第四章 岩体原位测试(岩土测试技术)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
百度文库
5）试件顶面和剪力面务必要与反力面平行 6）试件尺寸宜选用2500~10000cm2，最小边长应大 于50cm，试件高度应大于最小边长的一半 7）试件间距要大于最小边长 8）制备好试件后，不要放置太长时间 9）位移观测要求
试验要求
最大垂直荷载为工程设计最大应力的1.2倍 每组试验试件的数量不少于5个 法向荷载一次施加完毕，加荷后立即读数，以后 每隔5min读1次，两次读数之差小于0.01mm时， 即认为稳定，可开始施加剪切荷载 剪切荷载按预估最大剪切荷载分8~12次施加，每 隔5min加荷1次
第二节 岩体强度测试
岩体原位强度测试考虑了结构面的影响，测试结 果符合实际 一、现场岩体直剪试验 沿预定的剪切面进行，可分为： 1）岩体本身的抗剪强度试验 2）沿软弱结构面的抗剪强度试验 3）混凝土-岩体胶结面的抗剪强度试验 常把岩体抗剪强度试验分为三种：抗剪断试验、 摩擦试验(又称抗剪试验)和抗切试验
提出场地内各类土层的波速范围 按波速分层 对波速低的土层分析液化的可能性 估计场地的卓越周期 分析场地稳定性和边坡稳定性 为划分场地土的类别提供依据
1、岩土力学参数计算
E
v 3v 4v
2 s 2 p
2 s
v v
2 p 2 s 2 s 2 s
2 s
G v
v 2v 2 v v
中硬场地土
中软场地土 软弱场地土
3、计算场地的卓越周期
4H i T i 1 vsi
n
2014-6-8
土动力学
4、液化判别（如果15m内的土层有饱和粉土或砂土）
用剪切波波速临界值判别： 砂土： 2 Vscr k d s 0.01d s 粉土： Vscr k d s 0.0133d s2 计算系数k
一、千斤顶法（承压板法）
基本原理
该法就是通过刚性或柔性承压板将 荷载加在无限空间的岩面上，测量 岩体变形，并把岩体视为均质、连 续、各向同性的理想弹性体，按半 无限弹性体表面受局部荷载的布西 涅斯克(Boussniesg)解，根据所采用 的承压板的刚度和形状求解岩体的 变形模量等。
试验装置
1）承压板 2）加压装置 3）反力装置 4）量测装置
3.
4. 5. 6. 7. 8. 9.
试验步骤 1. 清洗试点岩体表面，铺一层水泥浆（厚度不大于 1cm），放上刚性承压板，轻击承压板，挤出多余 水泥浆，并使承压板平行于试点表面 2. 在承压板上放置千斤顶，其加荷中心应与承压板中 心重合 3. 在千斤顶上依次安装垫 板、 传力柱、垫板，在 垫板和 反力后座岩体之 间浇筑混 凝土或安装反 力装置 4. 安装完毕后，起动千斤 顶 稍加压力或在传力柱 与垫 板间楔进楔形垫块， 使整个 系统结合紧密
水压致裂法
当井眼压力足够高时，井壁会 劈开一条裂缝，这一过程称为水 力压裂。 水压致裂法是目前最准确的地
应力测试方法(主要是指最小水平
主应力和地应力方向)，它的结果 往往作为检验其他方法精度的标 准。
水压致裂法测量系统 Hydraulie fractring merhod measuring system
试验方法有平推法和斜推法两种
制备试件时应注意：
1）应尽量避免扰动 2）为避免应力释放、松动和强度降低，在制备试 件前，可在试件顶部浇筑10cm厚的砂浆，在用锚 杆等将岩体锚固，然后制备侧面 3）试件如为完整岩石块体，不需浇筑保护，应使 各个面尽量平整 4）需浇筑保护套的试件，保护套应达到预定的剪 切缝上部边缘，剪切缝的宽度为推力方向试件长 度的5%
可由下式求剪切波速
vs ＝ ΔL /Δt
成果整理与应用
H i H i 1 hi 可以得到：vs ti ti 1 Δt
自 动 触 发 式 声 波 仪
二、跨孔法
L vs t
2014-6-8
土动力学
2014-6-8
土动力学
三、波速法在工程中的应用
a 2 σ H σ h 4a 2 3a 4 σ H σ h σr 1 r 2 2 1 r 2 r 4 2 cos 2θ a 2 σ H σ h 3a 4 σ H σ h σ 1 r 2 2 1 r 4 2 cos 2θ 2a 2 3a 4 σ H σ h r 1 r 2 r 4 2 sin 2θ
B A’ A
B’
当r a时， σr 0
