钻孔内测试岩体工程力学参数方法
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正应力 剪应力 （MPa） （MPa） 3.5 3.1 9.5 8.5 12.5 10.6 6.5 5.4 3.5 3.0 6.5 5.1 9.5 5.8 12.5 6.1 12.5 7.8 3.5 3.0 6.5 4.7 9.5 5.8 12.5 8.0
试验组 第一组试验 钻孔编号： RBX-7
f
Shear stress (Mpa)
4
y = 0.15x + 3.9667 R2 = 0.9643 y = 0.3369x + 0.5478 2 R = 0.9817
2
y = 0.5185x + 0.0857 2 R = 0.9914 0 0 5 10 Normal stress (MPa) 15 20
2012年09月23日
16
美国爱荷华州立大学所进行边坡软岩钻孔剪切试验结果
8 ( ' = 9 o, c' =3.97 MPa) (RBST) o BH8, 11.43m, S.W.Sh ( ' =19 , c' =0.55 MPa) (RBST) o BH9, 8.90m, S.W.Sh ( ' =27 , c' =0.086 MPa) (BST-H) BH7, 7.80m, S.W.Sh 6
钻孔内岩体工程力学参数原 位测试
贾志欣 2012年09月23日
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
2
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
3
前言
岩体是赋存于一定的地质环境中的地质体，不但其应力环境复杂，且 包含着随机发育的空间上离散的结构面，其工程力学特性十分难以把 握。岩体抗剪强度参数是岩土工程设计的重要指标，进行岩体工程稳 定性分析时确定合理的岩体抗剪强度参数是最基本和最重要的，也是 最难的一项工作，直接关系到工程的经济与安全。目前，确定岩体抗 剪强度参数的方法很多，但是在很大程度上仍然采用的是在室内外岩 体试验基础上，参考借鉴以往积累的经验来进行岩体抗剪强度参数的 确定。为此，国内外的岩土工程研究者都非常重视岩体的试验。
向家坝水电站钻孔剪切试验成果简介
（1）条带状灰黑色泥质粉砂岩的钻孔剪切实验数据回归得到f平均值为0.67，c平 均值为1.43MPa，试验数据线性拟合优度平均值为0.97。其中得到的岩体抗剪强 度参数中f值非常接近，而c离散较大。 （2）黑色泥岩的钻孔剪切试验数据回归分析可知，抗剪强度参数中f的平均值为 0.45，c的平均值为0.80MPa，试验数据线性拟合优度平均值为0.968。其中岩体f 值的离散性较小，而c离散较大。 （3）通过试验成果与地质工作者对相应岩体的抗剪强度参数建议值相比可知，钻 孔剪切试验得到的f值与地质建议值接近，且略小；但c值大于地质建议值，且幅 度较大[7,8]。
2012年09月23日
25
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
26
新型岩体钻孔测试设备的开发研制
岩体钻孔剪切弹模仪的研制
在引进的钻孔剪切仪工作原 理与实际应用的基础上，开发了 新一代的岩体原位工程特性测试 仪器，利用该设备可以在工程现 场的勘探钻孔中进行重要的岩体 力学特性试验，得到岩体抗剪强 度参数，岩体变形参数等重要工 程设计资料。并且可以结合其他 的岩体钻孔测试设备相配合，对 工程岩体进行合理评价，更好地 为工程设计、施工、验收、运行 中的重大决策基础技术支撑。
（a） 钻孔剪切弹模仪正视图
（b）钻孔剪切弹模仪纵剖面示意图
图9 钻孔剪切弹模仪总体结构示意图
2012年09月23日
27
新型岩体钻孔测试设备的开发研制
