巖體力學(xué)性能的現(xiàn)場測試

由于室內(nèi)的巖樣存在體積小、脫離巖體的地質(zhì)力學(xué)性能的全貌等缺點，因而不能充分反映巖體的力學(xué)性能。而巖體的野外現(xiàn)場測試就較為全面的反映巖體力學(xué)性能的全貌，這是室內(nèi)試驗所不及的。本節(jié)我們討論巖體的變形性能和強(qiáng)度特性的現(xiàn)場試驗。

一、巖體的變形試驗

巖體的變形試驗有靜力法和動力法兩種。

靜力法是指巖體現(xiàn)場變形試驗時以靜力荷載進(jìn)行加載。動力法是指施加于巖體上的荷載為動力荷載。動力法的現(xiàn)場測定在第三章已介紹，這里介紹靜力法求現(xiàn)場巖體的變形模量。常用的靜力法有千斤頂法荷載試驗（或稱平板荷載法）、徑向荷載試驗（如雙筒法）和水壓法。通常求算巖體的彈性模量及變形模量用千斤頂法，求巖石的彈性抗力系數(shù)采用雙筒法。1.定義：用千斤頂加荷于墊板上，使荷載傳到巖體中，也稱千斤頂法。2.設(shè)備裝置的主要組成（圖4－32)：（1）墊板（承壓板);一般為方形或圓形，面積為0.25-1.20mm2、材料彈性也可為剛性。（2）加荷裝置（千斤頂或壓力枕）;加荷為500kN-3000kN，加荷方法有小循環(huán)和大循環(huán)兩種。小循環(huán)分為多次循環(huán)和單次循環(huán),見圖4-33。多次小循環(huán)加載比相同荷載下常規(guī)加載巖體產(chǎn)生的總變形大(蠕變現(xiàn)象)（3）傳力裝置（傳力支柱、傳力柱墊板）;（4）變形量測裝置（測微計）;（一）千斤頂法荷載試驗頂、底板加載邊墻加載圖4-33巖體現(xiàn)場變形試驗加荷過程示意圖3.測試巖體的變形可在墊板下面測定，也可在通過墊板中心的軸線上距墊板一定距離處量測單次小循環(huán)大循環(huán)多次小循環(huán)P-壓力T-時間4.算式(測出壓力和位移，由下列公式計算巖體的變形模量E)把巖體看作一個彈性半無限空間，用布辛涅斯克方程求得巖體表面的垂直向位移。(1)墊板為柔性墊板(3種位移)a.巖體表面上墊板的中點處垂直位移（4-80）式中：p-荷載;r-墊板的半徑;μ-巖體的泊松比;E——巖體的彈性模量b.墊板的平均位移（4－81）式中，A-受荷表面的面積；m-系數(shù)它取決于墊板的形狀、剛度以及荷載分布等情況，其m值可見表4－5c.帶孔柔性墊板(中心有孔的壓力枕)中心點的垂直位移（4－83)注：在圓形板下不同荷載類型時，其相應(yīng)的m值可見表4－6（2）墊板為剛性墊板時（4－82）式中：a和b為墊板的邊長（二）徑向荷載試驗（求抗力系數(shù)K和彈模E）要點：在巖體中開挖一個圓筒形洞室，然后在這個洞室的某一段長度上施加垂直于巖體表面的均勻壓力。水施加壓力的為水壓法；用壓力枕施加壓的為壓力枕法(又稱奧地利荷載試驗)圖4-35所示試驗是靠一鋼支承圓筒的四周的壓力枕同步對巖體施加荷載，造成洞中一定長度內(nèi)的巖體產(chǎn)生徑向壓縮，巖體變形控制在彈性階段。變形模量可按彈性厚壁圓筒理論（圖4－36）求得：式中--半徑為巖體內(nèi)的徑向位移