σ σ H σ h 2σ H σ h cos 2θ
r 0
A、B点处应力
σθA 3σ h σ H σθB 3σ H σ h
井壁岩石应力状态图
当加的液压大于孔壁上 岩石所能承受的应力时， 将在最小切向应力的位 置上，即A点处产生张 破裂，并且破裂将沿着 垂直于最小主应力的方 向扩展。此时孔壁产生 破裂的外加液压pc1称为 临界破裂压力，且有
加压方式：
•试验成果整理
计算变形模量
pD(1 2 ) E S
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。 对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886
二 、狭缝法
pl Em [(1 m )(tg1 tg 2) 2WR (1 m )(sin21 sin 2 2)] WR 两点的相对位移
pc1 3σ h σ H σt p w
σ H t 3σ h pc1 σ h ps
σt pc1 pc 2
典型的水力压裂试验曲线
井 口 压 力
破裂漏失 出现剪切 裂缝 停泵 裂缝重张
裂缝闭合
时间
第四节 波速测试
波速试验（Wave velocity test）是通过测定岩土 体中的压缩波、剪切波或瑞利波的波速，以确定 岩土的物理力学性质或工程指标的现场测试方法。
试验成果
进行一组试验，可得到抗剪强度：
tg c
在一定的法向应力和剪应力作用下，测得相应的 法向位移和剪切位移，可求： n 法向刚度系数：k n un
剪切刚度系数：k s
us
万州区某滑坡勘察中的‘原位大剪’
二、现场岩体三轴试验
第三节 岩体应力测试
5. 加压与稳定标准
1）试验压力要分成5级施加 2）加压前要对千分表进行初始稳定读数观测 3）采用逐级一次循环法或逐级多次循环法 4）每级压力加压后，立即读数，以后每10分钟读一次 5）稳定标准：相邻两次读数差与该级压力的初始读数和上 一级压力的最后读数之差的比值小于5%
6. 拆卸试验设备，结束试验
岩体原位测试
第一节 岩体变形测试 第二节 岩体强度测试 第三节 岩体应力测试 第四节 波速测试
第一节 岩体变形测试
岩体的变形是评价工程岩体稳定性的主要指标 岩体变形是岩块变形和结构面变形的总和 岩体变形测试方法有静力法和动力法两种 静力法有千斤顶法、狭缝法、水压法等 动力法有地震法和超声波法等
常用的有钻孔法和表面法； 钻孔法分为：单孔波速法、跨孔法 表面法分为：表面波法、折射波和反射波法
一、单孔波速法
•分为上孔法和下孔法，上孔法检波器置于地表，记 录波形易受干扰，故工程中多采用下孔法。
测试原理
利用直达波的原理。测出激发震源与信号接 收点之间的距离以及剪切波的传播时间，即
三、水压法
水压法是在岩体内开挖一个试洞，形成一个封闭 的空间，用高压水泵将水压入其中，向试洞围岩 表面施加均匀的水压力，使岩体发生变形，可根 据压力与变形的关系，求出岩体的变形参数
膨胀计
dp(1 m ) Em U E m — 变形模量 d — 钻孔直径 U — 径向位移 p — 压力（加静水压力）
2 p 2 s
2 p
土动力学
E 2 v 1
2014-6-8
由现场剪切波速试验获得的动剪切模量范围值
（袁灿勤，1991）
2014-6-8 土动力学
2、划分场地土的抗震类别
类别
坚硬场地土
平均剪切波速 （m/s) >500 250~500
140~250 ≤140
2014-6-8 土动力学
三、水压致裂法
水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封 隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流 体,从而确定原位地应力的一种方法。 分为常规水压致裂法(HF法)和原生裂隙水 压致裂法(HTPF法)。 2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模 器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生 新裂隙或使原生裂隙重张。
第四章 岩体原位测试
目录