岩体钻孔剪切弹模仪的功能与特点
岩体剪切试验。通过改进了剪切仪上的上下盘刀，较美国爱荷华大学研发的 钻孔剪切仪，增加了剪切面积，基本上实现了在钻孔中进行的真正意义上的 剪切试验。 岩体变形试验。通过橡胶膜向岩体钻孔孔壁施加应力，对岩体的弹性模量与 变形模量进行测试； 复杂应力条件下的岩体原位剪切试验。可进行多级荷载作用后的岩体剪切试 验，或者根据工程实际设计复杂应力条件下的岩体原位剪切试验。利用同一 个设备可同时完成弹模与剪切试验。并且一次入孔可作不同位臵多点测试， 省时省力，可以方便快捷地得到岩体抗剪力学强度参数。 岩体工程质量分级。结合其他钻孔测试设备，如钻孔声波测试设备、钻孔电 视，并结合岩心质量评价的RQD系统，全面综合对岩体工程质量进行评价。
2012年09月23日
9
钻Fra Baidu bibliotek剪切试验（RBST）简介
岩石钻孔剪切试验仪（RBST）主要部件 为由两块剪切板组成的剪切头和液压装臵， 由液压千斤顶提供动力，通过剪切板向钻 孔围岩施加正应力和剪应力。保持剪切板 上的正应力不变，增加剪应力直至钻孔岩 壁破坏，此时的剪应力便是该正应力水平 下的剪切强度。
2012年09月23日
20
**水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用
2012年09月23日
21
向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用
2009年底及2010年5月，进行了60余组钻孔剪切试验，其中黑色条带状泥质粉砂 岩中进行了3组钻孔剪切试验，试验位置约为消力池底板下4m处；黑色泥岩钻孔中共 进行了47组试验。
c (MPa) 0.07
R平方值
备注 试验深度距孔口 0.25m～0.40m
0.85
0.994
第二组试验 钻孔编号： RBX-7
第三组试验 钻孔编号： RBX-7
0.50
1.40
0.968
试验深度距孔口 0.65m～0.85m
0.54
1.08
0.984
试验深度距孔口 0.80m～0.95m
泥岩钻孔剪切典型试验数据以及回归拟合曲线 2012年09月23日 22
2012年09月23日
4
节理岩体抗剪强度参数确定方法
类别
理论 方法
方法
损伤力学 断裂力学 结构面网络模拟
优点
理论严密
缺点
岩体高度非线性，无 可操作成果。
试验 方法
直剪（室内和现场） 直观，目前规范和设 取样扰动，试样不能 三轴（室内和现场） 计中主要依据的方法。 代表岩体参数。 原位测试（声波） Hoek-Brown Q RMR Z 适用于发育3组以上 结构面并可以假设为 各向同性的节理岩体 不适合于结构面、软 岩； 取值与技术人员有很 大关系，有较强的随 意性。
齿状凸起
梯形螺纹钢杆
封装套管
可扩张活塞
可旋转的剪切头
推压板 滑轨
基座及触 发机构
2012年09月23日
10
钻孔剪切仪的基本原理
该实验可以看作沿着这 一薄层岩片（图2 中虚 线部分）的强制直剪破 坏试验。在岩石钻孔剪 切试验中，如嵌于齿状 凸起间岩片的面积为A， 作用于岩片上的法向力 和连杆的提拉力大小分 别为P 和T，则作用在岩 片上的正应力和剪应力 分别为 σ = P / A；τ = T / 2A
2012年09月23日
30
2012年09月23日
28
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
29
结论
