岩石力学第8章--岩体现场试验课件

8.1 岩体岩体现场试验的必要性的必要性岩石力学之所以不同于其他固体力学就在于所研究的岩体特性，在于为之服务的岩石工程特性及所处的环境条件。认识岩体特性，了解岩体的力学特性最直接、有效、可靠的方法就是进行岩石力学试验与测试。第第8章章 岩体现场试验岩体现场试验18.1 岩体现场试验的必要性岩石力学之所以不同于其他固体力8.2 岩体岩体现场试验的分的分类随着科学技术的不断发展，岩石力学试验手段和试验方法在不断地更新和完善。岩体现场试验可以按多种形式分类，如可以按受力方式、受荷过程、测试参数等进行分类。但总的来说，岩体现场试验可以为动力学试验和静力试验两大类。静力试验包括现场岩体变形试验、现场岩体强度试验、岩体应力测试和岩体原位观测。动力学岩体现场试验主要是岩体波动测试，各种现场岩体试验方法分类如图8.1所示。28.2 岩体现场试验的分类随着科学技术的不断发展，岩石力学图8.1 岩体现场试验的方法分类3图8.1 岩体现场试验的方法分类38.3 岩体岩体现场变现场变形形试验试验岩体变形试验主要用来测定岩体的变形指标，如变形模量、泊松比等。主要方法有承压板法、钻孔变形测量法、狭缝法、隧洞压水变形、单轴压缩法和三轴压缩法等。其中以承压板法、钻孔变形测量法和三轴压缩法较好。但三轴试验必须配合地应力的测量，如果无地应力测量资料，围压条件不清楚，就无法进行三轴试验。表8.1给出了各种变形试验的优缺点比较。下面主要介绍承压板法和钻孔变形测量法。48.3 岩体现场变形试验岩体变形试验主要用来测定岩体的变形558.3.1 承压板试验法承压板法试验是在岩体的表面放置一块有足够刚度（一般要大于岩体刚度）的钢板，然后对钢板加压，测定岩体的变形，从而获得岩体的变形参数的方法。它可分为刚性承压板法和柔性承压板法，一般根据岩体的强度和设备情况而定，对坚硬完整岩体宜用柔性承压板，半坚硬和软岩宜用柔性承压板。岩体的变形测量既可在岩体的表面，也可在岩体的内部进行。该试验一般在平洞或井巷中进行，如在露天试验，须设计反力装置。68.3.1 承压板试验法6（1）试验点的选择试验点的面积应大于承压板，加压面积应大于2 000cm2。试点表面范围内受扰动的岩体,宜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%。在承压板以外,试验影响范围以内的岩体表面,应平整、无松动岩块和石碴。试点表面应垂直预定受力方向。试点表面以下3.0倍承压板直径深度范围内岩体的岩性宜相同。7（1）试验点的选择7（2）主要仪器设备主要仪器和设备有：液压千斤顶(刚性承压板法)、环形液压枕(柔性承压板法或中心孔法)、液压泵及高压管路、稳压装置、刚性承压板、环形钢板与环形传力、传力柱、垫板、楔形垫块、反力装置、测表支架和变形测表等。图8.2所示为刚性承压板试验装置。图8.3为柔性承压板中心孔法的装置图。8（2）主要仪器设备8图8.2 刚性承压板法的试验装置(a)钻直方向加荷 (b)水平方向加荷9图8.2 刚性承压板法的试验装置9图8.3 柔性承压板中心孔法安装10图8.3 柔性承压板中心孔法安装10（3）加荷与测量系统安装完后，启动千斤顶稍微加压，使整个系统紧密结合。待水泥浆和混凝土达到龄期后便可开始试验。最大试验压力可取预定压力的1.2倍。最大压力一般按5等分分级施加。加压前应对测表进行初始稳定读数观测,每隔10min同时测读各测表1次,连续3次读数不变,方可开始加压试验,并将此读数作为各测表的初始读数值。钻孔轴向位移计各测点观测,可在表面测表稳定不变后进行初始读数。