岩石钻孔原位测试技术的应用与改进

APPLICATION AND IMPROVEMENT OF ROCK BOREHOLE IN-SITU TEST TECHNOLOGY
JIA Zhixin，WANG Xiaogang，ZHAO Yufei，WANG Yujie
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China)
Abstract：The method to obtain the rock mass mechanical parameters is critically important in geotechnical engineering. Thus in-situ test technology is basically employed to overcome the defects of disturbance and size effect in laboratory tests when determining mechanical parameters of rock mass. Recently，the borehole shear test(BST) is used extensively in soil direct shear tests，but the application for rock mass is rarely reported. Since the rock borehole shear test(RBST) equipment was introduced by China Institute of Water Resources and Hydropower Research in 2009，some in-situ test results have been obtained in geotechnical engineering sites. To overcome defects of RBST in engineering application，the technology of in-situ borehole test is improved. And the rock borehole shear-compress test equipment has been developed. By the new test system，the mechanical and deformation parameters of rock mass can be obtained simultaneously，which will provide a new way for determining the rock mass mechanical parameters in geotechnical engineering. Key words： rock mechanics； borehole shear test； in-situ test technology； mechanical parameters； new type equipment 标，是进行坝基、边坡稳定分析的基础，直接关系
(a) 水平钻孔中的岩石钻孔剪切试验
2
岩石钻孔剪切试验技术及其应用
Fig.1
(b) 岩体剪切试验数据的回归分析曲线
2.1 钻孔剪切试验技术的发展 在岩土工程建设中，一般需要大量的地质钻孔 进行工程地质勘探，但是在巨大的经费代价下所钻 取的地质钻孔，其利用上仅仅是对得到的岩芯进行 编录(或获取室内试验所需岩芯)，目前利用岩体钻 孔进行岩体力学性能测试的设备还很少，导致这些 宝贵的岩体钻孔利用率和效益比相对较低。 2006 年修订的《工程地质手册》(第四版) 上 明确提到了土体钻孔剪切仪， 并指出： “其最大的优 点是操作简单、可重复性较高。钻孔剪切试验目前 在我国还尚未见有实用报道” 。 对于岩石的钻孔剪切 试验，国内同样未见相关研究及其实际工程应用的 相关论文与研究报告发表。 上世纪后期，R. L. Handy 等
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岩石力学与工程学报
2013 年
图2 Fig.2
钻孔剪切试验原理示意图
Sketch of principle of borehole shear test
T，则作用在岩片上的正应力和剪应力分别为
P/ A
T / (2 A)
(1) (2)
根据常规岩体直剪试验的整理方法，即根据各 剪切阶段特征点的剪应力与正应力值，采用图解法 或者最小二乘法绘制剪应力与正应力的关系曲线， 如图 1 所示。采用回归分析得到相应的抗剪强度参 数，内摩擦因数 f 和黏聚力 c 分别为
图 3 岩石钻孔剪切仪结构图 Structural diagram of rock borehole shear test
2.0 cm，其中，沿钻孔轴向长 2.5 cm(见图 3(b))，2
齿状凸起间可嵌入的岩片(或单片剪切面积)的面积 为 2.2×2.0 cm2。 液压千斤顶主要用于给连接剪切头的连杆施加 拉力，一般放置在孔口处(见图 4(a))。由于剪切头 被封装在带孔的框架内，通过孔口提拉与这一框架 相连的连杆使框架底部的基座向上推压剪切头，从 而施加剪应力。岩石钻孔剪切仪所能提供的最大正 应力为 85 MPa，所能提供的最大剪应力为 45 MPa， 适用于软～中硬的完整岩体。适合在孔径为 80 ～
第 32 卷 第 6 期 2013 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.32 No.6 June，2013
岩石钻孔原位测试技术的应用与改进
贾志欣，汪小刚，赵宇飞，王玉杰
(中国水利水电科学研究院，北京 100048)
在总结多年的
岩体现场工程力学特性测试手段的基础上，经过不 断尝试，开发出能够在工程现场利用地质勘探孔进 行岩体直剪试验的钻孔剪切仪(rock borehole shear test)，所开发的试验设备可以用于软～中硬且较为 完整的岩体中进行试验。由于其能够在工程现场利 用已有的岩石钻孔快速得到岩石抗剪强度参数，并
