鉆孔彈模測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用研究

鄧偉杰，路新景，房后國(guó)，于立新

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003)

1 研究背景

水利工程建基面的確定，需要對(duì)巖體的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中巖體的變形指標(biāo)是關(guān)鍵參數(shù)之一。同時(shí)在計(jì)算地基變形和邊坡穩(wěn)定時(shí)，也需要明確巖體的彈性模量及變形模量。而室內(nèi)試驗(yàn)得到的只是巖塊的參數(shù)，與巖體原位的變形參數(shù)相差較大。現(xiàn)場(chǎng)承壓板法試驗(yàn)由于試驗(yàn)洞的限制，一般很難在巖體深部測(cè)試，同時(shí)費(fèi)用也較高［1－2］。

鉆孔彈模測(cè)試與其他方法相比，有其自身優(yōu)點(diǎn):①設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)便;②不受地下水條件的影響;③能了解巖體深部的變形特征。鉆孔試驗(yàn)法的試點(diǎn)可以遠(yuǎn)離開(kāi)挖面，因而可減小開(kāi)挖和試件制備時(shí)對(duì)巖體的破壞及暴露面的松弛影響，試點(diǎn)處巖體基本上可以保持原狀;同時(shí)因試驗(yàn)周期短、經(jīng)濟(jì)，故可以廣泛開(kāi)展鉆孔試驗(yàn)，使結(jié)果更具有代表性［3］。

目前鉆孔彈模法主要用于測(cè)試巖體變形特性、評(píng)價(jià)巖體卸荷特征［4］、檢測(cè)巖體質(zhì)量［5］、檢測(cè)固結(jié)灌漿效果［6］等。

古德曼千斤頂為國(guó)際巖石力學(xué)委員會(huì)建議的巖體變形測(cè)試設(shè)備，但在國(guó)內(nèi)實(shí)際工程中的運(yùn)用并不多。目前還存在一些問(wèn)題:

(1)對(duì)于測(cè)試點(diǎn)位置及方向的選擇沒(méi)有規(guī)范或約定方法。同一場(chǎng)地，測(cè)試點(diǎn)位不同將得到不同的數(shù)據(jù);同一點(diǎn)位不同方向的模量值也不盡相同，各向異性明顯的巖體更是差別明顯。

(2)出現(xiàn)多種曲線(xiàn)特征的根本原因不甚明確。

(3)結(jié)果計(jì)算中選取哪個(gè)區(qū)間段沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算彈性模量和變形模量時(shí)曲線(xiàn)區(qū)間的選取不同會(huì)得到不同的計(jì)算結(jié)果。

(4)利用鉆孔彈模計(jì)自身特點(diǎn)，結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際需要，更好地解決實(shí)際問(wèn)題。

本文針對(duì)以上存在的問(wèn)題，結(jié)合云南某拱壩水電站工程展開(kāi)分析討論。

2 測(cè)試原理

本研究采用BJ系列鉆孔彈模計(jì)［7］(見(jiàn)圖1)，該設(shè)備主要由二路加壓系統(tǒng)、位移量測(cè)系統(tǒng)及壓力量測(cè)系統(tǒng)組成。試驗(yàn)時(shí)利用儀器內(nèi)部的4個(gè)千斤頂活塞推動(dòng)2塊剛性承壓板對(duì)鉆孔壁巖體施加對(duì)稱(chēng)的條帶載荷。在承壓板上裝有LVDT線(xiàn)性差動(dòng)變壓器式位移傳感器，用來(lái)測(cè)量鉆孔孔壁巖體在加載時(shí)的徑向變形，用安裝在活塞上的測(cè)力計(jì)直接測(cè)定出力。對(duì)于水平孔可以進(jìn)行巖體模量值的雙向試驗(yàn)(平行水平面和垂直水平面)，而對(duì)垂直孔只能做巖體模量值的水平向試驗(yàn)。

圖1 BJ系列鉆孔彈模計(jì)構(gòu)造圖Fig.1 Structure of borehole jack of BJ Series

彈性模量理論計(jì)算公式為

式中:E為彈性模量;p為試驗(yàn)壓力;d為鉆孔直徑;ud為孔徑變形;T*(ν，β)為與泊松比ν和半接觸角β有關(guān)的系數(shù)。

公式(1)為理論計(jì)算公式，而每種具體的鉆孔彈模計(jì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)不同，彈模計(jì)算公式不盡相同，同時(shí)實(shí)際應(yīng)用中要考慮其它因數(shù)的影響，而非理論解的邊界條件，所以計(jì)算公式因儀器而異［8］。

本研究利用的鉆孔彈模計(jì)根據(jù)式(2)計(jì)算試驗(yàn)部位巖體的變形模量或彈性模量E(GPa)值，

式中:A為三維問(wèn)題的影響系數(shù);H為壓力修正系數(shù);D為鉆孔直徑(mm);ΔQ為壓力增量(MPa);ΔD為變形增量(mm);T*(ν，β)為與巖體泊松比和承壓板寬度(接觸孔壁時(shí)圓周角大小)有關(guān)的系數(shù)。

