鉆孔內(nèi)測試巖體工程力學(xué)參數(shù)方法第1頁/共30頁主要內(nèi)容前言鉆孔力學(xué)試驗技術(shù)的發(fā)展新型巖體鉆孔測試設(shè)備的開發(fā)研制結(jié)論2012年09月23日2第2頁/共30頁前言巖體是賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體，不但其應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，且包含著隨機發(fā)育的空間上離散的結(jié)構(gòu)面，其工程力學(xué)特性十分難以把握。巖體抗剪強度參數(shù)是巖土工程設(shè)計的重要指標，進行巖體工程穩(wěn)定性分析時確定合理的巖體抗剪強度參數(shù)是最基本和最重要的，也是最難的一項工作，直接關(guān)系到工程的經(jīng)濟與安全。目前，確定巖體抗剪強度參數(shù)的方法很多，但是在很大程度上仍然采用的是在室內(nèi)外巖體試驗基礎(chǔ)上，參考借鑒以往積累的經(jīng)驗來進行巖體抗剪強度參數(shù)的確定。為此，國內(nèi)外的巖土工程研究者都非常重視巖體的試驗。2012年09月23日3第3頁/共30頁節(jié)理巖體抗剪強度參數(shù)確定方法類別方法優(yōu)點缺點理論方法損傷力學(xué)斷裂力學(xué)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬理論嚴密巖體高度非線性，無可操作成果。試驗方法直剪（室內(nèi)和現(xiàn)場）三軸（室內(nèi)和現(xiàn)場）原位測試（聲波）直觀，目前規(guī)范和設(shè)計中主要依據(jù)的方法。取樣擾動，試樣不能代表巖體參數(shù)。經(jīng)驗方法Hoek-BrownQRMRZ適用于發(fā)育3組以上結(jié)構(gòu)面并可以假設(shè)為各向同性的節(jié)理巖體不適合于結(jié)構(gòu)面、軟巖；取值與技術(shù)人員有很大關(guān)系，有較強的隨意性。第4頁/共30頁前言2012年09月23日5鑒于現(xiàn)有室內(nèi)和現(xiàn)場試驗方法的局限性以及經(jīng)驗準則的人為性，巖石工程界一直沒有放棄尋找和研究一種能快速、簡易和較可靠確定巖體，特別是對軟～中等硬度巖體抗剪強度參數(shù)的原位測試手段，期望可以彌補現(xiàn)有現(xiàn)場大剪量少和室內(nèi)試驗試樣易受擾動代表性差等問題。事實上尋找和研究能快速、簡易和較可靠確定巖體抗剪參數(shù)的原位測試手段已成為巖土工程界內(nèi)亟需解決的重要瓶頸問題之一。第5頁/共30頁前言鉆孔剪切儀能夠在現(xiàn)場快速進行巖體剪切試驗的便攜設(shè)備，可以彌補現(xiàn)有現(xiàn)場大剪量少和室內(nèi)試驗試樣易受擾動代表性差等問題。進行了室內(nèi)試驗與工程現(xiàn)場應(yīng)用，在總結(jié)鉆孔剪切儀的優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，結(jié)合了巖土工程中常用的其他鉆孔巖體工程特性測試方法，研制開發(fā)了第一代巖體原位測試設(shè)備——巖體鉆孔剪切彈模測試系統(tǒng)。2012年09月23日6第6頁/共30頁主要內(nèi)容前言鉆孔力學(xué)試驗技術(shù)的發(fā)展新型巖體鉆孔測試設(shè)備的開發(fā)研制結(jié)論2012年09月23日7第7頁/共30頁鉆孔剪切試驗（RBST）簡介美國愛荷華州州立大學(xué)RichardHandy教授自1970年就提出了利用現(xiàn)場地質(zhì)鉆孔進行孔內(nèi)原位直接剪切試驗的想法，后經(jīng)過多年不斷的研制開發(fā)與工程應(yīng)用反饋，于近期成功開發(fā)了適用于軟~中等硬度巖體的巖石鉆孔剪切儀（英文名稱為RockBoreholeShearTest），并已在美國、日本等國家得到了應(yīng)用。2012年09月23日8第8頁/共30頁鉆孔剪切試驗（RBST）簡介巖石鉆孔剪切試驗儀（RBST）主要部件為由兩塊剪切板組成的剪切頭和液壓裝置，由液壓千斤頂提供動力，通過剪切板向鉆孔圍巖施加正應(yīng)力和剪應(yīng)力。