第5章 岩体原位测试本章重点：岩体原位测试技术的种类；岩体变形试验、岩体强度试验、岩体 应力测试和岩体现场简易测试等各试验的种类、特点、适应对象、仪器设备、操 作过程及试验结果的应用等。（本章在岩体力学中将详细讲到）第1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，进行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。 岩体原位测试一般以遵循以下程序进行： （1）试验方案制定和试验大纲编写，其基本原则是尽量使试 验条件符合工程岩体的实际情况。 （2）试验，包括试验准备、试验及原始资料检查、校核等项 工作。 （3）试验资料整理与综合分析。包括：静力法和动力法两种 静力法 基本原理：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。 可分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压法等； 动力法： 原理：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。 第2节 岩体变形试验一、 承压板法1、基本原理刚性承压板法是通过刚性承压板(其弹性横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：2、试件制备与描述应根据工程需要和工程地质条件选择代表性试验地段和试验点位置，在预 定的试验点部位制备试件，具体要求如下：(1)试段开挖时，应尽可能减少对岩体的扰动和破坏。 (2)试件受压方向应与建筑物基础的实际受力方向一致。(3)试件的边界条件应满足下列要求：承压板边缘至硐侧壁的距离应大于承压板直径的1.5倍；至硐口或掌子面的距离应大于承压板直径的2倍；至临空面的距离应大于承压板直径的6倍；两试件边缘间的距离应大于承压板直径的3倍；试件表面以下3倍承压板直径深度范围内的岩性宜相同。(4)试件范围内受扰动的岩体应清除干净并凿平整；岩面起伏差不宜大于承压 板直径的1，承压板以外，试验影响范围以内的岩面也应大致平整，无松动岩 块和碎石。(5)试件面积应略大于承压板，其中加压面积不宜小于2 500cm2。(6)试验反力装置部位应能承受足够的反力，在大约3030cm2范围内大致平整 ，以便浇注混凝土或安装反力装置。3、仪器设备及安装调试包括如下内容：(1)试硐编号、位置、硐底高程、方位、硐深、断面形状及尺寸、开挖方式及 日期等。图5-1刚性承压板法试验 安装示意图 (a)钻直方向加荷；（b)水平方向加荷 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i 10钢板；11 一刚 性承压板| 12标点I 13千分表I 14一滚轴 ；15混凝土支墩；16木柱；17油泵（接千 斤顶）；18木垫；19一木梁(2)试件编号、层位、尺寸及制备方法等。 (3)试段开挖方法及出现的岩体变形破坏等情况。(4)岩石类型、结构构造及主要矿物成分和风化程度。(5)地下水情况。(6)岩体结构面类型、产状、性质、隙宽、延伸性、密度及充填物性质等情况 。(7)地质描述应提交的图件包括；试段地质素描图、裂隙统计图表及相应的照 片，试段地质纵横剖面图，试件地质素描图等。4、试验步骤(1)准备工作 按设计压力的12倍确定最大试验压力。 根据千斤顶(或液压枕)的率定曲线及承压板面积计算出施加压力与压力表 读数关系的加压表。 测读各测表的初始读数，加压前每10min读数一次，连续三次读数不变， 即可开始加压。(2)加压将确定的最大压力分为5级并分级施加压力；加压方式一般采用逐级一次循 环加压法，必要时可采用逐级多次循环法。