AA-AA推算彈性性抗力系系數(shù)K定義：洞洞室表面面產(chǎn)生單單位位移移的應(yīng)力力利用彈性性厚壁圓圓筒理論論推出：：注：K隨洞的的半徑的的大小而而變化，，一般，，半徑越越大K值值越小。。K愈大大巖體彈彈性抗力力愈大，，愈有利利于襯砌砌的穩(wěn)定定。既（三）狹狹縫壓力力枕荷載載試驗(2種)方法1要要點：將巖體切切割成槽槽，把壓壓力枕埋埋于槽內(nèi)內(nèi)，并用用水泥砂砂漿澆注注，使壓壓力枕的的兩個面面皆能很很好地與與槽的兩兩側(cè)巖面面接觸（（圖4-37））。變形模量量為式中：p-壓力力枕給巖巖面的總總荷載；；A-圓形形加載面面的半徑徑；Vs-巖面的的平均位位移方法2要要點：在垂直巖巖壁上刻刻槽布置置，圖4－38。則則巖體的的變形模模量E可可按布辛辛涅斯克克的彈性性理論求求得。當(dāng)當(dāng)實測位位移已知知時，變形模量量為：式中：p-壓力力枕施加加的單位位壓力（（MPa）—直槽寬寬度（近近似用壓壓力枕的的寬度代代替）(cm)y-x軸到測測點的距距離(cm）——-測點點的位移移（cm）1.要點點：可按施加加的推力力與剪切切面之間間的夾角角的大小小而采用用不同的的加荷方方法。雙雙千斤頂頂試驗中中，一組組試驗不不少于五五塊試件件。二、現(xiàn)場場巖體直直剪試驗驗(2種)（一）雙雙千斤頂頂法p—垂直直千斤頂頂壓力表表讀數(shù)（（MPa）t—橫橫向千斤斤頂壓力力表讀數(shù)數(shù)（MPa）F1—垂直千千斤頂活活塞面積積(若為為壓力枕枕，應(yīng)乘乘以出力力系數(shù))（cm2）2.在不不同p力力作用下下剪切面上的正正應(yīng)力和和剪應(yīng)力力F2-橫向千千斤頂活活塞面積積(若為為壓力枕枕，應(yīng)乘乘以出出力力系數(shù))（cm2）F-試件件剪切面面面積（（cm2）αα—橫向向推力與與剪切面面的夾角角（通常常取150)式中：注1當(dāng)剪切面面上存在在裂隙、、節(jié)理等等滑面時時，抗剪面積積將分為為剪斷破破壞和滑滑動破壞壞兩部分分，而把把剪斷破破壞當(dāng)作作有效抗抗剪面積積Fa，滑動破破壞時的的滑動面面積為Fb。3.繪制應(yīng)力力與位移移特性曲曲線和剪剪應(yīng)力與與正應(yīng)力力強(qiáng)度度曲線有效抗剪剪面積正壓力仍仍由全部部面積承承擔(dān)總面積：：（二）單單千斤頂頂法1、要點點：單千斤頂頂法是現(xiàn)現(xiàn)場無法法施加垂垂直應(yīng)力力的情況況下采用用的。在在山坡上上或平洞洞內(nèi)的預(yù)預(yù)定剪切切面上挖挖成各種種主應(yīng)力力方向與與固定剪剪切面成成不同傾傾角的試試件（通通常剪切切面傾角角為150-350）注2施加于試試件剪切切面上的的壓力應(yīng)應(yīng)該包括括千斤頂頂施加的的荷重、、設(shè)備和和試件的的重量。。注3在計算剪剪應(yīng)力時時，應(yīng)扣扣除由于于垂直壓壓力而產(chǎn)產(chǎn)生的滾滾軸滾動動摩擦力力。注4如果剪切切面為傾傾斜面時時，上述述破壞面面上的正正、剪應(yīng)應(yīng)力的計計算公式式還應(yīng)根根據(jù)傾角角的大小小進(jìn)行修修正。2.破壞壞面上的的正、剪剪應(yīng)力計計算(如圖4－42)而故3.繪制制巖體正正-剪應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度度曲線三、現(xiàn)場場三軸強(qiáng)強(qiáng)度試驗驗在一個隨隨機(jī)性節(jié)節(jié)理的巖巖體中，，破壞面面位置的的預(yù)定是有有困難的的，用三三軸試驗驗可以量量測巖體體的抗剪強(qiáng)度和和破壞面面的位置置及形態(tài)態(tài)，這時時，破壞壞面會沿最弱的的面破壞壞。1.試件件矩形塊體體，在試試洞底板板或洞壁壁的試驗驗位置上上，經(jīng)過過仔細(xì)鑿鑿刻和整整平而成成的，此此矩形試試件三邊邊脫離原原地巖體體，而僅僅一邊與與巖體相相連。目目前，試試件的大大小可達(dá)達(dá)2.80m××1.40m××2.80m,試件的的基底與與巖體相相連的面面積為2.80m×1.40m.（圖4－－43））2.加載載與測試試試件準(zhǔn)備備好后，，把壓力力枕埋置置在刻槽槽內(nèi)，以以便施加加σ2和σ3，而σ1是通過垂垂直千斤斤頂或壓壓力枕施施加的。。在試驗驗中量測測和記錄錄試件的的位移。。3.繪制巖體體試驗應(yīng)應(yīng)力圓包包絡(luò)線、、強(qiáng)度曲曲線和巖巖體特征征曲線從而測定定應(yīng)力－－位移關(guān)關(guān)系曲線線。確定定應(yīng)力的的比例極極限、屈屈服極限限和破壞壞極限。。關(guān)于不同同應(yīng)力狀狀態(tài)下，，現(xiàn)場三三軸試驗驗成果的的計算分述述如下：：1.三軸軸應(yīng)力在在狀狀態(tài)下下應(yīng)力滿足：