一、总则 二、岩块试验 三、岩体变形试验 承压板法试验、钻孔变形试验 四、岩体强度试验 岩体结构面直剪试验、岩体直剪试验 五、岩体应力测试 孔壁应变法测试、孔径变形法测试 孔底应变法测试 六、岩体原位观测 地下洞室围岩收敛观测、钻孔轴向岩 体位移观测、钻孔横向岩体位移观测 七、岩石声波测试 岩块声波速度测试、岩体声波速度测 试
圆形钢板：厚6cm，直径 50.5cm或80cm 方形混凝土板：50cm*50cm或 70.7cm*70.7cm
试验要求
1. 2. 试点面积应大于承压板其中加压面积不宜小于(面积 >2000cm2) 试点表面范围内受扰动的岩体应清除干净并修凿平整；岩 面的起伏差不宜大于承压板直径的1% 在承压板以外受测试影响范围内的岩体表面，应平整、无 松动岩块和石渣 试点表面应垂直预定的受力方向 承压板的边缘距洞侧壁应大于承压板直径D的1.5倍，至洞 口应大于2D，至临空面应大于6D 两试验点的承压板边缘之间的距离应大于3D 试点表面以下3D深度范围内岩性宜相同 反力部位要能承受足够的反力 整个系统的所有部件的中心保持在同一轴线上，且与加压 方向一致
抗震设防烈度 饱和砂土 饱和粉土 7° 92 42 8° 130 60 9° 184 84
ds为砂土层或粉土层中剪切波测试点深度(m)；k为计算系数。 判别准则：若Vsj>Vscr，则可不考虑液化；否则，土层可能液化。
岩体应力测试一般是先测出岩体的应变值，再根 据应力-应变关系计算出应力值 量测方法有应力解除法和应力恢复法
一、应力解除法 原理：岩体赋存于一定的应力环境中，在应力作 用下岩体产生应变，采用一定的方法将岩体上的 应力解除，岩体的应变将相应恢复，测出应变恢 复值，即可由应力-应变关系确定岩体应力
岩体表面应力解除法
选择测点位置，避开局部 地质构造的影响 整平磨光测点的岩体表面， 沿不同方向安置量测元件（电阻应变片和钢环应 变计） 接量测仪器，读取开槽前（应力解除前）的初始 读数 沿量测元件周围开圆槽切割分离岩体 在切割过程中，应经常测量应变值的变化，并测 量应力完全解除后的应变值 换算出应力值
二、应力恢复法 在应力解除后，在槽中再埋入压力枕对岩体施加 压力，使岩体应变恢复到切槽前的状态，此时压 力枕所施加的应力就可近似当作应力解除前岩体 所受的应力值。
5）试件顶面和剪力面务必要与反力面平行 6）试件尺寸宜选用2500~10000cm2，最小边长应大 于50cm，试件高度应大于最小边长的一半 7）试件间距要大于最小边长 8）制备好试件后，不要放置太长时间 9）位移观测要求
试验要求
最大垂直荷载为工程设计最大应力的1.2倍 每组试验试件的数量不少于5个 法向荷载一次施加完毕，加荷后立即读数，以后 每隔5min读1次，两次读数之差小于0.01mm时， 即认为稳定，可开始施加剪切荷载 剪切荷载按预估最大剪切荷载分8~12次施加，每 隔5min加荷1次
第二节 岩体强度测试
岩体原位强度测试考虑了结构面的影响，测试结 果符合实际 一、现场岩体直剪试验 沿预定的剪切面进行，可分为： 1）岩体本身的抗剪强度试验 2）沿软弱结构面的抗剪强度试验 3）混凝土-岩体胶结面的抗剪强度试验 常把岩体抗剪强度试验分为三种：抗剪断试验、 摩擦试验(又称抗剪试验)和抗切试验
提出场地内各类土层的波速范围 按波速分层 对波速低的土层分析液化的可能性 估计场地的卓越周期 分析场地稳定性和边坡稳定性 为划分场地土的类别提供依据
1、岩土力学参数计算
E
v 3v 4v
2 s 2 p
2 s
v v
2 p 2 s 2 s 2 s
2 s
G v
v 2v 2 v v
中硬场地土
中软场地土 软弱场地土
3、计算场地的卓越周期
4H i T i 1 vsi
n
2014-6-8
土动力学
4、液化判别（如果15m内的土层有饱和粉土或砂土）
用剪切波波速临界值判别： 砂土： 2 Vscr k d s 0.01d s 粉土： Vscr k d s 0.0133d s2 计算系数k
一、千斤顶法（承压板法）
基本原理
该法就是通过刚性或柔性承压板将 荷载加在无限空间的岩面上，测量 岩体变形，并把岩体视为均质、连 续、各向同性的理想弹性体，按半 无限弹性体表面受局部荷载的布西 涅斯克(Boussniesg)解，根据所采用 的承压板的刚度和形状求解岩体的 变形模量等。
试验装置
1）承压板 2）加压装置 3）反力装置 4）量测装置
3.
