岩体原位测试.docx
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岩体原位测试
第八章围岩的收敛变形试验…………………………………-64-
第九章路基沉降观测试验……………………………………-67-
前言
本次实习针对岩石岩体的工程地质特征，岩体（石）基本力学性质及地下开挖工程中岩体力学问题进行验证和试验探索。
目的是巩固加深理解课堂上所学知识，培养运用理论知识解决实践问题的能力；掌握实践工作的方法，如勘察、地质调查、测绘等的方法；培养在实践中分析问题、解决问题的综合能力。
本次实习从2011年7月27日开始到8月11日结束，为期16天，实习地点是位于风景秀丽的长春市净月潭森林公园附近的吉林大学岩体力学实习基地，参加人员有吉林大学建设工程学院2008级岩土工程、隧道工程、工程地质专业学生。
本次实习进行的主要试验及项目有：
岩体变形试验、岩体强度试验、岩石点荷载强度试验、岩体声波探测（硐室围岩松动圈的声波测试、声波测井、围岩分类的声波测试）、利用回弹仪测定岩石强度试验、硐室的工程地质展示图、围岩的收敛变形试验、路基沉降观测试验等9项内容。
各项试验的技术和方法与实际工程相似,对毕业后工作具有很大的帮助。
编者
2011年8月12日
第一章岩体变形试验
一．实验目的
岩体变形试验是测定岩体在一定的荷载作用下变形特性指标而进行的岩体现场试验。
通过试验测定岩体的变形模量（E0）、弹性模量（Ee）及变形系数（D）等岩石工程中不可缺少的岩体力学参数。
岩体中由于各种结构面的发育和分布，使其变形性质远比岩石的变形复杂得多，因而岩体的变形不能由岩石的变形所代替，必须通过岩体变形试验测定其变形指标，进而研究岩体的变形规律。
二．基本原理
刚性承压板法是通过刚性承压板，施力于无限空间的岩体表表面，测量岩体变形的一种方法。
该方法首先将岩体假设为均质、连续、各向同性的弹性体。
然后按照弹性理论中的布西涅斯克课题计算变形模量及弹性模量：
式中：
E0为岩体变形模量，Ee为岩体弹性模量；（MPa）
W0为岩体的总变形，We为岩体的弹性变形；（mm）
P按承压板单位面积计算的压力；（MPa）
μ为岩体的泊松比，d为承压板的直径；（mm）。
三．仪器设备
如图1-1共分为三部分：
加压系统、传力系统、测试系统:
图1-1测试仪器与设备安装
1—反力座；2—垫板；3—传力柱；4—千斤顶；5—高压油管
1.加压系统：
双油路千斤顶1台；电动液压油泵1台；高压油管及其接头若干
2.传力系统：
刚性承压板：
采用直径为50.45cm、面积为2000cm2、厚度为3cm的圆形钢板；垫板：
3cm厚直径不等的圆形钢板若干，作为辅助承压板，用作传递压力；传力柱：
作传递压力用，需足够的刚度和强度，长度为10—50cm不等；砂：
当没有合适的传力柱的垫板时作传力用。
3.测试系统：
试验采用武汉岩海公司研制的RS-JYB桩基静载荷测试分析系统。
包括：
RS-JYB主机1台、中继器1台、控制箱（控制电动油泵）1台、位移传感器8只、压力传感器1只、油路接口1套、连线若干、软件1套。
四．试验步骤
1.准备工作
试点准备
1）.试点岩体受力方向应与工程岩体实际受力方向一致；
2）.试点的边界条件应满足下列条件：
承压板边缘至洞壁的距离不小于承压板直径的1.5倍；相邻试点承压板边缘之间的距离应大于承压板直径的3倍；承压板边缘距洞口或掌子面的距离应大于承压板直径的2倍；试点表面以下在承压板直径的3.0—3.5倍范围内的岩体岩性相同；
3）.试点范围内受扰动的岩体应尽可能清除干净，清除的深度视岩体受扰动的程度而定；
4）.放置承压板处的岩体表面宜加凿平，岩面的起伏差一般不超过5mm，当岩体破碎而达不到要求时，应用砂浆填平，承压板以外的岩体表面一般只要求大致平整，没有松动岩块或碎石即可；
5）.试点的顶板或后座的范围，一般应不小于30×30cm2的面积为宜，反力座表面应与试点表面平行，并要求表面平整；
6）.冲洗试点表面，对试点进行编号，必要时进行描述或拍照。
2.安装传力系统
