1、钻孔内测试岩体工程力学参数方法精品jing2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所2主要内容2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所3主要内容2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所4前言岩体是赋存于一定的地质环境中的地质体，不但其应力环境复杂，且包含着随机发育的空间上离散的结构面，其工程力学特性十分难以把握。岩体抗剪强度参数是岩土工程设计的重要指标，进行岩体工程稳定性分析时确定合理的岩体抗剪强度参数是最基本和最重要的，也是最难的一项工作，直接关系到工程的经济与安
2、全。目前，确定岩体抗剪强度参数的方法很多，但是在很大程度上仍然采用的是在室内外岩体试验基础上，参考借鉴以往积累的经验来进行岩体抗剪强度参数的确定。为此，国内外的岩土工程研究者都非常重视岩体的试验。节理岩体抗剪强度参数确定方法类别类别方法方法优点优点缺点缺点理论方法l损伤力学l断裂力学l结构面网络模拟理论严密岩体高度非线性，无可操作成果。试验方法l直剪（室内和现场）l三轴（室内和现场）l原位测试（声波）直观，目前规范和设计中主要依据的方法。取样扰动，试样不能代表岩体参数。经验方法lHoek-BrownlQlRMRlZ适用于发育3组以上结构面并可以假设为各向同性的节理岩体不适合于结构面、软岩；取值
3、与技术人员有很大关系，有较强的随意性。2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所6前言鉴于现有室内和现场试验方法的局限性以及经验准则的人为性，岩石工程界一直没有放弃寻找和研究一种能快速、简易和较可靠确定岩体，特别是对软中等硬度岩体抗剪强度参数的原位测试手段，期望可以弥补现有现场大剪量少和室内试验试样易受扰动代表性差等问题。事实上寻找和研究能快速、简易和较可靠确定岩体抗剪参数的原位测试手段已成为岩土工程界内亟需解决的重要瓶颈问题之一。2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所7前言钻孔剪切仪能够在现场快速进行岩体
4、剪切试验的便携设备，可以弥补现有现场大剪量少和室内试验试样易受扰动代表性差等问题。进行了室内试验与工程现场应用，在总结钻孔剪切仪的优缺点基础上，结合了岩土工程中常用的其他钻孔岩体工程特性测试方法，研制开发了第一代岩体原位测试设备岩体钻孔剪切弹模测试系统。2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所8主要内容2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所9钻孔剪切试验（RBST）简介美国爱荷华州州立大学Richard Handy教授自1970年就提出了利用现场地质钻孔进行孔内原位直接剪切试验的想法，后经过多年不断的研制
5、开发与工程应用反馈，于近期成功开发了适用于软中等硬度岩体的岩石钻孔剪切仪（英文名称为Rock Borehole Shear Test），并已在美国、日本等国家得到了应用。2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所10钻孔剪切试验（RBST）简介岩石钻孔剪切试验仪（RBST）主要部件为由两块剪切板组成的剪切头和液压装置，由液压千斤顶提供动力，通过剪切板向钻孔围岩施加正应力和剪应力。保持剪切板上的正应力不变，增加剪应力直至钻孔岩壁破坏，此时的剪应力便是该正应力水平下的剪切强度。钻孔剪切仪的基本原理孔内侧岩体拉拔力/剪力法向力/压力孔内径该实验可以看作沿着这
6、一薄层岩片（图2 中虚线部分）的强制直剪破坏试验。在岩石钻孔剪切试验中，如嵌于齿状凸起间岩片的面积为A，作用于岩片上的法向力和连杆的提拉力大小分别为P 和T，则作用在岩片上的正应力和剪应力分别为=P/A；=T/2A剪切头25mm25mm施加剪力的推力板施加剪力装置基本原理RBST的组成部分剪切头剪切头提供提拉力的提供提拉力的液压千斤顶液压千斤顶法向力和剪切力法向力和剪切力控制装置控制装置孔深、孔斜和孔径孔深目前最深到20m孔斜可以水平孔径 7686mm2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所16室内试验与RBST试验对比分析日本进行钻孔剪切试验研究，
7、右图所示的是日本对同一种岩体所进行的室内试验与现场钻孔剪切试验的比对分析，通过图中可以看出，钻孔剪切试验得到的岩体内摩擦角与内聚力分别为43.4度与0.4MPa，而室内试验得到的岩体体内摩擦角与内聚力分别为42.4度与0.67MPa，.另外从图中可以看出，两者具有较好的一致性。2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所17美国爱荷华州立大学所进行边坡软岩钻孔剪切试验结果y=0.3369x+0.5478R2=0.9817y=0.15x+3.9667R2=0.9643y=0.5185x+0.0857R2=0.99140246805101520Normal
8、stress(MPa)Shear stress(Mpa)BH7,7.80m,S.W.ShBH8,11.43m,S.W.ShBH9,8.90m,S.W.Sh(=9o,c=3.97 MPa)(RBST)(=19o,c=0.55 MPa)(RBST)(=27o,c=0.086 MPa)(BST-H)2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所18美国爱荷华州立大学所进行的软弱岩体钻孔剪切试验结果试验步骤放置剪切头到孔内指定深度；剪切头和入孔连杆及油管重量的测试；施加座压；施加法向力，然后施加剪应力；回缩剪切板，提升剪切头；重新开始下一轮试验。2010年年11月