3 測(cè)試方案

測(cè)試點(diǎn)位置應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，考慮整個(gè)工區(qū)情況和可能工況，同時(shí)注重關(guān)鍵部位。由于大壩蓄水后壩肩是主要受力部位之一，因此壩肩測(cè)試點(diǎn)的位置應(yīng)選在壩肩槽范圍內(nèi)。測(cè)試點(diǎn)的深度直接影響測(cè)試數(shù)據(jù)，由于開(kāi)挖表面受爆破及卸荷的影響，模量值會(huì)降低。壩肩槽位置各級(jí)高程測(cè)試點(diǎn)預(yù)設(shè)在2 m處，經(jīng)深度研究和工程認(rèn)可后也可適當(dāng)調(diào)整。同時(shí)為了研究彈模沿坡面垂直方向上隨深度的變化，左右壩肩各設(shè)置了2個(gè)18 m的深孔，使測(cè)試孔能夠穿過(guò)爆破及卸荷的影響帶，每孔設(shè)置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

原設(shè)計(jì)建議建基面為642 m高程，為了節(jié)省投資、縮短工期，開(kāi)挖到650 m后進(jìn)行了巖體質(zhì)量初步評(píng)價(jià)，但缺少數(shù)據(jù)的支撐。鑒于以上原因，在650 m高程處設(shè)置了少量2 m鉆孔，其它為8 m深的鉆孔，每孔4個(gè)測(cè)試點(diǎn)。得到了模量隨深度的變化關(guān)系。測(cè)試點(diǎn)大致均勻在各種巖性的巖體上。

由于壩基為高傾角層狀巖體，加荷方向的選擇是要根據(jù)工程完工投入使用后巖體受力方向進(jìn)行確定。由于巖體具有一定的各向異性，合適測(cè)試點(diǎn)方向得到的模量值才具針對(duì)性和適用性。對(duì)于壩肩槽范圍內(nèi)的測(cè)試點(diǎn)，方向分別為壩弧線(xiàn)的切線(xiàn)方向和垂直方向。壩基測(cè)試點(diǎn)的方向分別為與壩軸線(xiàn)平行和垂直方向。

4 壓力變形曲線(xiàn)特性分析

本次測(cè)試的壓力變形曲線(xiàn)總體上符合典型曲線(xiàn)的一般規(guī)律(見(jiàn)圖2、圖3)。大部分曲線(xiàn)與圖2(a)、(b)類(lèi)似，我們可稱(chēng)之為A類(lèi)曲線(xiàn)。該類(lèi)曲線(xiàn)低壓段的壓力與變形不呈線(xiàn)彈性關(guān)系，表現(xiàn)為彈塑性關(guān)系。這是由于巖體存在裂隙，初始?jí)毫r(shí)期巖體裂隙在外力作用下而開(kāi)始閉合，表現(xiàn)出塑性特征。在高壓段基本成線(xiàn)性關(guān)系，這是由于裂隙已經(jīng)基本閉合，表現(xiàn)出彈性特征?；貜椙€(xiàn)同樣表現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)于該類(lèi)曲線(xiàn)，選用曲線(xiàn)前段計(jì)算變形模量值一般較低。選取加壓段中的高壓段計(jì)算彈性模量值與選用回彈曲線(xiàn)計(jì)算彈性模量值基本一致。

圖2(c)、(d)為另一類(lèi)型曲線(xiàn)，我們可稱(chēng)之為B類(lèi)曲線(xiàn)。該類(lèi)曲線(xiàn)加壓段壓力與變形近似線(xiàn)彈性關(guān)系，回彈時(shí)表現(xiàn)為非線(xiàn)性關(guān)系。

圖2 壓力－變形曲線(xiàn)Fig.2 Pressure-deformation curves

圖3 巖芯圖Fig.3 Images of the core

5 數(shù)據(jù)處理原則

水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(SL264—2001)中規(guī)定，以徑向全變形求解的為變形模量。以徑向彈性變形求解的為彈性模量。在巖體的實(shí)際變形過(guò)程中，彈性變形與塑性變形是同時(shí)發(fā)生的，不易區(qū)分出彈性變形。如果認(rèn)為回彈曲線(xiàn)不包括塑性變形，利用回彈曲線(xiàn)計(jì)算彈性模量不失為一種方法。而實(shí)際上對(duì)于裂隙節(jié)理較發(fā)育的巖體，在低壓時(shí)都會(huì)伴隨有一定程度的裂隙閉合與張開(kāi)。同時(shí)徑向的全變形包括了初始加壓段中由于巖體裂隙的閉合造成的變形，這部分變形在計(jì)算變形模量中要予以去除。

從變形圖(圖2)中可以看出，對(duì)于B類(lèi)曲線(xiàn)，選取變形曲線(xiàn)加壓段任一段來(lái)計(jì)算變形模量與彈性模量，其結(jié)果差別不大，但若選取回彈曲線(xiàn)計(jì)算彈性模量，二者差別較大。對(duì)于A類(lèi)壓力變形曲線(xiàn)，其加壓段可大致分成兩段。一種方法是利用低壓段求解變形模量，利用高壓段求解彈性模量;另一種方法是利用整個(gè)加壓段求解變形模量，利用整個(gè)回彈段求解彈性模量。后一種方法更符合變形模量與彈性模量的定義，但該種計(jì)算方法受測(cè)試中所施加最大壓力的影響較明顯。