加压方式一般采用逐级一次循环法或逐级多次循环法。当采用逐级一次循环法时，每次循环压力应退至零。11（3）加荷与测量11图8.4 相对变形变化的计算(a)逐级一次循环法 (b)逐级多次循环法12图8.4 相对变形变化的计算12（4）试验数据分析当采用刚性承压板法量测岩体表面变形时,按下列公式计算变形参数：13（4）试验数据分析138.3.2 钻孔变形试验法岩体钻孔变形试验是通过放入岩体钻孔中的压力计或膨胀计，施加径向压力于钻孔孔壁，量测钻孔井巷岩体变形，按弹性理论公式计算岩体变形参数。它有两种力学模型，一种是全孔壁受压，一种是半孔壁受压，如图8.5所示。目前一般都采用全孔壁受压。钻孔变形试验适用于软岩和中坚硬岩体。148.3.2 钻孔变形试验法14图8.5 钻孔变形法的两种力学模型15图8.5 钻孔变形法的两种力学模型15图8.6 钻孔变形法的试验装置示意图16图8.6 钻孔变形法的试验装置示意图16（1）试验点与钻孔由于钻孔变形法的探头依靠自重在钻孔中上下移动，因此它只适用于铅直钻孔，孔斜不能超过5，试验孔应铅直，孔壁应平直光滑。钻孔的实际长度要大于加压段1/3。孔径根据仪器要求确定。（2）主要仪器设备钻孔变形法的主要仪器设备有钻孔压力计或钻孔膨胀计、起吊设备、扫孔器、模拟管以及校正仪等。试验前向钻孔内注水至孔口,将扫孔器放入孔内进行扫孔,直至上下连续3次收集不到岩块为止。将模拟管放入孔内直至孔底，如畅通无阻时才能进行试验。图8.6为钻孔变形法的试验装置示意图。17（1）试验点与钻孔17（3）加荷与测量将组装后的探头放入孔内顶定深度,并经定向后立即施加0.5MPa的初始压力,探头即自行固定，读取初始读数。试验的最大压力一般为预定压力的1.21.5倍。压力分710级，进行分级加荷。（4）试验数据分析试验完成后，计算变形参数并绘制相关曲线。岩体的变形参数按弹性理论计算：18（3）加荷与测量188.4 岩体岩体现场现场强强度度试验试验岩体现场强度试验是在现场直接测试岩体或结构面的抗压强度和抗剪强度。目前主要有结构面剪切试验、岩体直剪试验、单轴压力试验和三轴剪切试验等方法。其中，单轴压力试验主要测定岩体的单轴抗压强度；三轴剪切试验可以测定岩体的强度指标和变形参数如图8.7所示。198.4 岩体现场强度试验岩体现场强度试验是在现场直接测试岩图8.7 野外原位三轴试验方案20图8.7 野外原位三轴试验方案208.4.1 岩体结构面剪切试验结构面剪切试验是将同一类型岩体结构面的一组试体，在不同法向压力下进行剪切，根据库仑定律确定岩体结构面的抗剪强度参数。岩体结构面直剪试验可分为：在结构面未扰动情况下进行的第一次剪断，通常称为抗剪断试验；剪断后，沿剪断面进行的剪切试验，称为抗剪试验。结构面剪切试验适用于岩体中的各类结构面。（1）试体的制作在试验地段的开挖时，在岩体的预定部位加工与原岩相联的试体,试体一般为立方体，最小边长大于50cm，高度一般取最小边长的1/2以上，结构面剪切面积大于2 500cm2，试体间距大于最小边长。218.4.1 岩体结构面剪切试验21（2）主要仪器设备岩体结构面剪切试验的主要仪器和设备包括有液压千斤顶或液压枕、液压泵及管路、稳压装置、压力表、垫板、滚轴排、传力柱、传力块、斜垫板、反力装置、测表支架、磁性表座、位移测表等。试验的装置图如图8.8所示，不过，试体的底部应为岩体结构面。22（2）主要仪器设备22（3）加荷与测量由于一组节理上至少应有5个试验点，因此在每个试点上应施加不同的法向荷载。由估计的最大法向应力按试样点数量等分得各点的法向荷载，每个试点的法向荷载一般分45级施加，每隔5min，施加一级,并测出每级荷载下的法向位移。