摘要：如何确定岩体工程力学特性是工程设计中的重要问题，也是长期困扰工程界的难题。由于原位测试技术可 克服室内试验扰动性及尺寸效应等缺点，逐渐发展成为一种重要的岩体力学参数取值手段。钻孔剪切试验技术近 年来被广泛应用于土体现场直剪试验中，但其在岩石工程中的应用较为少见。对所引进的岩石钻孔剪切仪进行工 程现场岩体钻孔剪切试验应用尝试，得到有益的试验结果。针对岩石钻孔剪切仪在工程实际应用中所存在的问题 及不足，对其进行改进与完善。在此基础上，研制开发新的岩石原位测试设备——钻孔剪切弹模原位测试系统， 实现同步获取岩体力学及变形参数，为岩体钻孔高效利用以及岩体工程力学参数的确定提供新的途径。 关键词：岩石力学；钻孔剪切试验；现场测试技术；力学参数；新型设备 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)06–1264–06
。为此，国内外的岩
土工程研究者都非常重视现场岩体试验技术的研究。 相对于日益发展的计算机模Biblioteka Baidu技术，岩土工程 中岩石试验(尤其是现场原位试验)技术发展较慢， 国际岩石力学学会推荐的 52 种相关的岩体试验方法， 大部分还停留在 20 a 前(甚至更早)的研究水平[3]。由 于室内试验试样尺寸局限性而导致代表性差、取样 困难、具有一定扰动性以及现场大剪与三轴试验昂 贵、周期长等原因，寻找和研究能快速、简易及可 靠确定岩体抗剪参数的原位测试手段成为岩土工程 界内亟需解决的问题之一。 本文对所引进的岩石钻孔剪切仪在向家坝水电 站工程中进行了现场应用研究，并针对应用中发现 的问题，结合岩土工程中其他常用钻孔岩体工程 特性测试方法，研制、开发了新一代岩体原位测试 设备——岩体钻孔剪切弹性模量测试系统。该测试 系统对岩土体扰动小，具有原位测试的优点。不仅 可测试岩体力学强度，同时可得到变形参数，具有 快速、方便等优点，能在短时间内获得大量试验数 据，可为岩体工程参数确定提供一种新的技术手段。
第 32 卷
第6期
贾志欣等：岩石钻孔原位测试技术的应用与改进
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确定岩体抗剪强度参数的方法很多，但是在很大程 度上仍然是在室内试验基础上参考、借鉴以往积累的 经验确定岩体抗剪强度参数
[1-2]
可进行不同角度的钻孔剪切试验，因此，在美国、 日本等一些国家相关的实际工程勘察设计中得到了 应用，取得了重要的工程应用经验。图 1(a)所示为利 用钻孔剪切仪在水平钻孔中进行岩体剪切试验的照 片，图 1(b)所示为根据钻孔剪切试验数据得到的岩 体力学强度参数拟合曲线。
1
引
言
到工程的经济与安全。由于岩体赋存于一定的地质 环境中，不但其应力环境复杂，且包含随机发育的 空间离散结构面，其工程力学特性难以把握。目前，
岩体抗剪强度参数是岩土工程设计的重要指
收稿日期：2013–01–11；修回日期：2013–02–25 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB013502)；国家自然科学基金资助项目(51179210)；中国水利水电科学研究院流域水循环模拟 与调控国家重点实验室自主研究课题资助项目(2013ZY05) 作者简介：贾志欣(1957–)，女，1982 年毕业于华北水利水电学院工程地质专业，现任教授级高级工程师，主要从事岩质边坡稳定与支护方面的研究 工作。E-mail：jiazx@iwhr.com
[5-6] [4]
图1
在岩体钻孔中进行钻孔剪切试验
In-situ RBST experiments in rock borehole
2009 年， 中国水利水电科学研究院引进爱荷华 大学研制的岩石钻孔剪切仪，在实验室利用混凝土 模型进行了钻孔剪切试验试验，同时，利用数值模 拟仿真工具对岩石钻孔剪切仪试验机制进行了细致 的分析，并在向家坝水电站坝基岩体中进行了应用 研究。 2.2 岩石钻孔剪切试验原理及试验装置 2.2.1 试验原理 岩石钻孔剪切仪进行钻孔孔壁岩石剪切试验原 理与室内和现场的直剪试验原理相同。主要是利用 剪切头上 2 块对称的带有齿状突起的剪切板压入钻 孔孔壁内，使剪切板上两平行的齿状凸起间形成一 薄层岩片，再通过提拉与剪切头连接的钢杆，实现 嵌入齿状凸起的岩片直接剪切破坏，如图 2 所示。 岩石钻孔剪切试验可以看作沿着这一薄层岩片 (见 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，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分别为 P 和
2.2.2
试验装置
Fig.3
(b) 剪切板在试验后所黏岩屑
岩石钻孔剪切仪主要由剪切头、法向力和剪切 力(提拉力)的液压控制装置、提供应力的液压千斤 顶和连杆以及油管等附属部分组成。 剪切头为钻孔剪切仪的核心部位，由 2 块有平 行齿状突起的弧形剪切板和可带动剪切板扩张和回 缩的活塞组成(见图 3(a))。剪切板大小为 2.5 cm×
Fig.4
(a) 钻孔剪切仪反力装置 (b) 钻孔剪切仪控制装置
图4
钻孔剪切仪试验反力支架与控制装置
Reaction frame and control device of rock borehole shear test
在钻孔剪切过程中，法向应力和剪应力可以通 过控制台上的液压表(见图 4(b))分别读取。 2.3 工程应用 利用引进的岩石钻孔剪切仪，在向家坝水电站 坝基岩体先后 2 次进驻向家坝现场，共进行了 60
85 mm 的钻孔中使用。
(a) 钻孔剪切仪主要结构示意图
f
n
i i i 2 i i 2 i
2 i
(3)
c
n n
i i 2 i 2 i
i i
(4)
式中：n 为所做直剪试验组数； i ， i 分别为各直 剪试验正应力与剪应力。