岩体原位测试

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。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。

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[CD*2]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。

一、承压板法

承压板法又分为刚性承压板法（图1）和揉性承压板法，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。

1－液压千斤顶；2－传力柱；3－垫板；4－砂浆顶板；5－千分表；6－刚性层压板

(一)基本原理

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；根据布辛湟斯克公式，刚性承压板下各点的垂直变形(W)可表示为：

式中：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)。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+we

wp为永久变形（残余变形），裂隙及充填物的变形。（如下图）

（二）试验方法

（1）平面加荷法:承压板法、狭缝法（液压枕）

（2）环形加荷法（水压洞室试验）

（三）试验设备

1、加压系统：油压千斤顶、液压枕、圆形水压室，油泵、高压胶管

2、传力系统：承压板（45#钢，3cm厚）、垫板（A3 钢，2-3cm）、传力柱（厚壁钢管）

3、量测系统：压力表、千分表、测表支架、测量标点

（四）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Pmax

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。

（1）逐级一次循环加卸荷(如下图）

（2）逐级多次循环加卸荷（如下图）

（3）一级多次循环加卸荷（如下图）

5、变形稳定标准

D w/w < 5%

D 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

（五）试验成果

1、绘制p—w曲线

2、计算E0、Es

E0=pb(1-m2)w/w0

Es=pb(1-m2)w/we

P-承压板单位面积压力（MPa），b-承压板直径或边长（m），

m-泊松比，w0总变形（m），we弹性变形（m），w刚度系数。

3、环形法计算公式（用于深部岩体有压洞室）

（1）E0=p(1+µ)r/y

p—试洞内水压力（105Pa），r=d/2 ,d—直径（cm），

y—试洞表面平均位移（cm）。

（2）岩石抗力系数

为便于比较，单位抗力系数K0=E0/100(1+ µ)

意义：半径为100厘米隧洞围岩抗力系数（抵抗变形的能力）

1—液压枕；2—槽壁；3—油管；4—测表支架；5—百分表(绝对测量)；6—磁性表架；7—测量标点；8—砂浆；9—标准压力 〖JZ〗表；10—百分表(相对测量)；11—油泵

三、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(图5)，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。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。

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。静力法又可分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压法等。动力法据弹性波的激发方式不同，又分为声波法和地震法。其中承压板法又分为刚性承压板法和揉性承压板法。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。通过试验可以绘制p-w曲线、计算E0、Es 等。

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。

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。

第三节岩体强度试验

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。