4. 5. 6. 7. 8. 9.
试验步骤 1. 清洗试点岩体表面，铺一层水泥浆（厚度不大于 1cm），放上刚性承压板，轻击承压板，挤出多余 水泥浆，并使承压板平行于试点表面 2. 在承压板上放置千斤顶，其加荷中心应与承压板中 心重合 3. 在千斤顶上依次安装垫 板、 传力柱、垫板，在 垫板和 反力后座岩体之 间浇筑混 凝土或安装反 力装置 4. 安装完毕后，起动千斤 顶 稍加压力或在传力柱 与垫 板间楔进楔形垫块， 使整个 系统结合紧密
水压致裂法
当井眼压力足够高时，井壁会 劈开一条裂缝，这一过程称为水 力压裂。 水压致裂法是目前最准确的地
应力测试方法(主要是指最小水平
主应力和地应力方向)，它的结果 往往作为检验其他方法精度的标 准。
水压致裂法测量系统 Hydraulie fractring merhod measuring system
试验方法有平推法和斜推法两种
制备试件时应注意：
1）应尽量避免扰动 2）为避免应力释放、松动和强度降低，在制备试 件前，可在试件顶部浇筑10cm厚的砂浆，在用锚 杆等将岩体锚固，然后制备侧面 3）试件如为完整岩石块体，不需浇筑保护，应使 各个面尽量平整 4）需浇筑保护套的试件，保护套应达到预定的剪 切缝上部边缘，剪切缝的宽度为推力方向试件长 度的5%
可由下式求剪切波速
vs ＝ ΔL /Δt
成果整理与应用
H i H i 1 hi 可以得到：vs ti ti 1 Δt
自 动 触 发 式 声 波 仪
二、跨孔法
L vs t
2014-6-8
土动力学
2014-6-8
土动力学
三、波速法在工程中的应用
a 2 σ H σ h 4a 2 3a 4 σ H σ h σr 1 r 2 2 1 r 2 r 4 2 cos 2θ a 2 σ H σ h 3a 4 σ H σ h σ 1 r 2 2 1 r 4 2 cos 2θ 2a 2 3a 4 σ H σ h r 1 r 2 r 4 2 sin 2θ
B A’ A
B’
当r a时， σr 0
σ σ H σ h 2σ H σ h cos 2θ
r 0
A、B点处应力
σθA 3σ h σ H σθB 3σ H σ h
井壁岩石应力状态图
当加的液压大于孔壁上 岩石所能承受的应力时， 将在最小切向应力的位 置上，即A点处产生张 破裂，并且破裂将沿着 垂直于最小主应力的方 向扩展。此时孔壁产生 破裂的外加液压pc1称为 临界破裂压力，且有
加压方式：
•试验成果整理
计算变形模量
pD(1 2 ) E S
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。 对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886
二 、狭缝法
pl Em [(1 m )(tg1 tg 2) 2WR (1 m )(sin21 sin 2 2)] WR 两点的相对位移
pc1 3σ h σ H σt p w
σ H t 3σ h pc1 σ h ps
σt pc1 pc 2
典型的水力压裂试验曲线
井 口 压 力
破裂漏失 出现剪切 裂缝 停泵 裂缝重张
裂缝闭合
时间
第四节 波速测试
波速试验（Wave velocity test）是通过测定岩土 体中的压缩波、剪切波或瑞利波的波速，以确定 岩土的物理力学性质或工程指标的现场测试方法。
试验成果
进行一组试验，可得到抗剪强度：
tg c
在一定的法向应力和剪应力作用下，测得相应的 法向位移和剪切位移，可求： n 法向刚度系数：k n un
剪切刚度系数：k s
us
万州区某滑坡勘察中的‘原位大剪’
二、现场岩体三轴试验
第三节 岩体应力测试
5. 加压与稳定标准
1）试验压力要分成5级施加 2）加压前要对千分表进行初始稳定读数观测 3）采用逐级一次循环法或逐级多次循环法 4）每级压力加压后，立即读数，以后每10分钟读一次 5）稳定标准：相邻两次读数差与该级压力的初始读数和上 一级压力的最后读数之差的比值小于5%
6. 拆卸试验设备，结束试验
岩体原位测试
第一节 岩体变形测试 第二节 岩体强度测试 第三节 岩体应力测试 第四节 波速测试
第一节 岩体变形测试