加压后立即读数一次，此后每隔10min读一次数，直到变形稳定后卸压；卸 压过程中的读数要求与加压同；在加卸压过程中，过程压力下的变形也应测读一 次；板外测点可在板上测表读数达到稳定后一次性读数。 变形稳定标准，当所有承压板上测表相邻两次读数之差与同级压力下第一 次读数与前一级压力下最后一次读数差的比值70 mm设备液压泵（手动或电动）附压 力表、高压管 路、测力计等与液压千斤顶(或液压钢枕配套使用 ）传力设 备传力柱（木、钢或混凝土制 品）、钢垫块 （板）、滚轴排岩锚、钢索、螺夹、或钢 梁等传力柱宜具有足够的刚度 在露天或基坑试验时使用量测 设备百分表 千分表6磁性表座和万能表架，测量 标点量表支架2数量与百分表(或千分表)配套 支杆长度，应超过试验影响范围其他仪器、仪表安装工具 混凝土浇捣工具 地质 描述仪器 照相、照明设备 文具、记录用品 水泥、砂、石子一套用量根据浇筑混凝土试体和试体处 理要求而定岩体现场直剪试验仪器设备仪器设备安装垂直、剪切加载系统设备安装。位移量表安装施加垂直荷载施加剪切荷载混凝土与岩体胶结面直剪试验仪器设备安装示意1一(或混凝土）垫层；2传力柱；3传力横梁；4一钢板；5滚轴排；6_垂直位 移量表;7接液压泵；8液压钢枕； 9 一混凝土保护罩；10测向位移量脯；11 一 剪切位移量表；12试体；13测力计；14_球座；15钢板；16剪切面; 17_液压 千斤顶；18_混凝土垫块；19膨胀性聚苯乙烯（或其他材料）垫料岩体弱面（软弱岩体）直剪试验仪器设备安装示意倾斜岩体弱面直剪试验仪器设备安装示意 二、三轴试验1、基本原理原位岩体三轴试验一般是在平硐中进行的，即在平硐中加工试件，并施加三向压力，然后根据莫尔理论求岩体的抗压强度及E0、等参数。试验又分为等围压(1 2 3 )三轴试验和真三轴(1 2=3 )试验两种，可根据实际情况选用。因此，为了确定围压和轴向压力的大小和加荷方式，试验前应了解岩体的天然应力状态及工程荷载情况。2、试件制备与地质描述3、仪器设备及安装调试4、试验步骤5、试验成果整理岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，它包括岩体初始应力和围岩应力。岩体初始应力：是指天然状态下岩体内赋存的应力，它又称原岩应力，在地震地质领域常称地应力，它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳运动所产生的构造应力（包括现今构造应力和残余构造应力）所组成。围岩应力： 是指岩体被扰动后引起重分布的应力，又称二次应力，它是由于人工开挖等工程活动而形成。 岩体应力测量方法分类表 类别测量部位测量方法应力 解除 法应力部分 解除法表面Y形布置法、A形布置法钻孔平行钻孔法(或称为扰动 法）应力完全 解除法表面钢弦应变计 法、电阻片法、光弹法、机械式(千分表)法钻孔孔径变形法：钻孔变形计法、压磁应力计法 孔壁应变法:三叉式应变计 法、空心包体式应变计 法、深孔应变计 法 孔底应变法：平底应变法、半圓形孔底应变法应力恢复法表面平面扁千斤顶法钻孔曲面扁千斤顶法破裂岩石法钻孔水压致裂法、千斤顶致裂法地球物理法室内试样声发射法、X射线法钻孔波速法其他方法钻孔钻孔加深法第四节 岩体应力测试一、应力解除法1、基本原理原理：当需测定岩体中某点的应力时，可将该点一定范围内的岩体与基岩分 离，使该点岩体上所受应力解除。这时由应力产生的变形(或应变)即相应恢复。 通过一定的量测元件和仪器量测出应力解除后的变形值，即可由确定的应力与应 变关系求得相应应力值。分类：根据测量方法不同可分为表面应力解除法、孔底应力解除法和孔壁应 力解除法三种，各种方法根据测量元件不同又可细分为各种不同的方法。 表面应力解除法：在岩体表面和地下洞室壁上预先埋设应变计（或贴 电阻片），然后在其周围掏环形槽并同时测量岩体应力解除后的应变值。