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岩体现场试验

在工程现场对岩体原地进行的试验,也称原位试验。目的是测定岩体的力学性质。现场试验的对象是包括结构面的尺寸较大的岩体。这种试验较室内试验更符合自然实际情况。主要内容包括岩体变形试验、强度试验、渗透试验、岩体应力测试及岩体移动监测。此外,工程地球物理勘探、岩体结构面定量描述、岩石锚杆和锚索试验等

在工程现场对岩体原地进行的试验,也称原位试验。目的是测定岩体的力学性质。现场试验的对象是包括结构面的尺寸较大的岩体。这种试验较室内试验更符合自然实际情况。主要内容包括岩体变形试验、强度试验、渗透试验、岩体应力测试及岩体移动监测。此外,工程地球物理勘探岩体结构面定量描述、岩石锚杆和锚索试验等,也属于岩体现场试验范畴。

现场变形试验 包括承压板法(其中又分表面承压板法与钻孔承压板法)、钻孔膨胀计法、水压法、径向液压枕法等。所有方法都是对岩体施加一定的荷载,并测定相应的变形,然后根据公式计算变形参数。岩体受力以后的总变形由两部分组成,即弹性变形和塑性变形。前者是指加于岩体上的荷载卸去以后,可以恢复的变形。后者则是残余变形。在工程实践中,当以弹性变形来计算时,可得弹性模量。以总变形来计算时,则得到变形模量。工程上常用的变形试验方法是表面承压板法,图1是这一方法的试验装置图。图2为通过试验所得到的岩体应力一变形关系曲线。

图1 承压板法试验装置图

在一半无限大岩体的表面上通过承压板对其施加一定的均布荷载后,可按下式计算弹性(变形)模量:

图2 岩石表面变形随压力而变化的关系曲线

岩体现场试验

式中 E为岩体的弹性(变形)模量;σ为均布应力;b为承压板尺寸(圆板为直径、方板为边长);m为与承压板刚度和形状有关的系数;S为岩面的变形。

60年代以来,钻孔膨胀计法(或钻孔弹模计法)也得到广泛的应用。如图3所示,将膨胀计的主体——橡皮囊放入钻孔后,用高压水泵使它充水,对钻孔孔壁加压,孔壁变形用遥测传感器(如线性差动变压器)测定。利用这种方法在不同深度的钻孔内加压能得到不同深度岩体的变形及各向异性成果。但由于钻孔直径较小,受影响岩体的范围也较小。

图3 钻孔膨胀计结构图

岩体的变形特性还可以用动力法或弹性波法测定。动力法是在极短的时间内,向岩体施加微量脉冲荷载,通过测定地震波或声波在岩体中的传播速度以换算弹性常数,因此用动力法得不到岩体的应力一变形关系曲线。此法虽然简易、快速,但有一定的局限性。

在选择设计参数时,应考虑岩体的受力方式(如动荷载或静荷载)、工作条件(如水库蓄水情况)等对变形性质的影响,一般以现场试验的小值平均值或最小值为选值的基础。但这个问题很复杂,迄今没有统一的规定,工程经验判断仍占重要地位。

现场强度试验 包括直剪试验、扭转剪切试验、单轴、双轴、三轴试验、荷载试验等。试验目的不仅在于测定岩体的强度参数,也应同时探索在外力作用下岩体的变形特性和破坏机理。应用最广的是直剪试验,它包括:混凝土与岩体胶结面的直剪试验,岩体结构面直剪试验和岩体本身的直剪试验,岩体稳定性往往受软弱结构面的控制,因此测定它的抗剪强度是工作重点。以上三种试验都是在预定剪切面上施加一定的正应力σ,然后逐级施加剪应力τ使之剪断(图4)。在不同正应力作用下进行一组试验(一般包括3~4个试体),即可得到岩体的剪应力与变形关系曲线(图5)及抗剪强度与正应力关系曲线(图6)。图5中曲线A为脆性破坏型,曲线B为塑性破坏型。1和1′代表近似比例极限点,2和2′代表屈服强服强度点,3和3′代表峰值强度点,4代表残余强度点。对于脆性破坏岩体,超过峰值强度以后,剪应力显著下降,可以观察到明显的残余强度;对于韧性(塑性)破坏岩体,残余强度大致相当于峰值强度。对于岩体及较平直的结构面,其抗剪强度通常假定符合库伦法则。即:

图4 现场岩体抗剪试验装置示意图

图5 岩体典型剪应力一变形关系曲线图

τf=c+σtgφ

式中 φ为摩擦角;c为凝聚力。图6为坚硬岩体本身最大和残余抗剪强度包线,对于具有超伏差的软弱结构面,应考虑超伏角对抗剪强度的影响。如图7中OAB曲线所示,在低正应力σA以下,由于倾斜齿的作用,剪切过程中发生爬坡效应,OA段的摩擦角为φu+i(φu为平整结构面的摩擦角)。当正应力超过σA以后,齿被剪断,AB段的残余摩擦角大致相当

图6 坚硬峰值最大和残余抗剪强度破坏包线图

图7 带规则倾斜齿的剪切面上的抗剪强度与正应力关系图

在抗剪指标选择方面有多种方法,迄今没有统一的规定。一般是按现场试验资料整理出峰值,屈服值及近似比例极限值等特征点所相应的摩擦系数f=tgφ及凝聚力c,然后分别乘以不同的折减系数,最后根据工程实际情况取其平均值或小值平均值用于计算。由于岩体残余摩擦角φr值较为稳定,且考虑到岩体在历史上往往经受过不同程度的错动以及水工建筑物长期工作等因素,从70年代以来,有人提出设计中采用残余强度计算的建议。在整个指标选择过程中,经验判断仍占一定的地位。

岩体渗透试验 见水文地质试验

岩体应力测试 见地应力

岩体移动监测 坝基、岩坡和地下洞室的岩体发生过大的移动会导致失稳,因此进行原地监测具有重要意义。常用的监测仪器设备有收敛计,单点或多点钻孔位移计(或称引伸仪)及钻孔倾斜计等。以监测地下洞室围岩移动为例,收敛测量一般是在欲测围岩表面的两相对点各埋设一个测量锚栓,然后用收敛计测量两锚固点之间的长度在不同时间内发生的相对位移。钻孔位移测量是在孔内埋设单点或多点位移计,然后测量埋于不同深度的各个测点对应于孔口固定点之间在不同时间内的相对位移。位移计的最深埋置点一般应固定在围岩松动范围之外。对于地下工程,岩体移动监测率用于反馈分析,即一面施工,一面监测,并随时用观测结果来校核修正原设计施工方案,并指导下一步工作。