钻孔剪切仪为国内岩体力学参数的确定提供了一条新的路径，一种新 的技术手段；从国外应用经验以及向家坝应用结果来看，钻孔剪切试 验结果与常规室内外试验具有较好的一致性；与常规试验相比，钻孔 剪切试验具有原位、快速、简便、经济等显著特点，可在中~软岩体 抗剪参数测试中发挥具大作用。 在试验中也发现钻孔剪切仪尚存在一些不尽人意之处，通过进一步改 进可使仪器更为合理、应用范围更为广泛，为岩体工程特性的确定提 供较为可靠的参考依据。 新开发的钻孔剪切弹模测试系统，综合了钻孔弹模测试仪与钻孔剪切 设备的优点，可以获得多种岩体工程力学特性指标。随着工程应用的 不断深入，其性能不断完善，切实为工程中岩体力学特性参数的确定 提供重要的基础资料。另外，设备轻便便于携带、操作简单，将为岩 石工程地质勘察试验提供一种新的技术手段。
经验 方法
前言
鉴于现有室内和现场试验 方法的局限性以及经验准 则的人为性，岩石工程界 一直没有放弃寻找和研究 一种能快速、简易和较可 靠确定岩体，特别是对 软～中等硬度岩体抗剪强 度参数的原位测试手段， 期望可以弥补现有现场大 剪量少和室内试验试样易 受扰动代表性差等问题。 事实上寻找和研究能快速、 简易和较可靠确定岩体抗 剪参数的原位测试手段已 成为岩土工程界内亟需解 决的重要瓶颈问题之一。
2012年09月23日 中国水利水电科学研究院岩土所 6
前言
钻孔剪切仪能够在现场快速进行岩体剪切试验的便携设备，可以弥补 现有现场大剪量少和室内试验试样易受扰动代表性差等问题。进行了 室内试验与工程现场应用，在总结钻孔剪切仪的优缺点基础上，结合 了岩土工程中常用的其他钻孔岩体工程特性测试方法，研制开发了第 一代岩体原位测试设备——岩体钻孔剪切弹模测试系统。
日本进行钻孔剪切试验研究 ，右图所示的是日本对同一 种岩体所进行的室内试验与 现场钻孔剪切试验的比对分 析，通过图中可以看出，钻 孔剪切试验得到的岩体内摩 擦角与内聚力分别为43.4度 与0.4MPa，而室内试验得到 的岩体体内摩擦角与内聚力 分别为42.4度与0.67MPa，. 另外从图中可以看出，两者 具有较好的一致性。
2012年09月23日
23
岩体钻孔剪切试验（RBST）主要优点
方便快捷 能够在不同的方向上进行岩体的剪切实验 费用低廉，可以在一小时内得到岩体抗剪强度参数
2012年09月23日
24
岩体钻孔剪切试验（RBST）几点不足
钻孔剪切试验仪中岩石的有效剪切面积较小；另外，由于剪切板 上的剪切齿高度仅有1mm，因此，剪切厚度很小，如果钻孔孔壁 不完整，则导致试验结果偏小； 由于剪切板上的剪切齿的存在，使得剪切齿在嵌入钻孔岩壁中， 孔壁岩体已经发生了破坏，并且在试验过程中剪切板上齿也会对 其上的岩体发生剪切破坏，因此，也将对试验成果造成一定的影 响； 为了解岩体变形特性，在工程应用中往往同时进行钻孔弹模试验， 不同的钻孔试验设备交替进行，因此试验实施较为繁琐，并且所 得到的试验资料也不利于对比分析。
2012年09月23日
17
美国爱荷华州立大学所进行的软弱岩体钻孔剪切试验结果
2012年09月23日
18
试验步骤
放臵剪切头到孔内指定深度； 剪切头和入孔连杆及油管重量的测试； 施加座压； 施加法向力，然后施加剪应力； 回缩剪切板，提升剪切头； 重新开始下一轮试验。
向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用
拉拔力/剪力 孔内侧 岩体
法向力 压力
孔内径
25mm
基本原理
25mm
剪切头
施加剪力的推力板
施加剪力装置
RBST的组成部分
剪切头
提供提拉力的 液压千斤顶
法向力和剪切力 控制装置
孔深、孔斜和孔径
孔深＝目前最深到20m 孔斜＝可以水平 孔径＝ 76~86mm
室内试验与RBST试验对比分析
2012年09月23日
7
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
8
钻孔剪切试验（RBST）简介