保持剪切板上的正應(yīng)力不變，增加剪應(yīng)力直至鉆孔巖壁破壞，此時的剪應(yīng)力便是該正應(yīng)力水平下的剪切強度。2012年09月23日9第9頁/共30頁鉆孔剪切儀的基本原理該實驗可以看作沿著這一薄層巖片（圖2中虛線部分）的強制直剪破壞試驗。在巖石鉆孔剪切試驗中，如嵌于齒狀凸起間巖片的面積為A，作用于巖片上的法向力和連桿的提拉力大小分別為P和T，則作用在巖片上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為σ=P/A；τ=T/2A第10頁/共30頁剪切頭25mm25mm施加剪力的推力板施加剪力裝置基本原理第11頁/共30頁第12頁/共30頁RBST的組成部分剪切頭提供提拉力的液壓千斤頂法向力和剪切力控制裝置第13頁/共30頁孔深、孔斜和孔徑孔深＝目前最深到20m孔斜＝可以水平孔徑＝76~86mm第14頁/共30頁室內(nèi)試驗與RBST試驗對比分析日本進行鉆孔剪切試驗研究，右圖所示的是日本對同一種巖體所進行的室內(nèi)試驗與現(xiàn)場鉆孔剪切試驗的比對分析，通過圖中可以看出，鉆孔剪切試驗得到的巖體內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力分別為43.4度與0.4MPa，而室內(nèi)試驗得到的巖體體內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力分別為42.4度與0.67MPa，.另外從圖中可以看出，兩者具有較好的一致性。2012年09月23日15第15頁/共30頁美國愛荷華州立大學(xué)所進行邊坡軟巖鉆孔剪切試驗結(jié)果2012年09月23日16第16頁/共30頁美國愛荷華州立大學(xué)所進行的軟弱巖體鉆孔剪切試驗結(jié)果2012年09月23日17第17頁/共30頁試驗步驟放置剪切頭到孔內(nèi)指定深度；剪切頭和入孔連桿及油管重量的測試；施加座壓；施加法向力，然后施加剪應(yīng)力；回縮剪切板，提升剪切頭；重新開始下一輪試驗。第18頁/共30頁向家壩水電站壩基巖體鉆孔剪切試驗應(yīng)用2012年09月23日19第19頁/共30頁2012年09月23日20**水電站壩基巖體鉆孔剪切試驗應(yīng)用第20頁/共30頁

2012年09月23日21向家壩水電站壩基巖體鉆孔剪切試驗應(yīng)用試驗組正應(yīng)力（MPa）剪應(yīng)力（MPa）fc(MPa)R平方值備注第一組試驗鉆孔編號：RBX-73.53.10.850.070.994試驗深度距孔口0.25m～0.40m9.58.512.510.66.55.4第二組試驗鉆孔編號：RBX-73.53.00.501.400.968試驗深度距孔口0.65m～0.85m6.55.19.55.812.56.112.57.8第三組試驗鉆孔編號：RBX-73.53.00.541.080.984試驗深度距孔口0.80m～0.95m6.54.79.55.812.58.0泥巖鉆孔剪切典型試驗數(shù)據(jù)以及回歸擬合曲線2009年底及2010年5月，進行了60余組鉆孔剪切試驗，其中黑色條帶狀泥質(zhì)粉砂巖中進行了3組鉆孔剪切試驗，試驗位置約為消力池底板下4m處；黑色泥巖鉆孔中共進行了47組試驗。第21頁/共30頁向家壩水電站鉆孔剪切試驗成果簡介2012年09月23日22（1）條帶狀灰黑色泥質(zhì)粉砂巖的鉆孔剪切實驗數(shù)據(jù)回歸得到f平均值為0.67，c平均值為1.43MPa，試驗數(shù)據(jù)線性擬合優(yōu)度平均值為0.97。其中得到的巖體抗剪強度參數(shù)中f值非常接近，而c離散較大。（2）黑色泥巖的鉆孔剪切試驗數(shù)據(jù)回歸分析可知，抗剪強度參數(shù)中f的平均值為0.45，c的平均值為0.80MPa，試驗數(shù)據(jù)線性擬合優(yōu)度平均值為0.968。其中巖體f值的離散性較小，而c離散較大。（3）通過試驗成果與地質(zhì)工作者對相應(yīng)巖體的抗剪強度參數(shù)建議值相比可知，鉆孔剪切試驗得到的f值與地質(zhì)建議值接近，且略??