1）.清洗试点岩体表面，铺一层水泥浆，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，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；
4）.安装完毕后，可走去千斤顶稍加压力，使两端承压板与试点表面及反力座表面紧密接触，以防止传力柱晃动或倾倒；
5）.应使整个系统所有部件中心，保持在同一轴线上并与加压方一致；
6）.应保证系统具有足够的刚度和强度。
3.布置测量系统
1）首先在试点两侧平行于洞轴线方向各安放测表支架1根，支撑形式以简支梁为宜，跨度大小满足边界条件又具有足够的刚度为准。
所谓测杆支架的边界条件，是指支架支点与承压板边缘之间的距离不小于承压板直径的1.5倍；
2）在支架上通过磁性表座在承压板上对称布置四个位移传感器或测表，测表安放要求如下：
a.要求测表表腿与承压板表面垂直。
b.表腿伸缩自如，避免夹紧或松动。
c.根据岩体的变形位移方向，留有足够的位移量，尽量避免在测试过程中调整。
d.测表安装位置适当，便于看表读数。
e.磁性表座支杆悬臂应尽可能缩短，以保证支杆有足够的刚度。
2.确定加荷方式及加荷等级
本次实习根据液压千斤顶率定曲线、刚性承压板面积并考虑到受压岩石的强度，确定最大荷载值为200KN，试验分为四级循环加荷：
即：
50KN、100KN、150KN、200KN，各级循环荷载的具体压力设计如下：
第一级：
0，25，50，25，5（KN）
第二级：
5、25、50、75、100、75、50、5（KN）
第三级：
5、50、75、100、125、150、125、100、50、5（KN）
第四级：
5、50、100、125、150、175、200、175、150、100、50、0（KN）
其中：
25、75、125、175（KN）为加荷控制点，是为了提高试验精度而设立的；第一、二、三级循环卸荷不回零是出于安全考虑，防止传力柱倾倒、顶板钢板滑塌,避免造成人身伤害。
3.变形稳定标准
以一定时间间隔变形相对变化为标准。
在逐级一次循环加荷试验中，加荷后立即测读各点的变形量，并计算平均值，然后每隔5分钟测读一次变形量。
各级压力下的变形稳定值标准为：
相邻两次变形读数之差ΔW0与该级压力下第一次变形读数与前一级压力下最后一次变形读数之差W0的比值小于5%（ΔW0/W0＜5%）时，即可认为该级荷载下的变形稳定，继续施加下一级荷载。
RS-JYB系统是以一定时间内变形的绝对变化值为标准，本次试验中每间隔5分钟读一次数，相邻两次变形读数之差不超过0.1mm，则视变形稳定。
五．试验记录
试验中所得数据见（表1-1）
表1-1岩体变形承压板法实验记录表
工程名称
试点位置
试点编号
试点岩性
承压板面积：
2000cm2
测试方式：
半自动
循环次数
荷载压力（KN）
试点应力（MPa）
压力表读数（格）
读数时间（min）
变形读数（mm
△Wo（mm）
备注
1
2
3
4
平均
一级
0
25/25
0.125
25
0.23
0.19
0.21
0.21
0.21
50/49
0.245
49
0.58
0.47
0.46
0.5
0.29
25/23
0.115
23
0.57
0.44
0.45
0.49
-0.01
56
0.03
6
0.54
0.42
0.46
0.47
-0.02
二级
56
0.03
6
0.54
0.42
0.46
0.47
0.47
25/23
0.115
23
0.56
0.43
0.46
0.48
0.01
50/49
0.245
49
0.61
0.49
0.49
0.53
0.05
75/75
0.375
75
0.77
0.64
0.61
0.67
0.14
100/98
0.49
98
0.92
0.77
0.71
0.8
0.13
75/73
0.365
73
0.86
0.77
0.71
0.78
-0.02
50/52
0.26
52
0.83
0.74
0.69
0.76
-0.02
56
0.03
6
0.72
0.63
0.68
0.67
-0.09
三级
56
0.03
6
0.72
0.62
0.68
0.67
0.67
50/49
0.245
49
0.8
0.67
0.63
0.7
0.03
75/74
0.37
74
0.9
