第五章第五章 岩体原位测试岩体原位测试 第一节第一节 概述概述 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，岩体施加外荷载，进而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；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。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。有一定数量试件的试验数据用统计方法求得。 1岩体原位测试一般应遵循以下程序进行：岩体原位测试一般应遵循以下程序进行： (1) (1)试验方案制订和试验大纲编写。这是岩体原位试验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、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。体规定，以作为整个试验工作中贯彻执行的技术规程。2 (2) (2)试验。包括试验准备、试验及原始资料检查、校核试验。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。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。实施并取得最基本的原始数据和资料。 (3) (3)试验资料整理与综合分析。试验所取得的各种原始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合各方面数据( (如经验数据、室内试验数据、经验估算数如经验数据、室内试验数据、经验估算数据及反算数据等据及反算数据等) )提出岩体力学计算参数的建议值，提交提出岩体力学计算参数的建议值，提交试验报告。试验报告。3第二节第二节 岩体变形试验岩体变形试验 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；然后绘制出压力施加一定的荷载，并测定其变形；然后绘制出压力- -变形曲变形曲线，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。数。据弹性波的激发方式不同，又分为声波法和地震法。 4一、承压板法一、承压板法 承压板法又分为刚性承压板法和揉性承压板法，我承压板法又分为刚性承压板法和揉性承压板法，我国多采用刚性承压板法。该方法的优点是简便、直观，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，即在承压板下试体中心打一测量孔，采用多点位方法，即在承压板下试体中心打一测量孔，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。试验。 5( (一一) )基本原理基本原理 刚性承压板法是通过刚性承压板刚性承压板法是通过刚性承压板( (其弹性模量大于岩其弹性模量大于岩体一个数量级以上体一个数量级以上) )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直变形( (W W) )可表示为：可表示为：式中：式中：A A：承压板面积；：承压板面积；E E0 0：岩体的变形模量；：岩体的变形模量；p p：承压：承压板上单位面积压力；板上单位面积压力；：岩体的泊松比；：岩体的泊松比；m m：与承压板形状、：与承压板形状、刚度有关的系数。刚度有关的系数。根据上式，量测出某级压力下岩体表面任一点的变形量，根据上式，量测出某级压力下岩体表面任一点的变形量，即可求出岩体的变形模量即可求出岩体的变形模量 (E (E0 0) )。 6 通过现场静力加卸荷，测定通过现场静力加卸荷，测定Pw曲线，取得岩体变形曲线，取得岩体变形比例极限（比例极限（P0）以内的某一定压力下的总变形量（）以内的某一定压力下的总变形量（w0）及）及弹性变形量（弹性变形量（we）。然后计算）。然后计算E0、Es. w0=wp+wewp为永久变形（残余变形），裂隙及充填物的变形。为永久变形（残余变形），裂隙及充填物的变形。pw wpwep07（二）试验方法（二）试验方法 （1）平面加荷法：）平面加荷法： 承压板法、狭缝法（液压枕）承压板法、狭缝法（液压枕） （2）环形加荷法（水压洞室试验）环形加荷法（水压洞室试验）（三）试验设备（三）试验设备 1、加压系统：油压千斤顶、液压枕、圆形水压室，、加压系统：油压千斤顶、液压枕、圆形水压室， 油泵、高压胶管油泵、高压胶管 2、传力系统：承压板（、传力系统：承压板（45#钢，钢，3cm厚）、垫板（厚）、垫板（A3 钢，钢，2-3cm）、传力柱（厚壁钢管）、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、量测系统：压力表、千分表、测表支架、测量标点8（四）试验要求（四）试验要求 1、试验一般在平硐中进行（承压板法、环形加压法），、试验一般在平硐中进行（承压板法、环形加压法），狭缝法可在地面进行。狭缝法可在地面进行。 2、试验最大荷载、试验最大荷载PmaxP0（比例极限），（比例极限）， Pmax=1.2P， P为建筑物基础底面设计压力。为建筑物基础底面设计压力。 3、试验荷载分级，、试验荷载分级，Pi=(0.1-0.2)Pmax，等分取整。，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。、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）逐级一次循环加卸荷pw9 （2）逐级多次循环加卸荷）逐级多次循环加卸荷 pw（3 3）一级多次循环加卸荷）一级多次循环加卸荷pw105 5、变形稳定标准、变形稳定标准 w/w w/w 5% 5% ww相邻两次读数差（相邻两次读数差（1010分钟读数一次）分钟读数一次） w w相邻两级压力变形读数差相邻两级压力变形读数差（五）试验成果（五）试验成果 1 1、绘制、绘制pwpw曲线曲线 2 2、计算、计算E E0 0、EsEs E E0 0=pb(1-=pb(1- 2 2) ) /w/w0 0 E Es s=pb(1-=pb(1- 2 2) ) /w/we eP-P-承压板单位面积压力（承压板单位面积压力（MPa)MPa)，b-b-承压板直径或边长（承压板直径或边长（m m），）， - -泊松比，泊松比，w w0 0总变形（总变形（m m），），w we e弹性变形（弹性变形（m m），）， 刚度系数。刚度系数。113、环形法计算公式（用于深部岩体有压洞室）、环形法计算公式（用于深部岩体有压洞室）（1） E0=p(1+)r/y p试洞内水压力（试洞内水压力（105Pa），），r=d/2 ,d直径（直径（cm），）， y试洞表面平均位移（试洞表面平均位移（cm）。）。（2）岩石抗力系数）岩石抗力系数为便于比较，单位抗力系数为便于比较，单位抗力系数K0=E0/100(1+ )意义：半径为意义：半径为100厘米隧洞围岩抗力系数（抵抗变形的能力）厘米隧洞围岩抗力系数（抵抗变形的能力）12二、狭缝法二、狭缝法13