根 据岩体应力解除前后的应变变化和岩体的弹性模量，计箅岩体的表面应力。应力解除法试验布置示意 1 一解除槽；2岩面；3应变计 (钢弦应变计 或电阻片）孔壁应力解除法(或称钻孔套芯应力解除法)。该方法的基本原理是在钻孔中安装变形或应变测量元件，测量套芯应力解除前后钻孔半径变化值(径向位移)，用该孔径变化值来确定岩体应力值。 2、试点选择与地质描述3、仪器设备4、试验步骤5、成果整理及计算二、应力恢复法1、基本原理应力恢复法一般在平硐壁面(也可在地表露头面)上进行。在岩面上切槽，岩体应力被解除，应变也随之恢复；然后在槽中再埋入液压枕，对岩体施加压力，使岩体的应变恢复至应力解除前的状态；此时，液压枕施加的压力即为应力解除前岩体受到的应力，这一应力值实际上是平硐开挖后壁面处的环向应力。通过量测应力恢复后的应力和应变值，利用弹性力学公式即可求解出测点岩体中的应力状态。2、试点制备与地质描述3、仪器设备4、试验步骤5、成果整理及计算应变计埋设位置示意 1千斤顶2应变计应力恢复法试验示意 1 一油泵;2压力表;3_应变计(钢弦或电阻片) 4 一紫铜管；5扁千斤顶；6水泥砂浆三、水压致裂法1、基本原理水压致裂法是利用橡胶栓塞封堵一段钻孔，然后通 过水泵将高压水压人其中，使孔壁岩体产生拉破裂(图5 一17)。假定铅直钻孔孔轴平行于某一岩体应力分量时，典 型情况下的水泵压力随时间变化的关系如图518所示。 压力从p0开始增加，到峰值pc1时，孔壁某特定部位将产 生拉破裂，压力也随之降低，并稳定于ps，这一压力称为 封井压力(或称关闭压力)。这时若人为地降低水压力， 则孔壁拉裂隙在岩体应力作用下将闭合。当再次升压时 ，裂隙将再次张开，压力达到峰值pc2：后再次降低并稳定在ps值附近。利用测得的几个特征压 力pc1、pc2、ps及拉裂隙方位等数据，根据弹 性力学中圆形孔洞周边应力公式即可求得岩 体中的两个水平应力值。2、仪器设备3、试验方法要点孔壁应变法是借助粘贴在钻孔孔壁上的电阻应变片 测量套孔应力解除前后孔壁表面应变变化，根据弹 性理论计箅岩体中一点的三向应力 目前国内广泛使用的有三叉式应变计法、空心包体 式应变计法和深孔水下应变计法 此法适用于完整或较完整致密和细粒结构的岩体中 测试， 在破碎岩体、薄层或出现饼状岩芯处不宜使 用。孔底应变法是借助于粘贴在钻孔底面上的电阻应变 片测量套钻解除前后孔底岩体的应变变化，利用弹 性理论的经验公式及岩石的弹性模量计算应力。 孔底应变计有一个硬塑料外壳，在其端面借助于厚 0. 5 mm的有机玻璃片或赛璐珞片（或薄橡皮）上 贴有一组电阻应变丛。外壳另一端用胶粘剂（通常 为环氧树脂)粘贴在孔底表面中央三分之一面积内。 这样，当孔底岩面由于套钻解除发生变形时，应变 计将随之变化。 第五节 岩体现场简易测试一、岩体声波测试 1、基本原理通过声波仪发生的电脉冲（或电火花）激发声波，并测定其在岩中的传播速度， 据波动理论求取岩体动力学参数 2、测线（点）选择与地质描述3、仪器设备4、试验步骤5、成果整理及应用声 波 测 试二、岩石点荷载强度试验1、基本原理 点荷载试验是将岩块试件置于点荷载仪的两个球面圆锥压头间，对试件施加 集中荷载直至破坏，然后根据破坏荷载求岩石的点荷载强度。 优点：可以测试不规则岩石试件以及低强度和严重风化岩石的强度。 2、仪器设备立式卧式3、试验步骤 （1）试件制备 基岩露头上取小岩石样，加工成为35cm见方的岩块 岩心加工成高35cm的柱体作为试件 （2）试样描述。 内容包括岩性、结构构造、结构面特征及与加力方向间关系和岩石 风化程度等。 （3）试样安装。 （4）加荷。 （5）描述试件破坏特征。 （6）破坏面尺寸测量。 4、资料整理及其应用 点荷载强度 抗压强度、抗拉强度三、岩体回弹锤击试验1、原理根据刚性材料的抗压强度与冲击回弹高度在一定条件下存在着某种函 数关