1、第第5章章 岩体原位测试岩体原位测试 本章重点：本章重点：岩体原位测试技术的种类；岩体变形试验、岩体强度试验、岩体岩体原位测试技术的种类；岩体变形试验、岩体强度试验、岩体应力测试和岩体现场简易测试等各试验的种类、特点、适应对象、仪器设备、操应力测试和岩体现场简易测试等各试验的种类、特点、适应对象、仪器设备、操作过程及试验结果的应用等。（作过程及试验结果的应用等。（本章在岩体力学中将详细讲到本章在岩体力学中将详细讲到）第第1节节 概述概述 岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施加外荷载，进行求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程加外荷载，
2、进行求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大优点是对岩体扰勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确；其缺点是试验设备笨重、操作的岩体力学参数直观、准确；其缺点是试验设备笨重、操作复杂、工期长、费用高。复杂、工期长、费用高。岩体原位测试一般以遵循以下程序进行：岩体原位测试一般以遵循以下程序进行：（1）试验方案制定和试验大纲编写，其基本原则是尽量使试）试验方案制定和试验大纲编写，其基本原则是尽量使试验条件符合工程岩体的实际情
3、况。验条件符合工程岩体的实际情况。（2）试验，包括试验准备、试验及原始资料检查、校核等项）试验，包括试验准备、试验及原始资料检查、校核等项工作。工作。（3）试验资料整理与综合分析。）试验资料整理与综合分析。包括：静力法和动力法两种静力法基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加一定的荷载，并测定其变形，然后绘制出压力变形曲线，计算岩体的变形参数。可分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压法等；动力法：原理：用人工方法对岩体发射或激发弹性波，并测定弹性波在岩体中的传播速度，然后通过一定的关系式求岩体的变形参数。据弹性波的激发方式不同，又分为声波法和地震法。第第2节节 岩体变形试验岩体变形试验
4、一、一、承压板法承压板法 1、基本原理、基本原理 刚性承压板法是通过刚性承压板刚性承压板法是通过刚性承压板(其弹性横量大于岩体一个数量级以上其弹性横量大于岩体一个数量级以上)对对半无限空间岩体表面施加压力并量测各级压力下岩体的变形；按弹性理论公式半无限空间岩体表面施加压力并量测各级压力下岩体的变形；按弹性理论公式计算岩体变形参数的方法。该方法视岩体为均质、连续、各向同性的半无限弹计算岩体变形参数的方法。该方法视岩体为均质、连续、各向同性的半无限弹性体；根据布辛湟斯克公式，刚性承压板下各点的垂直变形性体；根据布辛湟斯克公式，刚性承压板下各点的垂直变形(W)(W)可表示为：可表示为：2、试件制备与
5、描述、试件制备与描述 应根据工程需要和工程地质条件选择代表性试验地段和试验点位置，在预应根据工程需要和工程地质条件选择代表性试验地段和试验点位置，在预定的试验点部位制备试件，具体要求如下：定的试验点部位制备试件，具体要求如下：(1)(1)试段开挖时，应尽可能减少对岩体的扰动和破坏。试段开挖时，应尽可能减少对岩体的扰动和破坏。(2)(2)试件受压方向应与建筑物基础的实际受力方向一致。试件受压方向应与建筑物基础的实际受力方向一致。(3)(3)试件的边界条件应满足下列要求：试件的边界条件应满足下列要求：承压板边缘至硐侧壁的距离应大于承压板直径的承压板边缘至硐侧壁的距离应大于承压板直径的1.51.5倍
