第五章岩体的原位测试

1、5.1 概述5.2 岩体变形实验5.2.1承压板实验5.2.2狭缝法5.2.3钻孔变形法5.3岩体强度实验5.3.1直剪试验5.3.2三轴试验 岩体岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对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，大优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确；，使测出的岩体力学参数直观、准

2、确；其缺点是试验其缺点是试验设备笨重设备笨重、操作复杂操作复杂、工期长工期长、费用高费用高。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。 承压板法又分为承压板法又分为刚性承压板法刚性承压板法和和柔性承压板柔性承压板法，法，我国多采用刚性承压板法。该方法的优点是我国多采用刚性承压板法。该方

3、法的优点是简简便便、直观直观，能较好地模拟建筑物基础的受力状能较好地模拟建筑物基础的受力状态和变形特征态和变形特征。除常规的承压板法外，还有一。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，即在承压种承压板下中心孔变形测试的方法，即在承压板下试验体中心打一测量孔，采用多点位移计板下试验体中心打一测量孔，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。承压板法变形试验。 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

4、大于岩体一个数量级以其弹性模量大于岩体一个数量级以上上) )对半无限空间岩体表面施加压力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。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；根据布辛涅斯克性的半无限弹性体；根据布辛涅斯克公式，刚性承压板下各点的垂直变形公式，刚性承压板下各点的垂直变形( (w w) )可表示为：可表示为：02)1(EAmpw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：

5、承压板上单位面积压力；：承压板上单位面积压力；：岩体的泊松比；：岩体的泊松比；m m：与承压板形状、刚度有关的系数。：与承压板形状、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，即可求出岩体的根据上式，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变形模量 (E(E0 0) )。 1试件制备 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，应尽可能减少对岩土体的扰动和破坏。 (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

6、距离应大于承压板直径的15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；两试件边缘问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。 5.2.1.3仪器设备及其安装调试1 1仪器设备仪器设备 承压板法所需仪器设备及规格要求如下：（1 1）加压系统）加压系统液压千斤顶12台，其出力应根据岩体的坚硬程度、最大试验压力及承压板面积等选定，并按规范要求进行率定。试验试验要求要求P0Pi （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pw5 5、变形稳定标准、变形稳定标准 w/w

7、w/w 5% 5% w w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（1 1）逐级一次循环加卸）逐级一次循环加卸荷荷pw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+wewp为永久变形（残余变形），裂隙及充填物的变形。 4、测表调整与调换 5、记录 6、试验设备拆卸试验试验成果成果 1 1、绘制、绘制pwpw曲线曲线以压力P (MPa)为纵坐标、变形值W为横坐标，绘制P一W-关系曲线。在曲线上求取某压力下岩体的

8、弹性变形、塑性变形及总变形值。 2 2、计算、计算E E0 0、EsEs E E0 0= =pbpb(1-(1- 2 2) ) /w/w0 0 E Es s= =pbpb(1-(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（MPaMPa) )，b-b-承压板直径或承压板直径或边长（边长（m m），）， - -泊松比，泊松比，w w0 0总变形（总变形（m m），），w we e弹性变弹性变形（形（m m），）， 刚度系数或者承压板形状系数。刚度系数或者承压板形状系数。狭缝法又称刻槽法。一般是在巷道或试验平硐狭缝法又称刻槽法。一般是在巷道或试验平硐底板或侧

9、壁岩面上底板或侧壁岩面上进行。进行。狭缝法的优点是设备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，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。它的缺点是目前工程上经常采用的方法之一。它的缺点是假定条件与实际岩体有一定的出入，将导致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计算结果误差较大，且随测量位置不同而异1 1、基本原理：在岩面上开一狭缝，将液压枕放入，再用、基本原理：在岩面上开一狭缝，将液压枕放入，再用水泥砂浆填实；待砂浆达到一定强

10、度后，对液压枕加压；水泥砂浆填实；待砂浆达到一定强度后，对液压枕加压；利用布置在狭缝中垂线上的测点量测岩体的变形，进而利用布置在狭缝中垂线上的测点量测岩体的变形，进而根据弹性力学公式计算岩体的变形模量。根据弹性力学公式计算岩体的变形模量。2 2、试件、试件制备制备：（：（1 1）清除掉试件范围内的浮石和松动岩）清除掉试件范围内的浮石和松动岩块；块；（2 2）试件边界条件应满足一定要求：狭缝边缘至洞壁距）试件边界条件应满足一定要求：狭缝边缘至洞壁距离大于离大于1.51.5倍狭缝长度，距离洞口和掌子面距离大于倍狭缝长度，距离洞口和掌子面距离大于2 2倍倍狭缝长度，两狭缝之间距离大于狭缝长度，两狭缝

11、之间距离大于3 3倍狭缝长度。倍狭缝长度。3 3、仪器设备与安装：加压系统、量测系统。、仪器设备与安装：加压系统、量测系统。4 4、 试验步骤：（试验步骤：（1 1）准备工作；（）准备工作；（2 2）加压；（）加压；（3 3）重复）重复加压；（加压；（4 4）测）测 表调整与调换；（表调整与调换；（5 5）试验设备拆卸。）试验设备拆卸。 （3 3）钻孔变形法）钻孔变形法 钻孔变形法是利用钻孔膨胀计或压力计，对孔壁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，测记各级压力下的钻孔径向变形施加径向水压力，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，钻孔径向变形按弹性力学中厚

