第四章 岩土体原位测试,第二部分 岩体原位测试,1,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，是工程勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大优点是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。,2,概述 岩体变形试验 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,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。,3,概述 岩体变形试验 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,(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。,4,概述 岩体变形试验 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,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。,5,2019/10/19,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,一、承压板法 承压板法又分为刚性和柔性承压板法，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，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。,图1 刚性层承板试验示意图 1-砂浆顶板;2-垫板;3-传力柱;4-圆垫板;5-标准压力表;6-液压千斤顶;7-高压管(接油泵);8-磁性表架;9-工字钢梁;10-钢板;11-刚性承压板;12-标点;13-千分表;14-滚轴;15-混凝土支墩;16-木柱;17-油泵(接千斤顶);18-木垫;19-木梁,6,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.狭缝法简介 3.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,(一)基本原理,刚性承压板法是通过刚性板(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；根据布辛涅斯克(Boussinesq)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； ：岩体的泊松比； ：与承压板形状、刚度有关的系数。,7,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,通过现场静力加卸荷，测定Pw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。,p,w,wp,we,p0,8,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,（二）试验点岩体地质描述 应包括下列内容： 试段开挖和试点制备的方法及出现的情况； 岩石名称结构及主要矿物成分； 岩体结构面的类型产状宽度延伸性密度充填物性质以及与受力方向的关系等； 试段岩体风化状态及地下水情况； 应提供试段地质展示图、试段地质纵横剖面图、试点地质素描图。,9,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,（三）试验方法 平面循环加荷法 （四）试验设备 1、加压系统：油压千斤顶 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,10,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,（五）试验要求 1、试验一般在平硐中进行 2、试验最大荷载PmaxP0（比例极限）， Pmax=1.2P，其中 P为建筑物基础底面设计压力。 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,p,w,11,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,（2）逐级多次循环加卸荷,p,w,（3）一级多次循环加卸荷,p,w,12,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,5、变形稳定标准： w/w 5% w相邻两次读数差（10分钟读数一次） w同级压力下第一次变形读数和前一级压力下最后一次变形读数差 （六）试验成果 1、绘制pw曲线 2、平面加荷法的E0、Es计算,13,式中：E0、Es-岩体变形模量、弹性模量（MPa） P-按承压板面积计算的压力（MPa)，D-承压板直径（cm） -泊松比，w0总变形（cm），we弹性变形（cm）. -承压板刚度系数，圆形0.785、方型0.886。,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,14,二、环形加压法（有压洞室）简介 在水工压力隧道中，可采用压水或橡皮囊加压法进行围岩变形试验，求得围岩变形模量和岩石抗力系数。 根据洞室所加水压力，测量洞室表面位移量。,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,环形法计算公式 （1） 变形模量 E0=p(1+)r/y p试洞内水压力（105Pa），r半径（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=K*r/100=E0/100(1+ ) 意义：半径为100厘米隧洞围岩抗力系数（抵抗变形的能力）（MPa/cm）,15,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,三、狭缝法（简介）,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（图2）。,16,图2 狭缝法试验安装示意图,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标准压力表； 10百分表(相对测量)；11油泵,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,17,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。 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。,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,四、钻孔变形法（简介）,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3)，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。,图3 钻孔变形试验,18,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,利用上式可求得岩体的变形模量。与承压板法相比较，钻孔变形法的优缺点是：,对岩体扰动小； 可以在地下水位以下和较深的部位进行； 试验方向基本不受限制，且试验压力可以达到很大； 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。,19,概述 岩体变形试验 1.承压板法 2.环形加压法简介 3.狭缝法简介 4.钻孔变形法简介 岩体强度试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,第三节 岩体强度试验,岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。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。,20,概述 岩体变形试验 岩体强度试验 1.直剪试验 2.三轴试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,岩体强度包括压缩强度、抗拉强度、剪切强度,岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。 剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。 抗剪断强度是指在任一法向应力下，沿某一剪切面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。 抗剪强度是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。 抗切强度是指剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强度。 岩体的压缩强度分为单轴抗压强度和三轴压缩强度： 在生产实际中，通常是采用原位单轴压缩和三轴压缩试验来确定。,21,概述 岩体变形试验 岩体强度试验 1.直剪试验 2.三轴试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,一、直剪试验,(一)基本原理与方法 岩体原位直剪试验(图1)是岩体力学试验中常用的方法，它又可分为岩体本身、岩体沿结构面及岩体与混凝土接触面剪切三种。每种试验又可细分为抗剪断试验、摩擦试验及抗切试验： 抗剪断试验是试件在一定法向应力作用下沿某一剪切面剪切破坏的试验，所求强度为试体沿该剪切面的抗剪断强度； 摩擦试验是试件在一定法向应力剪断后沿剪切面继续剪切的试验，所求得的强度为试件沿该剪切面的残余剪切强度（抗剪强度）； 抗切试验是法向应力为零时试件沿某一剪切面破坏的试验（抗切强度）。,22,概述 岩体变形试验 岩体强度试验 1.直剪试验 2.三轴试验 岩体应力测试 岩体透水性试验,图1 岩体本身抗剪强度试验安装示意图,23,概述 岩体变形试验 岩体强