6、；倍；至硐口或掌子面的距离应大于承压板直径的至硐口或掌子面的距离应大于承压板直径的2 2倍；倍；至临空面的距离应大于承压板直径的至临空面的距离应大于承压板直径的6 6倍；倍；两试件边缘间的距离应大于承压板直径的两试件边缘间的距离应大于承压板直径的3 3倍；倍；试件表面以下试件表面以下3 3倍承压板直径深度范围内的岩性宜相同。倍承压板直径深度范围内的岩性宜相同。(4)(4)试件范围内受扰动的岩体应清除干净并凿平整；试件范围内受扰动的岩体应清除干净并凿平整；岩面起伏差不宜大于承岩面起伏差不宜大于承压板直径的压板直径的1 1，承压板以外，试验影响范围以内的岩面也应大致平整，无松动，承压板以外，试验影
7、响范围以内的岩面也应大致平整，无松动岩块和碎石。岩块和碎石。(5)(5)试件面积应略大于承压板，其中加压面积不宜小于试件面积应略大于承压板，其中加压面积不宜小于2 500cm2 500cm2 2。(6)(6)试验反力装置部位应能承受足够的反力，在大约试验反力装置部位应能承受足够的反力，在大约303030cm30cm2 2范围内大致平整，范围内大致平整，以便浇注混凝土或安装反力装置。以便浇注混凝土或安装反力装置。3 3、仪器设备及安装调试、仪器设备及安装调试 包括如下内容：包括如下内容：(1)(1)试硐编号、位置、硐底高程、方位、硐深、断面形状及尺寸、开挖方式试硐编号、位置、硐底高程、方位、硐深
8、、断面形状及尺寸、开挖方式及日期等。及日期等。图5-1刚性承压板法试验安装示意图(a)钻直方向加荷；（b)水平方向加荷1砂浆顶板；2垫板；3传力柱；4圆垫板；5标准压力表；6液压千斤顶；7高压管（接油泵）；8磁性表 架；9工字钢梁i 10钢板；11 一刚性承压板|12标点I 13千分表I 14一滚轴；15混凝土支墩；16木柱；17油泵（接千斤顶）；18木垫；19一木梁 (2)(2)试件编号、层位、尺寸及制备方法等。试件编号、层位、尺寸及制备方法等。(3)(3)试段开挖方法及出现的岩体变形破坏等情况。试段开挖方法及出现的岩体变形破坏等情况。(4)(4)岩石类型、结构构造及主要矿物成分和风化程度。
9、岩石类型、结构构造及主要矿物成分和风化程度。(5)(5)地下水情况。地下水情况。(6)(6)岩体结构面类型、产状、性质、隙宽、延伸性、密度及充填物性质等情岩体结构面类型、产状、性质、隙宽、延伸性、密度及充填物性质等情况。况。(7)(7)地质描述应提交的图件包括；试段地质素描图、裂隙统计图表及相应的地质描述应提交的图件包括；试段地质素描图、裂隙统计图表及相应的照片，试段地质纵横剖面图，试件地质素描图等。照片，试段地质纵横剖面图，试件地质素描图等。4 4、试验步骤、试验步骤 (1)(1)准备工作准备工作 按设计压力的按设计压力的1 12 2倍确定最大试验压力。倍确定最大试验压力。根据千斤顶根据千斤
10、顶(或液压枕或液压枕)的率定曲线及承压板面积计算出施加压力与压力的率定曲线及承压板面积计算出施加压力与压力表读数关系的加压表。表读数关系的加压表。测读各测表的初始读数，加压前每测读各测表的初始读数，加压前每10min10min读数一次，连续三次读数不变，读数一次，连续三次读数不变，即可开始加压。即可开始加压。(2)(2)加压加压 将确定的最大压力分为将确定的最大压力分为5 5级并分级施加压力；加压方式一般采用逐级一次循级并分级施加压力；加压方式一般采用逐级一次循环加压法，必要时可采用逐级多次循环法。环加压法，必要时可采用逐级多次循环法。加压后立即读数一次，此后每隔加压后立即读数一次，此后每隔1
11、0min10min读一次数，直到变形稳定后卸压；读一次数，直到变形稳定后卸压；卸压过程中的读数要求与加压同；在加卸压过程中，过程压力下的变形也应测读卸压过程中的读数要求与加压同；在加卸压过程中，过程压力下的变形也应测读一次；板外测点可在板上测表读数达到稳定后一次性读数。一次；板外测点可在板上测表读数达到稳定后一次性读数。变形稳定标准，当所有承压板上测表相邻两次读数之差与同级压力下第一变形稳定标准，当所有承压板上测表相邻两次读数之差与同级压力下第一次读数与前一级压力下最后一次读数差的比值次读数与前一级压力下最后一次读数差的比值570 mm设备液压泵（手动或电动）附压 力表、高压管路、测力计等与液