在最后一级荷载，要求法向位移值相对稳定。对于无充填结构面,稳定标准为每隔5min读数1次，连续两次读数之差不超过0.01mm；对有充填物结构面可根据结构面的厚度和性质，按每隔10min或15min读数1次连续两次读数之差不超过.05mm。在法向位移稳定后，便可开始施加剪切荷载。在剪切过程中,应使试件的法向荷载始终保持为常数。23（3）加荷与测量23（4）试验数据分析对于平推法可按下式计算各法向荷载下的法向应力和剪应力：24（4）试验数据分析248.4.2 岩体直剪试验岩体直剪试验是对同一类型岩体的一组试体，在不同法向荷载下进行剪切，根据库仑强度条件确定岩体本身的抗剪强度参数。它适用于各类岩体，但对于完整坚硬的岩体可以采用室内岩块三轴试验。258.4.2 岩体直剪试验25图8.8 岩体直剪(斜推法)试验26图8.8 岩体直剪(斜推法)试验26图8.9 岩体强度参数确定示意图27图8.9 岩体强度参数确定示意图278.5 岩体地岩体地应应力力测测量量对于地面和地下岩石开挖工程的设计和施工，常用到两类地应力资料：一是原岩初始地应力，它是开挖前岩体的天然应力；二是岩体二次地应力，是在开挖过程中或开挖后岩体的扰动应力。二次地应力可以由初始应力场用数值分析等方法确定。因此，地应力测量主要是指测定岩体天然应力。288.5 岩体地应力测量对于地面和地下岩石开挖工程的设计和施8.5.1 直接测量法（1）扁千斤顶法扁千斤顶法是最早期的应力测量方法，其原理和操作简单。图8.10为其试验装置示意图。具体试验步骤如下：298.5.1 直接测量法29图8.10 扁千斤顶试验装置示意图30图8.10 扁千斤顶试验装置示意图303131图8.11 水压致裂试验的压力-时间曲线图32图8.11 水压致裂试验的压力-时间曲线图32（3）刚性圆筒应力计刚性圆筒应力计的外壳是一个由钢或其他坚硬材料制成的空心圆筒，内部是压力传感器。将应力计装入圆筒内，刚性圆筒和孔壁处于紧密结合状态，钻孔周围的应力变化是通过刚性圆筒传到压力传感器上。刚性圆筒应力计的变形模量必须非常大，至少要4倍于岩石的变形模量，这样才能阻止岩石变形，有效地将孔壁周围的应力变化传递到应力计内。目前在一些国家，特别是在美国获得较为广泛应用的振动钢弦应力计，可视为刚性圆筒应力计的一种。33（3）刚性圆筒应力计33（4）声发射法岩石类材料在受到外载荷作用时,其内部储存的应变能会因微破裂作用而快速释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。利用声发射法测地应力是基于这样一种现象，即材料在经过一次或几次反复加载-卸载后，再一次对其加载时，如果没有超过先前的最大应力，则很少发生声发射，只有达到并超过以前的最大应力，才能产生大量声发射，这种现象称为Kaiser效应。现场测量时先取定向岩心，然后在实验室中对加工好的定向试样加载，并测量声发射和确定Kaiser点，以测定试样先前受到的最大应力，并将它定为采心地点的地应力。34（4）声发射法348.5.2 间接测量法（1）应力解除法应力解除法是较为成熟的一种地应力测量技术，是一种能定量测地应力的方法。50年代初，Hast首次应用套孔应力解除方法在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量。应力解除法的基本原理是通过测量钻孔套心应力完全解除前后，孔径变化或孔底应变变化或孔壁表面应变变化值来确定天然应力的大小和方向。