0.76
0.7
0.73
0.03
100/98
0.49
98
0.94
0.81
0.74
0.83
0.1
125/123
0.615
123
1.03
0.88
0.79
0.9
0.07
150/148
0.74
148
1.12
0.98
0.86
0.98
0.08
125/126
0.63
126
1.11
0.97
0.85
0.98
0
100/102
0.51
102
1.11
0.96
0.85
0.97
-0.01
50/52
0.26
52
1.03
0.89
0.82
0.91
-0.06
56
0.03
6
0.84
0.75
0.81
0.81
-0.1
四级
56
0.03
6
0.85
0.76
0.81
0.81
0.81
50/48
0.24
48
0.78
0.87
0.8
0.82
0.01
100/99
0.495
99
1.05
0.92
0.8
0.92
0.1
125/123
0.615
123
1.11
0.98
0.85
0.98
0.06
150/149
0.745
149
1.15
1.02
0.87
1.01
0.03
175/173
0.865
173
1.19
1.07
0.91
1.06
0.05
200/199
0.995
199
1.28
1.14
0.95
1.13
0.07
175/173
0.865
173
1.29
1.14
0.96
1.13
0
150/151
0.755
151
1.28
1.14
0.96
1.13
0
100/103
0.515
103
1.22
1.08
0.93
1.08
-0.05
50/52
0.26
52
1.09
1.01
0.91
1.01
-0.07
57
0.035
7
0.96
0.84
0.9
0.9
-0.11
试验人员：
A组记录：
李顺审核：
孟繁荣测试日期：
2011年7月28日
六．试验成果整理
1.绘制曲线
根据试验数据整理，绘制出岩体变形曲线，如下图1-2：
图1-2逐级循环P-W0曲线
2.参数计算
按下式计算变形模量（E0）、弹性模量（Ee）及变形系数（D）：
D=
取岩石泊松比为0.25，将各级荷载下岩体的变形模量、弹性模量及变形系数列表如下：
表1-2岩体的变形指标
0.245
0.490
0.740
0.995
参数荷载
P1
P2
P3
P4
Wo（mm）
0.5
0.8
0.98
1.13
We（mm）
0.03
0.13
0.17
0.23
Wp（mm）
0.47
0.67
0.81
0.9
Ee（Mpa）
3036.58
1401.50
1618.54
1608.55
Eo（Mpa）
182.19
227.74
280.77
327.40
D
0.94
0.84
0.83
0.80
3.分析曲线类型及变形机理
岩体变形曲线通常分为4种类型，即：
直线型、上弯型、下弯型和S型，根据荷载曲线形状，还可以进一步分为几种亚类。
不同的变形曲线类型反映出不同的变形机理及变形本质，从而可分析岩体的地质特征，如岩层组合、岩体结构、风化状态、含水状态、构造特征等。
本次实验所得曲线为上弯型（如图1-3所示），弹性变形较小，塑性变形较大，在压力作用下首先是节理裂隙的压密变形，这一过程中岩体的变形量较大，曲线斜率较缓，卸荷后有较大的塑性变形。
当结构面被压密后，岩体转变为由岩石材料变形为主，岩体刚度增大，曲线斜率变陡。
每一级加压曲线斜率随加压、卸压循环次数增加而逐渐增大，各级卸荷曲线较陡，在加荷后变形大部分不能恢复。
每一级加压、卸压的变形系数D随加压、卸压循环次数增加而变小，表明结构面的塑性变形在总变形中占的比重在减小，岩体中的弹性变形在增大。
曲线表明，岩体中解理裂隙发育，岩体较破碎，岩体受结构面影响大。
第二章岩体强度试验
一．试验目的
岩体在工程荷载及地应力作用下所发生的失稳破坏其破坏机理有拉张破坏和剪切破坏两种，其中剪切破坏机理占大多数，因此，岩体的强度其本质主要是抗剪切强度。
在各种研究岩体强的试验方法中，人们普遍认为，工程岩体现场的原位强度试验是确定岩体强度的最直观和客观有效的方法。
二．试验原理
岩体的抗剪强度试验一般是采用双千斤顶法，即剪切面上的法向应力和剪切力分别由两个千斤顶施加。