美国爱荷华州州立大学 Richard Handy教授自1970 年就提出了利用现场地质钻 孔进行孔内原位直接剪切试 验的想法，后经过多年不断 的研制开发与工程应用反馈， 于近期成功开发了适用于软 ~中等硬度岩体的岩石钻孔 剪切仪（英文名称为Rock Borehole Shear Test），并 已在美国、日本等国家得到 了应用。
试验组 第一组试验 钻孔编号： RBX-7
f
Shear stress (Mpa)
4
y = 0.15x + 3.9667 R2 = 0.9643 y = 0.3369x + 0.5478 2 R = 0.9817
2
y = 0.5185x + 0.0857 2 R = 0.9914 0 0 5 10 Normal stress (MPa) 15 20
2012年09月23日
16
美国爱荷华州立大学所进行边坡软岩钻孔剪切试验结果
8 ( ' = 9 o, c' =3.97 MPa) (RBST) o BH8, 11.43m, S.W.Sh ( ' =19 , c' =0.55 MPa) (RBST) o BH9, 8.90m, S.W.Sh ( ' =27 , c' =0.086 MPa) (BST-H) BH7, 7.80m, S.W.Sh 6
钻孔内岩体工程力学参数原 位测试
贾志欣 2012年09月23日
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
2
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
3
前言
岩体是赋存于一定的地质环境中的地质体，不但其应力环境复杂，且 包含着随机发育的空间上离散的结构面，其工程力学特性十分难以把 握。岩体抗剪强度参数是岩土工程设计的重要指标，进行岩体工程稳 定性分析时确定合理的岩体抗剪强度参数是最基本和最重要的，也是 最难的一项工作，直接关系到工程的经济与安全。目前，确定岩体抗 剪强度参数的方法很多，但是在很大程度上仍然采用的是在室内外岩 体试验基础上，参考借鉴以往积累的经验来进行岩体抗剪强度参数的 确定。为此，国内外的岩土工程研究者都非常重视岩体的试验。
向家坝水电站钻孔剪切试验成果简介
（1）条带状灰黑色泥质粉砂岩的钻孔剪切实验数据回归得到f平均值为0.67，c平 均值为1.43MPa，试验数据线性拟合优度平均值为0.97。其中得到的岩体抗剪强 度参数中f值非常接近，而c离散较大。 （2）黑色泥岩的钻孔剪切试验数据回归分析可知，抗剪强度参数中f的平均值为 0.45，c的平均值为0.80MPa，试验数据线性拟合优度平均值为0.968。其中岩体f 值的离散性较小，而c离散较大。 （3）通过试验成果与地质工作者对相应岩体的抗剪强度参数建议值相比可知，钻 孔剪切试验得到的f值与地质建议值接近，且略小；但c值大于地质建议值，且幅 度较大[7,8]。
2012年09月23日
25
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
26
新型岩体钻孔测试设备的开发研制
岩体钻孔剪切弹模仪的研制
在引进的钻孔剪切仪工作原 理与实际应用的基础上，开发了 新一代的岩体原位工程特性测试 仪器，利用该设备可以在工程现 场的勘探钻孔中进行重要的岩体 力学特性试验，得到岩体抗剪强 度参数，岩体变形参数等重要工 程设计资料。并且可以结合其他 的岩体钻孔测试设备相配合，对 工程岩体进行合理评价，更好地 为工程设计、施工、验收、运行 中的重大决策基础技术支撑。
（a） 钻孔剪切弹模仪正视图
（b）钻孔剪切弹模仪纵剖面示意图
图9 钻孔剪切弹模仪总体结构示意图
2012年09月23日
27
新型岩体钻孔测试设备的开发研制
岩体钻孔剪切弹模仪的功能与特点