12、压千斤顶(或液压钢枕配套使用）传力设备传力柱（木、钢或混凝土制 品）、钢垫块（板）、滚轴排岩锚、钢索、螺夹、或钢梁等传力柱宜具有足够的刚度在露天或基坑试验时使用量测设备百分表 千分表6磁性表座和万能表架，测量 标点量表支架2数量与百分表(或千分表)配套支杆长度，应超过试验影响范围其他仪器、仪表安装工具 混凝土浇捣工具 地质描述仪器 照相、照明设备 文具、记录用品水泥、砂、石子一套用量根据浇筑混凝土试体和试体处理要求而定岩体现场直剪试验仪器设备仪器设备安装垂直、剪切加载系统设备安装。位移量表安装施加垂直荷载施加剪切荷载混凝土与岩体胶结面直剪试验仪器设备安装示意1一(或混凝土）垫层；2传力柱；3传
13、力横梁；4一钢板；5滚轴排；6_垂直位移量表;7接液压泵；8液压钢枕；9 一混凝土保护罩；10测向位移量脯；11 一剪切位移量表；12试体；13测力计；14_球座；15钢板；16剪切面;17_液压千斤顶；18_混凝土垫块；19膨胀性聚苯乙烯（或其他材料）垫料岩体弱面（软弱岩体）直剪试验仪器设备安装示意倾斜岩体弱面直剪试验仪器设备安装示意 二、三轴试验二、三轴试验 1、基本原理、基本原理 原位岩体三轴试验一般是在平硐中进行的，即在平硐中加工试件，并施加原位岩体三轴试验一般是在平硐中进行的，即在平硐中加工试件，并施加三向压力，然后根据莫尔理论求岩体的抗压强度及三向压力，然后根据莫尔理论求岩体的抗压
14、强度及E E0 0、等参数。试验又分为等参数。试验又分为等围压等围压(1 1 2 2 3 3)三轴试验和真三轴三轴试验和真三轴(1 1 2 2=3 3)试验两种，可根据实试验两种，可根据实际情况选用。因此，为了确定围压和轴向压力的大小和加荷方式，试验前应了际情况选用。因此，为了确定围压和轴向压力的大小和加荷方式，试验前应了解岩体的天然应力状态及工程荷载情况。解岩体的天然应力状态及工程荷载情况。2、试件制备与地质描述、试件制备与地质描述 3、仪器设备及安装调试、仪器设备及安装调试 4、试验步骤、试验步骤 5、试验成果整理、试验成果整理 岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，它包括岩体初始应力和围岩
15、应力。岩体初始应力：是指天然状态下岩体内赋存的应力，它又称原岩应力，在地震地质领域常称地应力，它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳运动所产生的构造应力（包括现今构造应力和残余构造应力）所组成。围岩应力：是指岩体被扰动后引起重分布的应力，又称二次应力，它是由于人工开挖等工程活动而形成。岩体应力测量方法分类表 类别测量部位测量方法应力解除法应力部分解除法表面Y形布置法、A形布置法钻孔平行钻孔法(或称为扰动法）应力完全解除法表面钢弦应变计法、电阻片法、光弹法、机械式(千分表)法钻孔孔径变形法：钻孔变形计法、压磁应力计法孔壁应变法:三叉式应变计法、空心包体式应变计法、深孔应变计法孔底应变法：平底
16、应变法、半圓形孔底应变法应力恢复法表面平面扁千斤顶法钻孔曲面扁千斤顶法破裂岩石法钻孔水压致裂法、千斤顶致裂法地球物理法室内试样声发射法、X射线法钻孔波速法其他方法钻孔钻孔加深法第四节第四节 岩体应力测试岩体应力测试一、应力解除法一、应力解除法 1、基本原理、基本原理 原理：当需测定岩体中某点的应力时，可将该点一定范围内的岩体与基岩原理：当需测定岩体中某点的应力时，可将该点一定范围内的岩体与基岩分离，使该点岩体上所受应力解除。这时由应力产生的变形分离，使该点岩体上所受应力解除。这时由应力产生的变形(或应变或应变)即相应恢即相应恢复。通过一定的量测元件和仪器量测出应力解除后的变形值，即可由确定的应