9、月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所20向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所21*水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所22 向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用试验组试验组正应力正应力（MPa）剪应力剪应力（MPa）fc(MPa)R平方值平方值备注备注第一组试验钻孔编号：RBX-73.53.10.850.070.994试验深度距孔口0.25m0.40m 9.58.512
10、.510.66.55.4第二组试验钻孔编号：RBX-73.53.00.501.400.968试验深度距孔口0.65m0.85m6.55.19.55.812.56.112.57.8第三组试验钻孔编号：RBX-73.53.00.541.080.984试验深度距孔口0.80m0.95m6.54.79.55.812.58.0泥岩钻孔剪切典型试验数据以及回归拟合曲线泥岩钻孔剪切典型试验数据以及回归拟合曲线 2009年底及2010年5月，进行了60余组钻孔剪切试验，其中黑色条带状泥质粉砂岩中进行了3组钻孔剪切试验，试验位置约为消力池底板下4m处；黑色泥岩钻孔中共进行了47组试验。2010年年11月月25日
11、日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所23向家坝水电站钻孔剪切试验成果简介（1）条带状灰黑色泥质粉砂岩的钻孔剪切实验数据回归得到f平均值为0.67，c平均值为1.43MPa，试验数据线性拟合优度平均值为0.97。其中得到的岩体抗剪强度参数中f值非常接近，而c离散较大。（2）黑色泥岩的钻孔剪切试验数据回归分析可知，抗剪强度参数中f的平均值为0.45，c的平均值为0.80MPa，试验数据线性拟合优度平均值为0.968。其中岩体f值的离散性较小，而c离散较大。（3）通过试验成果与地质工作者对相应岩体的抗剪强度参数建议值相比可知，钻孔剪切试验得到的f值与地质建议值接近，且略小；但c
12、值大于地质建议值，且幅度较大7,8。2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所24方便快捷能够在不同的方向上进行岩体的剪切实验费用低廉，可以在一小时内得到岩体抗剪强度参数岩体钻孔剪切试验（岩体钻孔剪切试验（RBSTRBST）主要优点）主要优点2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所25钻孔剪切试验仪中岩石的有效剪切面积较小；另外，由于剪切板上的剪切齿高度仅有1mm，因此，剪切厚度很小，如果钻孔孔壁不完整，则导致试验结果偏小；由于剪切板上的剪切齿的存在，使得剪切齿在嵌入钻孔岩壁中，孔壁岩体已经发生了破坏，并且在
13、试验过程中剪切板上齿也会对其上的岩体发生剪切破坏，因此，也将对试验成果造成一定的影响；为了解岩体变形特性，在工程应用中往往同时进行钻孔弹模试验，不同的钻孔试验设备交替进行，因此试验实施较为繁琐，并且所得到的试验资料也不利于对比分析。岩体钻孔剪切试验（岩体钻孔剪切试验（RBSTRBST）几点不足）几点不足2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所26主要内容2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所27新型岩体钻孔测试设备的开发研制新型岩体钻孔测试设备的开发研制 在引进的钻孔剪切仪工作原理与实际应用的基础上，开发
14、了新一代的岩体原位工程特性测试仪器，利用该设备可以在工程现场的勘探钻孔中进行重要的岩体力学特性试验，得到岩体抗剪强度参数，岩体变形参数等重要工程设计资料。并且可以结合其他的岩体钻孔测试设备相配合，对工程岩体进行合理评价，更好地为工程设计、施工、验收、运行中的重大决策基础技术支撑。岩体钻孔剪切弹模仪的研制岩体钻孔剪切弹模仪的研制 （a）钻孔剪切弹模仪正视图钻孔剪切弹模仪正视图 （b）钻孔剪切弹模仪纵剖面示意图）钻孔剪切弹模仪纵剖面示意图图图9 钻孔剪切弹模仪总体结构示意图钻孔剪切弹模仪总体结构示意图2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所28新型岩体钻
15、孔测试设备的开发研制新型岩体钻孔测试设备的开发研制岩体剪切试验。通过改进了剪切仪上的上下盘刀，较美国爱荷华大学研发的钻孔剪切仪，增加了剪切面积，基本上实现了在钻孔中进行的真正意义上的剪切试验。岩体变形试验。通过橡胶膜向岩体钻孔孔壁施加应力，对岩体的弹性模量与变形模量进行测试；复杂应力条件下的岩体原位剪切试验。可进行多级荷载作用后的岩体剪切试验，或者根据工程实际设计复杂应力条件下的岩体原位剪切试验。利用同一个设备可同时完成弹模与剪切试验。并且一次入孔可作不同位置多点测试，省时省力，可以方便快捷地得到岩体抗剪力学强度参数。岩体工程质量分级。结合其他钻孔测试设备，如钻孔声波测试设备、钻孔电视，并结合岩心质量评价的RQD系统，全面综合对岩体工程质量进行评价。岩体钻孔剪切弹模仪的功能与特点岩体钻孔剪切弹模仪的功能与特点 2010年年11月月25日日中国水利水电科学研究院岩土所中国水利水电科学研究院岩土所29主要内容Thanks！