岩体剪切试验。通过改进了剪切仪上的上下盘刀，较美国爱荷华大学研发的 钻孔剪切仪，增加了剪切面积，基本上实现了在钻孔中进行的真正意义上的 剪切试验。 岩体变形试验。通过橡胶膜向岩体钻孔孔壁施加应力，对岩体的弹性模量与 变形模量进行测试； 复杂应力条件下的岩体原位剪切试验。可进行多级荷载作用后的岩体剪切试 验，或者根据工程实际设计复杂应力条件下的岩体原位剪切试验。利用同一 个设备可同时完成弹模与剪切试验。并且一次入孔可作不同位臵多点测试， 省时省力，可以方便快捷地得到岩体抗剪力学强度参数。 岩体工程质量分级。结合其他钻孔测试设备，如钻孔声波测试设备、钻孔电 视，并结合岩心质量评价的RQD系统，全面综合对岩体工程质量进行评价。
2012年09月23日
9
钻Fra Baidu bibliotek剪切试验（RBST）简介
岩石钻孔剪切试验仪（RBST）主要部件 为由两块剪切板组成的剪切头和液压装臵， 由液压千斤顶提供动力，通过剪切板向钻 孔围岩施加正应力和剪应力。保持剪切板 上的正应力不变，增加剪应力直至钻孔岩 壁破坏，此时的剪应力便是该正应力水平 下的剪切强度。
2012年09月23日
20
**水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用
2012年09月23日
21
向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用
2009年底及2010年5月，进行了60余组钻孔剪切试验，其中黑色条带状泥质粉砂 岩中进行了3组钻孔剪切试验，试验位置约为消力池底板下4m处；黑色泥岩钻孔中共 进行了47组试验。
c (MPa) 0.07
R平方值
备注 试验深度距孔口 0.25m～0.40m
0.85
0.994
第二组试验 钻孔编号： RBX-7
第三组试验 钻孔编号： RBX-7
0.50
1.40
0.968
试验深度距孔口 0.65m～0.85m
0.54
1.08
0.984
试验深度距孔口 0.80m～0.95m
泥岩钻孔剪切典型试验数据以及回归拟合曲线 2012年09月23日 22
2012年09月23日
4
节理岩体抗剪强度参数确定方法
类别
理论 方法
方法
损伤力学 断裂力学 结构面网络模拟
优点
理论严密
缺点
岩体高度非线性，无 可操作成果。
试验 方法
直剪（室内和现场） 直观，目前规范和设 取样扰动，试样不能 三轴（室内和现场） 计中主要依据的方法。 代表岩体参数。 原位测试（声波） Hoek-Brown Q RMR Z 适用于发育3组以上 结构面并可以假设为 各向同性的节理岩体 不适合于结构面、软 岩； 取值与技术人员有很 大关系，有较强的随 意性。
齿状凸起
梯形螺纹钢杆
封装套管
可扩张活塞
可旋转的剪切头
推压板 滑轨
基座及触 发机构
2012年09月23日
10
钻孔剪切仪的基本原理
该实验可以看作沿着这 一薄层岩片（图2 中虚 线部分）的强制直剪破 坏试验。在岩石钻孔剪 切试验中，如嵌于齿状 凸起间岩片的面积为A， 作用于岩片上的法向力 和连杆的提拉力大小分 别为P 和T，则作用在岩 片上的正应力和剪应力 分别为 σ = P / A；τ = T / 2A
2012年09月23日
30
2012年09月23日
28
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
29
结论
钻孔剪切仪为国内岩体力学参数的确定提供了一条新的路径，一种新 的技术手段；从国外应用经验以及向家坝应用结果来看，钻孔剪切试 验结果与常规室内外试验具有较好的一致性；与常规试验相比，钻孔 剪切试验具有原位、快速、简便、经济等显著特点，可在中~软岩体 抗剪参数测试中发挥具大作用。 在试验中也发现钻孔剪切仪尚存在一些不尽人意之处，通过进一步改 进可使仪器更为合理、应用范围更为广泛，为岩体工程特性的确定提 供较为可靠的参考依据。 新开发的钻孔剪切弹模测试系统，综合了钻孔弹模测试仪与钻孔剪切 设备的优点，可以获得多种岩体工程力学特性指标。随着工程应用的 不断深入，其性能不断完善，切实为工程中岩体力学特性参数的确定 提供重要的基础资料。另外，设备轻便便于携带、操作简单，将为岩 石工程地质勘察试验提供一种新的技术手段。