在不同的法向应力（σ）作用下，岩体有与之对应的不同的极限剪应力（
），按照库仑定律，建立极限剪应力与法向应力的相关方程：
即可确定岩体的强度参数：
f=tgφ—摩擦系数（φ为岩体的摩擦角）；C为岩体的内聚力（结构连接力）。
C、φ值是岩体强度的重要指标，它代表着岩体抵抗剪切破坏的性能。
在实践中，岩体的剪切破坏有三种情况，一是相对完整岩体自身的剪断破坏，这由岩体的整体强度所决定，包括组成岩体的岩石强度，岩体中节理裂隙的发育分布状况，岩体的尺寸效应，以及岩体赋存的环境因素（如地下水、地应力等）；二是岩体与工程结构物混凝土体之间的剪切滑动破坏，如混凝土坝体底面与坝基岩体之间的剪切滑动，这取决于岩体表层与混凝土结构物之间的连接强度及二者的结构关系；三是沿岩体中各类软弱结构面发生的剪切滑动破坏，如岩体中的断层面及断层破碎带、软弱泥化夹层、软弱岩脉、层间错动带等。
绝大多数情况下，岩体的失稳破坏是由这些软弱结构面控制的，因此大多数情况下岩体的强度实际上是岩体中软弱结构面的抗剪强度。
针对上述三种岩体破坏的情况，开展的岩体强度试验也分为：
岩体抗剪断强度试验，岩体与混凝土的连接体的抗剪断试验，以及岩体中软弱结构面的抗剪试验。
本章终点论述软弱结构面的抗剪强度试验。
本章试验按照中华人民共和国国家标准《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266—99）中对岩体强度试验制定的标准和要求编写。
三.仪器设备
1.加荷系统
1）液压千斤顶或液压枕两套，最大荷载应不小于100T；
2）液压油泵及高压油管两套；
3）稳压装置。
2.传力系统
1）钢垫板（厚度2-3cm）若干块，包括平板或楔形板；
2）滚轴排一个；
3）传力住一套；
3.测量系统
1）不同量程的压力表或压力传感器两套；
2）位移变形测量表（百分表量程10-30mm），或位移传感器8-10个；
3）磁性表座8-10个；
4）测表支架，一般采用工字钢或角钢2根，长2-3m。
图2-1岩体剪切试验仪器装备
四．试验步骤
（一）.试验准备工作
1.试体的制备
本试验适宜在试验平硐中进行，试件的加工制作应符合如下要求：
1）在岩体的预定部位制备试体，试体中结构面剪切面积应不小于2500cm2，最小边长应不小于50cm，试体高度应不小于最小边长的1/2。
2）试体间距宜大于试体边长。
3）采用平推法试验时，试体应加式成四方体，千斤顶的推力方向应平行于剪切面的预定方向。
（如图2-2）
图2-2平推法试验
4）试件受力一侧与反力基座之间留有安装千斤顶的足够空间，采用平推法应加工出千斤顶卧槽。
5）对于结构面上部岩体坚硬、完整的试体，不需要制作混凝土保护套，
试体表面应加工平整，顶面应平行于预定剪切面；对于破裂松动的试体，需要在试体周边浇筑钢筋混凝土保护套，或采取其它保护措施。
保护套应具有足够的强度和刚度，保护套底边要高出预定剪切面的上边缘。
6）对剪切面为倾斜的试体或有泥化夹层的试体，在加工制作时应采取保护措施。
7）试验可在试体为天然含水状态下进行，也可在人工浸水条件下进行。
8）每组试验试体的数量应不少于5个，并应使用同一组试体的形状、尺寸尽量相同或相近。
（二）.试验装置的安装
仪器安装如图2-1所示：
1.法向荷载系统的安装
在试体顶面铺设一层砂浆或橡胶板，在垫层上放置与试体顶面面积大致相同的钢质垫板两块，并用水平尺找平，两块钢垫板中间放置滚排轴，然后依次放置液压千斤顶、传力柱。
传力柱与反力基座之间放置圆形钢垫板1-2块，每块厚约3cm，反力基座表面不平时用砂浆填平。
整个法向荷载系统须与剪切面垂直，垂直合力须应通过剪切面中心。
安装完毕后，可起动千斤顶稍加压力，使整个系统紧密接触，以保障试验安全。
2.侧向剪切荷载系统的安装
在试体受剪力一侧用水泥砂浆粘贴一玦钢垫板，垫板后依次放置传力板、液压千斤顶，千斤顶与反力基座之间视间距而定放置钢垫板及传力柱，反力基座表面不平时用水泥砂浆填平。
平推法剪切荷载作用方向应与剪切面平行，着力点与剪切面的距离不宜大于剪切方向试体边长的5%。
3.测量系统的安装荷载量测设备的安装在荷载系统安装时一并完成。