岩体的变形是评价工程岩体稳定性的主要指标 岩体变形是岩块变形和结构面变形的总和 岩体变形测试方法有静力法和动力法两种 静力法有千斤顶法、狭缝法、水压法等 动力法有地震法和超声波法等
常用的有钻孔法和表面法； 钻孔法分为：单孔波速法、跨孔法 表面法分为：表面波法、折射波和反射波法
一、单孔波速法
•分为上孔法和下孔法，上孔法检波器置于地表，记 录波形易受干扰，故工程中多采用下孔法。
测试原理
利用直达波的原理。测出激发震源与信号接 收点之间的距离以及剪切波的传播时间，即
三、水压法
水压法是在岩体内开挖一个试洞，形成一个封闭 的空间，用高压水泵将水压入其中，向试洞围岩 表面施加均匀的水压力，使岩体发生变形，可根 据压力与变形的关系，求出岩体的变形参数
膨胀计
dp(1 m ) Em U E m — 变形模量 d — 钻孔直径 U — 径向位移 p — 压力（加静水压力）
2 p 2 s
2 p
土动力学
E 2 v 1
2014-6-8
由现场剪切波速试验获得的动剪切模量范围值
（袁灿勤，1991）
2014-6-8 土动力学
2、划分场地土的抗震类别
类别
坚硬场地土
平均剪切波速 （m/s) >500 250~500
140~250 ≤140
2014-6-8 土动力学
三、水压致裂法
水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封 隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流 体,从而确定原位地应力的一种方法。 分为常规水压致裂法(HF法)和原生裂隙水 压致裂法(HTPF法)。 2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模 器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生 新裂隙或使原生裂隙重张。
第四章 岩体原位测试
目录
一、总则 二、岩块试验 三、岩体变形试验 承压板法试验、钻孔变形试验 四、岩体强度试验 岩体结构面直剪试验、岩体直剪试验 五、岩体应力测试 孔壁应变法测试、孔径变形法测试 孔底应变法测试 六、岩体原位观测 地下洞室围岩收敛观测、钻孔轴向岩 体位移观测、钻孔横向岩体位移观测 七、岩石声波测试 岩块声波速度测试、岩体声波速度测 试
圆形钢板：厚6cm，直径 50.5cm或80cm 方形混凝土板：50cm*50cm或 70.7cm*70.7cm
试验要求
1. 2. 试点面积应大于承压板其中加压面积不宜小于(面积 >2000cm2) 试点表面范围内受扰动的岩体应清除干净并修凿平整；岩 面的起伏差不宜大于承压板直径的1% 在承压板以外受测试影响范围内的岩体表面，应平整、无 松动岩块和石渣 试点表面应垂直预定的受力方向 承压板的边缘距洞侧壁应大于承压板直径D的1.5倍，至洞 口应大于2D，至临空面应大于6D 两试验点的承压板边缘之间的距离应大于3D 试点表面以下3D深度范围内岩性宜相同 反力部位要能承受足够的反力 整个系统的所有部件的中心保持在同一轴线上，且与加压 方向一致
抗震设防烈度 饱和砂土 饱和粉土 7° 92 42 8° 130 60 9° 184 84
ds为砂土层或粉土层中剪切波测试点深度(m)；k为计算系数。 判别准则：若Vsj>Vscr，则可不考虑液化；否则，土层可能液化。
岩体应力测试一般是先测出岩体的应变值，再根 据应力-应变关系计算出应力值 量测方法有应力解除法和应力恢复法
一、应力解除法 原理：岩体赋存于一定的应力环境中，在应力作 用下岩体产生应变，采用一定的方法将岩体上的 应力解除，岩体的应变将相应恢复，测出应变恢 复值，即可由应力-应变关系确定岩体应力
岩体表面应力解除法
选择测点位置，避开局部 地质构造的影响 整平磨光测点的岩体表面， 沿不同方向安置量测元件（电阻应变片和钢环应 变计） 接量测仪器，读取开槽前（应力解除前）的初始 读数 沿量测元件周围开圆槽切割分离岩体 在切割过程中，应经常测量应变值的变化，并测 量应力完全解除后的应变值 换算出应力值
二、应力恢复法 在应力解除后，在槽中再埋入压力枕对岩体施加 压力，使岩体应变恢复到切槽前的状态，此时压 力枕所施加的应力就可近似当作应力解除前岩体 所受的应力值。