这种方法一般是用一个比测量钻孔孔径大的岩心钻，对测量孔进行同心套钻，把安装有测量元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来，以解除其天然应力状态。图8.12为套心应力解除法的示意图。358.5.2 间接测量法35图8.12 套心应力解除法示意图36图8.12 套心应力解除法示意图361）孔径变形测量2)孔底应变测量3)孔壁应变测量371）孔径变形测量374)空心包体应变计5)实心包体应变计（2）局部应力解除法前面所述的套孔解除法是完全应力解除法，实际上也可采用对钻孔做部分应力或应变解除以测量原始地应力。这类方法叫局部应力解法，通常有以下几种：1)径向切槽法384)空心包体应变计382)平行钻孔法3)中心钻孔法4)钻孔延伸法5)千斤顶压裂法（3）应用地球物理方法1)超声波速法2)超声波谱法3)放射性同位素法4)原子磁性共振法392)平行钻孔法398.6 工程岩体工程岩体弹弹性波性波测试测试8.6.1 概 述工程弹性波测试是通过测定穿透工程岩体后的弹性波波速和衰减系数了解岩土体的物理力学特性及结构特征的一种新技术。与静力学方法相比，弹性波测试技术具有简便、快捷、可靠、经济及无破损等特点，目前已经较成功地用于岩土体动弹性参数测试、简单岩体结构模型参数和岩体质量评价等问题。因而这种测试技术已得到国内外岩土工程界的广泛重视。408.6 工程岩体弹性波测试8.6.1 概 述4041418.6.2 声波单孔测井法声波单孔测井法是在钻孔中放入一发双收探头，测试钻孔壁一定厚度的岩体的声波波速（纵波速度），这种测试通常可以对岩体的完整性、风化程度进行评价，也可对岩体进行分类。如图8.13所示为声波测井的装置示意图。图中一发双收探头含有3个换能器，一个发射声波，其余两个接收声波。测试时要求钻孔中灌水作为偶合介质，由于水的声速小于岩体的声速，因此发射的声波经过孔壁岩体形成滑行波（又称折射波或首波），滑行波被接收换能器所接收，利用接收换能器的距离和所接收到的声波的到达时差，便可以计算出测试位置的岩体波速。428.6.2 声波单孔测井法42图8.13 岩体声波测井示意图43图8.13 岩体声波测井示意图43图8.14 跨孔测试法示意图44图8.14 跨孔测试法示意图448.6.3 跨孔测试法声波测井只能了解钻孔壁局部的岩体波速，在岩石工程中常常需要了解某一区域的岩体波速，跨孔法便能解决这一问题。跨孔测试法是在两个不同的钻孔中进行，在一个钻孔中激发弹性波，而在另一个钻孔中接收弹性波，如图8.14所示。根据两个钻孔的距离和接收到的弹性波的旅行时间可以计算出震源与接收点之间岩体的平均波速。通过移动震源和接收探头可以获得两钻孔间岩体弹性波速随深度的变化情况。458.6.3 跨孔测试法458.6.4 CT层析成像技术跨孔测试法获得的是岩体的平均波速，如果要求获取两个钻孔间岩体结构的精细图像，可以采用CT成像技术。CT技术最早源于医学诊断，20世纪80年代固体介质CT层析成像技术的研究受到了高度的重视，该技术以射线理论的旅行时间延迟借助古典Radon变换实现反演。近十年来，又发展了以波动方程为基础的层析成像方法，其中投影重建图像CT的一系列具体技术得到了发展，目前在岩石工程中已得到了广泛的应用。其基本原理如下：468.6.4 CT层析成像技术46图8.15 超声波成像离散模型47图8.15 超声波成像离散模型4748488.6.5 弹性波测试成果的应用目前岩体弹性波测试成果主要应用于以下几个方面：利用弹性波测试测得岩石(体)的纵、横波速，对于各向同性岩石介质，可以计算其动弹参数：498.6.5 弹性波测试成果的应用4950505151525253535454