；但c值大于地質(zhì)建議值，且幅度較大[7,8]。第22頁/共30頁方便快捷能夠在不同的方向上進行巖體的剪切實驗費用低廉，可以在一小時內(nèi)得到巖體抗剪強度參數(shù)2012年09月23日23巖體鉆孔剪切試驗（RBST）主要優(yōu)點第23頁/共30頁鉆孔剪切試驗儀中巖石的有效剪切面積較??；另外，由于剪切板上的剪切齒高度僅有1mm，因此，剪切厚度很小，如果鉆孔孔壁不完整，則導(dǎo)致試驗結(jié)果偏?。挥捎诩羟邪迳系募羟旋X的存在，使得剪切齒在嵌入鉆孔巖壁中，孔壁巖體已經(jīng)發(fā)生了破壞，并且在試驗過程中剪切板上齒也會對其上的巖體發(fā)生剪切破壞，因此，也將對試驗成果造成一定的影響；為了解巖體變形特性，在工程應(yīng)用中往往同時進行鉆孔彈模試驗，不同的鉆孔試驗設(shè)備交替進行，因此試驗實施較為繁瑣，并且所得到的試驗資料也不利于對比分析。2012年09月23日24巖體鉆孔剪切試驗（RBST）幾點不足第24頁/共30頁主要內(nèi)容前言鉆孔力學(xué)試驗技術(shù)的發(fā)展新型巖體鉆孔測試設(shè)備的開發(fā)研制結(jié)論2012年09月23日25第25頁/共30頁新型巖體鉆孔測試設(shè)備的開發(fā)研制

在引進的鉆孔剪切儀工作原理與實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新一代的巖體原位工程特性測試儀器，利用該設(shè)備可以在工程現(xiàn)場的勘探鉆孔中進行重要的巖體力學(xué)特性試驗，得到巖體抗剪強度參數(shù)，巖體變形參數(shù)等重要工程設(shè)計資料。并且可以結(jié)合其他的巖體鉆孔測試設(shè)備相配合，對工程巖體進行合理評價，更好地為工程設(shè)計、施工、驗收、運行中的重大決策基礎(chǔ)技術(shù)支撐。2012年09月23日26巖體鉆孔剪切彈模儀的研制

（a）鉆孔剪切彈模儀正視圖（b）鉆孔剪切彈模儀縱剖面示意圖圖9鉆孔剪切彈模儀總體結(jié)構(gòu)示意圖第26頁/共30頁新型巖體鉆孔測試設(shè)備的開發(fā)研制巖體剪切試驗。通過改進了剪切儀上的上下盤刀，較美國愛荷華大學(xué)研發(fā)的鉆孔剪切儀，增加了剪切面積，基本上實現(xiàn)了在鉆孔中進行的真正意義上的剪切試驗。巖體變形試驗。通過橡膠膜向巖體鉆孔孔壁施加應(yīng)力，對巖體的彈性模量與變形模量進行測試；復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖體原位剪切試驗?？蛇M行多級荷載作用后的巖體剪切試驗，或者根據(jù)工程實際設(shè)計復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖體原位剪切試驗。利用同一個設(shè)備可同時完成彈模與剪切試驗。并且一次入孔可作不同位置多點測試，省時省力，可以方便快捷地得到巖體抗剪力學(xué)強度參數(shù)。巖體工程質(zhì)量分級。結(jié)合其他鉆孔測試設(shè)備，如鉆孔聲波測試設(shè)備、鉆孔電視，并結(jié)合巖心質(zhì)量評價的RQD系統(tǒng)，全面綜合對巖體工程質(zhì)量進行評價。2012年09月23日27巖體鉆孔剪切彈模儀的功能與特點

第27頁/共30頁主要內(nèi)容前言鉆孔力學(xué)試驗技術(shù)的發(fā)展新型巖體鉆孔測試設(shè)備的開發(fā)研制結(jié)論2012年09月23日28第28頁/共30頁結(jié)論鉆孔剪切儀為國內(nèi)巖體力學(xué)參數(shù)的確定提供了一條新的路徑，一種新的技術(shù)手段；從國外應(yīng)用經(jīng)驗以及向家壩應(yīng)用結(jié)果來看，鉆孔剪切試驗結(jié)果與常規(guī)室內(nèi)外試驗具有較好的一致性；與常規(guī)試驗相比，鉆孔剪切試驗具有原位、快速、簡便、經(jīng)濟等顯著特點，可在中~軟巖體抗剪參數(shù)測試中發(fā)揮具大作用。在試驗中也發(fā)現(xiàn)鉆孔剪切儀尚存在一些不盡人意之處，通過進一步改進