第四章 岩体原位测试(岩土测试技术)

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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.试点面积应大于承压板其中加压面积不宜小于(面积2000cm2)2.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%3.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4.试点表面应垂直预定的受力方向5.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6D6.两试验点的承压板边缘之间的距离应大于3D7.试点表面以下3D深度范围内岩性宜相同8.反力部位要能承受足够的反力9.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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，结束试验加压方式：•试验成果整理计算变形模量SpDE)1(2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、狭缝法两点的相对位移RmmRmWtgtgWplE)]2sin2)(sin1())(1[(22121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压力（加静水压力）—径向位移—钻孔直径—变形模量—pUdEUdpEmmm)1(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%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次试验成果进行一组试验，可得到抗剪强度：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：ctgssnnnukuk剪切刚度系数：法向刚度系数：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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。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。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Hydrauliefractringmerhodmeasuringsystem井壁岩石应力状态图θσσraraθσσraσσraσθσσraraσσraσhHhHhHhHhHr2sin23212cos231212cos2341214422r442244222202cos20rθσσσσσσarhHhHr时，当AA’B’BhHθHhθσσσσσσ33BAA、B点处应力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w13pσσσptHhcshchtHpσpσσ1321cctppσ典型的水力压裂试验曲线出现剪切裂缝破裂漏失停泵裂缝闭合裂缝重张时间井口压力第四节波速测试波速试验（Wavevelocitytest）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。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，即可由下式求剪切波速vs＝ΔL/Δt成果整理与应用11ΔthttHHviiiiis可以得到：自动触发式声波仪二、跨孔法tLvs2020/1/18土动力学2020/1/18土动力学三、波速法在工程中的应用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2020/1/18土动力学1、岩土力学参数计算12224322222222222sspspsspspsvEvvvvvGvvvvvE由现场剪切波速试验获得的动剪切模量范围值（袁灿勤，1991）2020/1/18土动力学2020/1/18土动力学2、划分场地土的抗震类别类别平均剪切波速（m/s)坚硬场地土500中硬场地土250~500中软场地土140~250软弱场地土≤1402020/1/18土动力学3、计算场地的卓越周期nisiivHT14用剪切波波速临界值判别：砂土：粉土：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。2ssscr01d0dkV.2ssscr0133d0dkV.抗震设防烈度7°8°9°饱和砂土92130184饱和粉土4260844、液化判别（如果15m内的土层有饱和粉土或砂土）计算系数k判别准则：若VsjVscr，则可不考虑液化；否则，土层可能液化。