17、复。通过一定的量测元件和仪器量测出应力解除后的变形值，即可由确定的应力与应变关系求得相应应力值。力与应变关系求得相应应力值。分类：根据测量方法不同可分为表面应力解除法、孔底应力解除法和孔壁分类：根据测量方法不同可分为表面应力解除法、孔底应力解除法和孔壁应力解除法三种，各种方法根据测量元件不同又可细分为各种不同的方法。应力解除法三种，各种方法根据测量元件不同又可细分为各种不同的方法。表面应力解除法：在岩体表面和地下洞室壁上预先埋设应变计（或贴表面应力解除法：在岩体表面和地下洞室壁上预先埋设应变计（或贴电阻片），然后在其周围掏环形槽并同时测量岩体应力解除后的应变值。电阻片），然后在其周围掏环形槽并
18、同时测量岩体应力解除后的应变值。根据岩体应力解除前后的应变变化和岩体的弹性模量，计箅岩体的表面应根据岩体应力解除前后的应变变化和岩体的弹性模量，计箅岩体的表面应力。力。应力解除法试验布置示意 1 一解除槽；2岩面；3应变计(钢弦应变计或电阻片）孔壁应力解除法(或称钻孔套芯应力解除法)。该方法的基本原理是在钻孔中安装变形或应变测量元件，测量套芯应力解除前后钻孔半径变化值(径向位移)，用该孔径变化值来确定岩体应力值。2、试点选择与地质描述 3、仪器设备 4、试验步骤 5、成果整理及计算二、应力恢复法二、应力恢复法 1、基本原理、基本原理 应力恢复法一般在平硐壁面应力恢复法一般在平硐壁面(也可在地表
19、露头面也可在地表露头面)上进行。在岩面上切槽，上进行。在岩面上切槽，岩体应力被解除，应变也随之恢复；然后在槽中再埋入液压枕，对岩体施加压岩体应力被解除，应变也随之恢复；然后在槽中再埋入液压枕，对岩体施加压力，使岩体的应变恢复至应力解除前的状态；此时，液压枕施加的压力即为应力，使岩体的应变恢复至应力解除前的状态；此时，液压枕施加的压力即为应力解除前岩体受到的应力，这一应力值实际上是平硐开挖后壁面处的环向应力。力解除前岩体受到的应力，这一应力值实际上是平硐开挖后壁面处的环向应力。通过量测应力恢复后的应力和应变值，利用弹性力学公式即可求解出测点岩体通过量测应力恢复后的应力和应变值，利用弹性力学公式即
20、可求解出测点岩体中的应力状态。中的应力状态。2、试点制备与地质描述、试点制备与地质描述 3、仪器设备、仪器设备 4、试验步骤、试验步骤 5、成果整理及计算、成果整理及计算 应变计埋设位置示意1千斤顶2应变计应力恢复法试验示意1 一油泵;2压力表;3_应变计(钢弦或电阻片)4 一紫铜管；5扁千斤顶；6水泥砂浆三、水压致裂法三、水压致裂法 1、基本原理、基本原理 水压致裂法是利用橡胶栓塞封堵一段钻孔，然后通水压致裂法是利用橡胶栓塞封堵一段钻孔，然后通过水泵将高压水压人其中，使孔壁岩体产生拉破裂过水泵将高压水压人其中，使孔壁岩体产生拉破裂(图图5 5一一17)17)。假定铅直钻孔孔轴平行于某一岩体应
21、力分量时，典假定铅直钻孔孔轴平行于某一岩体应力分量时，典型情况下的水泵压力随时间变化的关系如图型情况下的水泵压力随时间变化的关系如图5 51818所示。所示。压力从压力从p p0 0开始增加，到峰值开始增加，到峰值p pc1c1时，孔壁某特定部位将产时，孔壁某特定部位将产生拉破裂，压力也随之降低，并稳定于生拉破裂，压力也随之降低，并稳定于p ps s，这一压力称，这一压力称为封井压力为封井压力(或称关闭压力或称关闭压力)。这时若人为地降低水压力，。这时若人为地降低水压力，则孔壁拉裂隙在岩体应力作用下将闭合。当再次升压时，则孔壁拉裂隙在岩体应力作用下将闭合。当再次升压时，裂隙将再次张开，压力达到
