本身、巖體沿結(jié)構(gòu)面及巖體與混凝土接觸面剪切三種。每種試驗(yàn)又可細(xì)分為抗剪斷試驗(yàn)、接觸面剪切三種。每種試驗(yàn)又可細(xì)分為抗剪斷試驗(yàn)、摩擦試驗(yàn)及抗切試驗(yàn)。摩擦試驗(yàn)及抗切試驗(yàn)。 抗剪斷試驗(yàn)是試件

15、在一定的法向應(yīng)力作用下沿某一抗剪斷試驗(yàn)是試件在一定的法向應(yīng)力作用下沿某一剪切面剪切破壞的試驗(yàn)，所求得的強(qiáng)度為試體沿該剪剪切面剪切破壞的試驗(yàn)，所求得的強(qiáng)度為試體沿該剪切面的抗剪斷強(qiáng)度；切面的抗剪斷強(qiáng)度； 摩擦試驗(yàn)是試件剪斷后沿剪切面繼續(xù)剪切的試驗(yàn)，摩擦試驗(yàn)是試件剪斷后沿剪切面繼續(xù)剪切的試驗(yàn)，所求得的強(qiáng)度為試件沿該剪切面的殘余剪切強(qiáng)度；所求得的強(qiáng)度為試件沿該剪切面的殘余剪切強(qiáng)度； 抗切試驗(yàn)是法向應(yīng)力為零時(shí)試件沿某一剪切面破壞抗切試驗(yàn)是法向應(yīng)力為零時(shí)試件沿某一剪切面破壞的試驗(yàn)。的試驗(yàn)。 巖體本身抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)安裝示意圖巖體本身抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)安裝示意圖 1-砂漿頂板；砂漿頂板；2-鋼板；鋼板；3-傳力柱；

16、傳力柱；4-壓力表；壓力表；5-液壓千斤頂；液壓千斤頂；6-滾軸排；滾軸排；7-混凝土后座；混凝土后座；8-斜墊板；斜墊板；9-鋼筋混凝土保護(hù)罩鋼筋混凝土保護(hù)罩 直剪試驗(yàn)一般在平硐中進(jìn)行，如在試坑或大口徑直剪試驗(yàn)一般在平硐中進(jìn)行，如在試坑或大口徑鉆孔內(nèi)進(jìn)行，則需設(shè)置反力裝置。下圖為常見的直剪鉆孔內(nèi)進(jìn)行，則需設(shè)置反力裝置。下圖為常見的直剪試驗(yàn)布置方案試驗(yàn)布置方案 當(dāng)剪切當(dāng)剪切面為陡傾時(shí)面為陡傾時(shí)采用采用(e)(e)、(f)(f)方案。方案。 當(dāng)剪切面水平或近水平時(shí)，采用當(dāng)剪切面水平或近水平時(shí)，采用(a)(a)、(b)(b)、(c)(c)、(d)(d)方案，其中方案，其中(a)(a)、(b)(b)

17、、(c)(c)為平推法，為平推法，(d)(d)為斜推為斜推法。法。 試件制備與地質(zhì)描述試件制備與地質(zhì)描述 a.a.試件制備。試件制備。在選定的試驗(yàn)部位，切割出方柱形在選定的試驗(yàn)部位，切割出方柱形試件，要求如下：試件，要求如下： （a a）同一組試件的地質(zhì)條件應(yīng)基本相同且盡可能）同一組試件的地質(zhì)條件應(yīng)基本相同且盡可能不受開挖的擾動(dòng)；每組試件宜不少于不受開挖的擾動(dòng)；每組試件宜不少于5 5塊；每塊試件面塊；每塊試件面積不小于積不小于2500cm22500cm2，最小邊長(zhǎng)不小于，最小邊長(zhǎng)不小于50cm50cm，高度為最小，高度為最小邊長(zhǎng)的邊長(zhǎng)的1/21/2，試件之間的距離應(yīng)大于最小邊長(zhǎng)的，試件之間的距

18、離應(yīng)大于最小邊長(zhǎng)的1.51.5倍。倍。 （b b）試件各面需鑿平整；對(duì)裂隙巖體、軟弱巖體）試件各面需鑿平整；對(duì)裂隙巖體、軟弱巖體或結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土保護(hù)罩，罩底預(yù)留或結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土保護(hù)罩，罩底預(yù)留0.50.52cm2cm的剪切縫。的剪切縫。 （c c）對(duì)斜推法試件，在施加剪應(yīng)力的一面應(yīng)用混）對(duì)斜推法試件，在施加剪應(yīng)力的一面應(yīng)用混凝土澆注成斜面，也可在試件受剪力面放置一塊夾角凝土澆注成斜面，也可在試件受剪力面放置一塊夾角約約1515的楔形鋼墊板。的楔形鋼墊板。 b. b.地質(zhì)描述地質(zhì)描述 內(nèi)容與要求如下：內(nèi)容與要求如下： （a a）試驗(yàn)及開挖、試件制備的方法及其情況。）試驗(yàn)及開挖、試件制備的方法及其情況。 （b b）巖石類型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及主要礦物成分。）巖石類型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及主要礦物成分。 （c c）巖體結(jié)構(gòu)面類型、產(chǎn)狀、寬度、延伸性、）巖體結(jié)構(gòu)面類型、產(chǎn)狀、寬度、延伸性、密度及充填物性質(zhì)等。密度及充填物性質(zhì)等。 （d d）試驗(yàn)段巖體風(fēng)化程度及地下水情況。）試驗(yàn)