采用压力表时，通过“三通”连接于千斤顶与油压泵之间；采用压力传感器时，将传感器放置在千斤顶与传力柱之间。
位移变形的量测可采用百分表或传感器。
首先在试体两侧（平行于剪切方向）各安放一工字钢或角钢支架，支架的支点应在变形影响范围以外。
支架用螺栓固定牢固。
将磁性表座固定在工字钢或角支架上，磁性表座的支杆上安装百分表或位移传感器，并与试体的触点相接触。
在试体的对称部位分别安装剪切位移和法向位移测表（或传感器）各2只，用于测量试体的绝对位移变形。
（三）试验加荷设计
1.法向加荷设计
一组试验应设计不同法向荷载，本次试验法向荷载σ分5级：
0.08MPa，0.16MPa，0.24MPa，0.32MPa，0.40MPa。
剪切面上的正应力P由下式计算：
P=σ×A
式中：
A为剪切面面积。
2.剪切荷载设计
剪切荷载按预估的最大（极限）荷载分10级施加，设计出实验的最大剪切荷载，由库仑定律知剪切面上的极限剪应力
与正应力σ应满足下式：
在正应力σ由试验设计确定的情况下，需要根据剪切结构面的实际情况预估剪切结构面的内摩擦角φ及内聚力C值，按预估的C、φ值及确定的σ值代入上式即可求得对应的极限剪应力τc，再根据下式可确定最大剪切荷载Q值：
本次试验中预估C值为0.1MPa，φ值为30°
（四）.开始试验
1.施加法向荷载
同一组试验的每个试体分别施加不同的法向荷载，对于具有软弱物质充填的结构面，最大法向荷载以不挤出充填物为宜。
本组试验设计法向荷载为：
0.08MPa、0.16MPa、0.24MPa、0.32MPa、0.40MPa。
对每个试体法向荷载分4-5级施加，每间隔5分钟施加一级，并测读每级加荷后的法向变形。
加至最后一级荷载后，仍每隔5分钟测读变形值，当相邻两次垂直变形之差小于0.01mm时，即认为垂直变形稳定，然后施加剪切荷载。
2.施加剪切荷载
按预估的最大剪切荷载分10级施加，当剪切位移明显增大时，即某级加荷发生的位移变形大于前一级位移变形的1.5-2.0倍时，剪切荷载减半施加。
剪切荷载的施加以时间控制，对于无软弱物质充填的结构面，每间隔5分钟逐级加荷；对于充填软弱物质的结构面可根据位移变形大小，按10分钟或15分钟间隔逐加荷。
加荷前后均需测读位移变形值。
试体剪断后出现应力降，这时应持续加荷，当试体沿剪切面基本以匀速位移运动而剪切荷载也基本稳定时，此荷载值可作为试体的残余强度，这时停止加荷，试验结束。
本组试验设计的剪切荷载等级为：
0.03MPa
3.试验后剪切面描述
试验结束后先卸掉剪切荷载，再卸掉法向荷载，拆除试验仪器设备。
将剪断后的试样翻转过来，测量剪切面面积，详细记述剪切面的破坏情况，擦痕分布、方向及长度。
测定剪切面起伏差，对结构面中的充填物质描述其成份、厚度，必要时应测定充填物的物理性质。
绘制剪切面素描图及剖面图，并照像。
五.资料整理
1.试验记录如表2-1,表中各级法向荷载下的正应力σ和剪应力τ由下式计算得到：
式中：
F为剪切面面积，取0.35m2。
2.根据表2-1中数据绘制结构面压缩过程中法向应力与法向变形的关系曲线如图2-3所示：
表2-1法向应力与垂直变形数据表
法向分级荷载（KN）
正应力（MPa）
垂直变形（0.01mm）
平均值（0.01mm）
28
0.08
0
0
5
1
1.50
1
0
7
2
2.50
56
0.16
16
91
102
18
56.75
18
104
122
20
66.00
84
0.24
18
129
155
34
84.00
18
135
174
44
92.75
112
0.32
21
156
208
56
110.25
30
171
232
71
126.00
140
0.40
34
171
263
86
138.50
43
171
273
96
145.75
43
171
273
125
153.00
43
171
273
133
155.00
43
171
273
135
155.50
图2-3法向应力与法向变形的关系曲线
3.根据表2-2中数据，绘制法向应力下的剪应力与剪切位移及法向位移关系曲线（见图2-4），确定比例极限、峰
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