经验 方法
前言
鉴于现有室内和现场试验 方法的局限性以及经验准 则的人为性，岩石工程界 一直没有放弃寻找和研究 一种能快速、简易和较可 靠确定岩体，特别是对 软～中等硬度岩体抗剪强 度参数的原位测试手段， 期望可以弥补现有现场大 剪量少和室内试验试样易 受扰动代表性差等问题。 事实上寻找和研究能快速、 简易和较可靠确定岩体抗 剪参数的原位测试手段已 成为岩土工程界内亟需解 决的重要瓶颈问题之一。
2012年09月23日 中国水利水电科学研究院岩土所 6
前言
钻孔剪切仪能够在现场快速进行岩体剪切试验的便携设备，可以弥补 现有现场大剪量少和室内试验试样易受扰动代表性差等问题。进行了 室内试验与工程现场应用，在总结钻孔剪切仪的优缺点基础上，结合 了岩土工程中常用的其他钻孔岩体工程特性测试方法，研制开发了第 一代岩体原位测试设备——岩体钻孔剪切弹模测试系统。
日本进行钻孔剪切试验研究 ，右图所示的是日本对同一 种岩体所进行的室内试验与 现场钻孔剪切试验的比对分 析，通过图中可以看出，钻 孔剪切试验得到的岩体内摩 擦角与内聚力分别为43.4度 与0.4MPa，而室内试验得到 的岩体体内摩擦角与内聚力 分别为42.4度与0.67MPa，. 另外从图中可以看出，两者 具有较好的一致性。
2012年09月23日
23
岩体钻孔剪切试验（RBST）主要优点
方便快捷 能够在不同的方向上进行岩体的剪切实验 费用低廉，可以在一小时内得到岩体抗剪强度参数
2012年09月23日
24
岩体钻孔剪切试验（RBST）几点不足
钻孔剪切试验仪中岩石的有效剪切面积较小；另外，由于剪切板 上的剪切齿高度仅有1mm，因此，剪切厚度很小，如果钻孔孔壁 不完整，则导致试验结果偏小； 由于剪切板上的剪切齿的存在，使得剪切齿在嵌入钻孔岩壁中， 孔壁岩体已经发生了破坏，并且在试验过程中剪切板上齿也会对 其上的岩体发生剪切破坏，因此，也将对试验成果造成一定的影 响； 为了解岩体变形特性，在工程应用中往往同时进行钻孔弹模试验， 不同的钻孔试验设备交替进行，因此试验实施较为繁琐，并且所 得到的试验资料也不利于对比分析。
2012年09月23日
17
美国爱荷华州立大学所进行的软弱岩体钻孔剪切试验结果
2012年09月23日
18
试验步骤
放臵剪切头到孔内指定深度； 剪切头和入孔连杆及油管重量的测试； 施加座压； 施加法向力，然后施加剪应力； 回缩剪切板，提升剪切头； 重新开始下一轮试验。
向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用
拉拔力/剪力 孔内侧 岩体
法向力 压力
孔内径
25mm
基本原理
25mm
剪切头
施加剪力的推力板
施加剪力装置
RBST的组成部分
剪切头
提供提拉力的 液压千斤顶
法向力和剪切力 控制装置
孔深、孔斜和孔径
孔深＝目前最深到20m 孔斜＝可以水平 孔径＝ 76~86mm
室内试验与RBST试验对比分析
2012年09月23日
7
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
8
钻孔剪切试验（RBST）简介
美国爱荷华州州立大学 Richard Handy教授自1970 年就提出了利用现场地质钻 孔进行孔内原位直接剪切试 验的想法，后经过多年不断 的研制开发与工程应用反馈， 于近期成功开发了适用于软 ~中等硬度岩体的岩石钻孔 剪切仪（英文名称为Rock Borehole Shear Test），并 已在美国、日本等国家得到 了应用。