22、峰值裂隙将再次张开，压力达到峰值p pc2c2：后再次降低：后再次降低并稳定在并稳定在p ps s值附近。利用测得的几个特征压值附近。利用测得的几个特征压力力p pc1c1、p pc2c2、p ps s及拉裂隙方位等数据，根据及拉裂隙方位等数据，根据弹性力学中圆形孔洞周边应力公式即可求得弹性力学中圆形孔洞周边应力公式即可求得岩体中的两个水平应力值。岩体中的两个水平应力值。2、仪器设备、仪器设备 3、试验方法要点、试验方法要点孔壁应变法是借助粘贴在钻孔孔壁上的电阻应变片测量套孔应力解除前后孔壁表面应变变化，根据弹性理论计箅岩体中一点的三向应力目前国内广泛使用的有三叉式应变计法、空心包体式应变计法
23、和深孔水下应变计法 此法适用于完整或较完整致密和细粒结构的岩体中测试，在破碎岩体、薄层或出现饼状岩芯处不宜使用。孔底应变法是借助于粘贴在钻孔底面上的电阻应变片测量套钻解除前后孔底岩体的应变变化，利用弹性理论的经验公式及岩石的弹性模量计算应力。孔底应变计有一个硬塑料外壳，在其端面借助于厚0.5 mm的有机玻璃片或赛璐珞片（或薄橡皮）上贴有一组电阻应变丛。外壳另一端用胶粘剂（通常为环氧树脂)粘贴在孔底表面中央三分之一面积内。这样，当孔底岩面由于套钻解除发生变形时，应变计将随之变化。第五节第五节 岩体现场简易测试岩体现场简易测试一、岩体声波测试一、岩体声波测试 1、基本原理、基本原理通过声波仪发生的
24、电脉冲（或电火花）激发声波，并测定其在岩中的传播速度，通过声波仪发生的电脉冲（或电火花）激发声波，并测定其在岩中的传播速度，据波动理论求取岩体动力学参数据波动理论求取岩体动力学参数 2、测线（点）选择与地质描述、测线（点）选择与地质描述 3、仪器设备、仪器设备 4、试验步骤、试验步骤 5、成果整理及应用、成果整理及应用 声声波波测测试试二、岩石点荷载强度试验二、岩石点荷载强度试验 1、基本原理、基本原理点荷载试验是将岩块试件置于点荷载仪的两个球面圆锥压头间，对试件施加点荷载试验是将岩块试件置于点荷载仪的两个球面圆锥压头间，对试件施加集中荷载直至破坏，然后根据破坏荷载求岩石的点荷载强度。集中荷载
25、直至破坏，然后根据破坏荷载求岩石的点荷载强度。优点：可以测试不规则岩石试件以及低强度和严重风化岩石的强度。优点：可以测试不规则岩石试件以及低强度和严重风化岩石的强度。2、仪器设备、仪器设备立式卧式3、试验步骤、试验步骤（1）试件制备）试件制备基岩露头上取小岩石样，加工成为基岩露头上取小岩石样，加工成为35cm见方的岩块见方的岩块岩心加工成高岩心加工成高35cm的柱体作为试件的柱体作为试件（2）试样描述。）试样描述。内容包括岩性、结构构造、结构面特征及与加力方向间关系和岩石内容包括岩性、结构构造、结构面特征及与加力方向间关系和岩石风化程度等。风化程度等。（3）试样安装。）试样安装。（4）加荷。）
26、加荷。（5）描述试件破坏特征。）描述试件破坏特征。（6）破坏面尺寸测量。）破坏面尺寸测量。4、资料整理及其应用、资料整理及其应用点荷载强度点荷载强度抗压强度、抗拉强度抗压强度、抗拉强度三、岩体回弹锤击试验三、岩体回弹锤击试验 1、原理、原理 根据刚性材料的抗压强度与冲击回弹高度在一定条件下存在着某种函根据刚性材料的抗压强度与冲击回弹高度在一定条件下存在着某种函数关系的原理，利用岩体受冲击后的反作用，使弹击锤回跳的数值即为回数关系的原理，利用岩体受冲击后的反作用，使弹击锤回跳的数值即为回弹值。此值愈大，表明岩体愈富弹性、愈坚硬；反之，说明岩体软弱，强弹值。此值愈大，表明岩体愈富弹性、愈坚硬；反之，说明岩体软弱，强度低。度低。岩体回弹值和岩体重度的乘积与岩体抗压强度呈线性关系，因此只要岩体回弹值和岩体重度的乘积与岩体抗压强度呈线性关系，因此只要测得回弹值和重度，即可求取岩体的抗压强度。测得回弹值和重度，即可求取岩体的抗压强度。优点：操作简便及测试迅速优点：操作简便及测试迅速 2、仪器设备、仪器设备 3、试验要点、试验要点 4、资料整理、资料整理