12、壁筒理论，钻孔径向变形U为为: :式中：式中：d钻孔直径钻孔直径(cm)； p压力压力(MPa)；其余符号意义同前。；其余符号意义同前。 利用式上式可求得岩体的变形模量。利用式上式可求得岩体的变形模量。0)1 (EdpU 与承压板法相比较，与承压板法相比较，钻孔变形法的优点是钻孔变形法的优点是： 对岩体扰动小。对岩体扰动小。 可以在地下水位以下和较深的部位进行。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，且试验压力可以达试验方向基本不受限制，且试验压力可以达到很大。到很大。 在一次试验中可以同时量测几个不同方向的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

13、。其主要缺点是变形，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。或半坚硬岩体。 岩体的强度参数是工程岩体破坏机理分析及稳定岩体的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，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，是主要的勘大型岩体力学试验占有很重要的地位，是主要的勘察手段。察手段。 原位岩体强度试验主要有原位岩体强度试验主要有直剪试验直剪试验、单

14、轴单轴和和三轴三轴抗压试验抗压试验等。由于原位岩体试验考虑了岩体结构及等。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。更符合实际。 （1 1）直剪试验）直剪试验 基本原理与方法基本原理与方法 岩体原位直剪试验是岩体力学试验中常用的方法，岩体原位直剪试验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、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。摩擦试验及抗切试验。 抗剪断

15、试验是试件在一定的法向应力作用下沿某一抗剪断试验是试件在一定的法向应力作用下沿某一剪切面剪切破坏的试验，所求得的强度为试体沿该剪剪切面剪切破坏的试验，所求得的强度为试体沿该剪切面的抗剪断强度；切面的抗剪断强度； 摩擦试验是试件剪断后沿剪切面继续剪切的试验，摩擦试验是试件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；所求得的强度为试件沿该剪切面的残余剪切强度； 抗切试验是法向应力为零时试件沿某一剪切面破坏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。的试验。 岩体本身抗剪强度试验安装示意图岩体本身抗剪强度试验安装示意图 1-砂浆顶板；砂浆顶板；2-钢板；钢板；3

16、-传力柱；传力柱；4-压力表；压力表；5-液压千斤顶；液压千斤顶；6-滚轴排；滚轴排；7-混凝土后座；混凝土后座；8-斜垫板；斜垫板；9-钢筋混凝土保护罩钢筋混凝土保护罩 直剪试验一般在平硐中进行，如在试坑或大口径直剪试验一般在平硐中进行，如在试坑或大口径钻孔内进行，则需设置反力装置。下图为常见的直剪钻孔内进行，则需设置反力装置。下图为常见的直剪试验布置方案试验布置方案 当剪切当剪切面为陡倾时面为陡倾时采用采用(e)(e)、(f)(f)方案。方案。 当剪切面水平或近水平时，采用当剪切面水平或近水平时，采用(a)(a)、(b)(b)、(c)(c)、(d)(d)方案，其中方案，其中(a)(a)、(

17、b)(b)、(c)(c)为平推法，为平推法，(d)(d)为斜推为斜推法。法。 试件制备与地质描述试件制备与地质描述 a.a.试件制备。试件制备。在选定的试验部位，切割出方柱形在选定的试验部位，切割出方柱形试件，要求如下：试件，要求如下： （a a）同一组试件的地质条件应基本相同且尽可能）同一组试件的地质条件应基本相同且尽可能不受开挖的扰动；每组试件宜不少于不受开挖的扰动；每组试件宜不少于5 5块；每块试件面块；每块试件面积不小于积不小于2500cm22500cm2，最小边长不小于，最小边长不小于50cm50cm，高度为最小，高度为最小边长的边长的1/21/2，试件之间的距离应大于最小边长的，试

18、件之间的距离应大于最小边长的1.51.5倍。倍。 （b b）试件各面需凿平整；对裂隙岩体、软弱岩体）试件各面需凿平整；对裂隙岩体、软弱岩体或结构面试件应设置钢筋混凝土保护罩，罩底预留或结构面试件应设置钢筋混凝土保护罩，罩底预留0.50.52cm2cm的剪切缝。的剪切缝。 （c c）对斜推法试件，在施加剪应力的一面应用混）对斜推法试件，在施加剪应力的一面应用混凝土浇注成斜面，也可在试件受剪力面放置一块夹角凝土浇注成斜面，也可在试件受剪力面放置一块夹角约约1515的楔形钢垫板。的楔形钢垫板。 b. b.地质描述地质描述 内容与要求如下：内容与要求如下： （a a）试验及开挖、试件制备的方法及其情况。）试验及开挖、试件制备的方法及其情况。 （b b）岩石类型、结构构造及主要矿物成分。）岩石类型、结构构造及主要矿物成分。 （c c）岩体结构面类型、产状、宽度、延伸性、）岩体结构面类型、产状、宽度、延伸性、密度及充填物性质等。密度及充填物性质等。 （d d）试验段岩体风化程度及地下水情况。）试