對(duì)于不同巖性、不同質(zhì)量的巖體、不同的工程，如果沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的選取原則和計(jì)算方法，會(huì)使同一工程不同點(diǎn)位的試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有可比性，也會(huì)使不同工程之間的試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有了可比性。我們建議利用加壓段計(jì)算變形模量，利用回彈曲線(xiàn)計(jì)算彈性模量，必要時(shí)可以分級(jí)計(jì)算。

6 鉆孔彈模法測(cè)試成果分析

首先可以從表1中看出，壩肩測(cè)試點(diǎn)巖體的模量值大部分1 m測(cè)試點(diǎn)的模量值比3 m測(cè)試點(diǎn)的模量值要小很多，因此可以初步確定爆破影響深度為1～3 m。壩基測(cè)試點(diǎn)2個(gè)方向的模量不同，說(shuō)明巖體具有一定的各向異性，大多數(shù)測(cè)試點(diǎn)垂直方向與切線(xiàn)方向變形(彈性)模量比值都在1附近，總體來(lái)講各向異性并不明顯。只有個(gè)別點(diǎn)差別較大，具有較明顯的各向異性。

從圖4中可以看出5 m與7 m測(cè)試點(diǎn)的模量值相差不大，同時(shí)可以看出1 m和3 m測(cè)試點(diǎn)的模量值要小于5 m測(cè)試點(diǎn)模量值，因此可以認(rèn)為卸荷影響深度超過(guò)3 m，但應(yīng)在5 m以?xún)?nèi)。

從表1可見(jiàn)1 m測(cè)試點(diǎn)雖然在爆破影響深度和卸荷深度內(nèi)，但是彈性模量都大于3 GPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。有少數(shù)點(diǎn)的變形模量小于3 GPa，建議對(duì)這些部位進(jìn)行處理。另外爆破影響范圍以外巖體的變形特性基本一致，在進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)可以近似認(rèn)為是均一介質(zhì)。

表1 鉆孔彈模測(cè)試成果Table 1 Measured borehole elastic moduli

圖4 同一測(cè)試孔中模量隨深度變化圖Fig.4 Curves of elastic and deformation modulus vs.depth in the same borehole

爆破及卸荷會(huì)使表層巖體的變形模量和彈性模量降低。在根據(jù)變形曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)處理時(shí)，可不考慮低壓段，選用中高壓段來(lái)計(jì)算變形模量和彈性模量，從而消除爆破及卸荷對(duì)巖體變形模量與彈性模量的影響，較準(zhǔn)確地反應(yīng)爆破及卸荷前巖體的變形模量和彈性模量。

對(duì)1 m和3 m處測(cè)試點(diǎn)選用上述方法計(jì)算變形模量和彈性模量，結(jié)果見(jiàn)表2。消除影響后，變形模量和彈性模量都有增大，但增大程度不盡相同。對(duì)比表1中5 m測(cè)試點(diǎn)的模量值和表2中測(cè)試點(diǎn)模量值，可以看出:1 m測(cè)試點(diǎn)在消除影響后仍比5 m測(cè)試點(diǎn)模量值小，3 m測(cè)試點(diǎn)模量值在扣除影響后與5 m測(cè)試點(diǎn)模量值基本一致。

表2 扣除爆破及卸荷影響前后對(duì)比Table 2 Impact of blasting and unloading on elastic modulus

7 不同方法測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

表3為鉆孔彈模測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)巖芯變形模量的室內(nèi)試驗(yàn)成果的一部分。試驗(yàn)方法為單軸壓縮變形試驗(yàn)。對(duì)比表1與表3可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)大于利用鉆孔彈模計(jì)在原位測(cè)得的變形模量。原因是原位測(cè)試對(duì)象為巖體，而室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)象是巖石試件，試件本身的完整性較好。

表3 巖芯室內(nèi)試驗(yàn)成果Table 3 Results of lab test on rock core

同時(shí)根據(jù)承壓板法測(cè)試成果，即變形模量在0.76 ～9.17 GPa，彈性模量在2.03 ～ 21.47 GPa，可見(jiàn)承壓板法與鉆孔彈模法測(cè)試結(jié)果較接近。

8 結(jié)論

(1)鉆孔彈模測(cè)試點(diǎn)的布設(shè)位置應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際工況，考慮對(duì)工程的關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)試。測(cè)試方向根據(jù)工程投入運(yùn)行后的實(shí)際受力方向確定，可能時(shí)需多方向測(cè)試。

(2)鉆孔彈模測(cè)試壓力變形曲線(xiàn)一般分A，B兩類(lèi)，表現(xiàn)出不同變形特性。A類(lèi)曲線(xiàn)低壓段的壓力與變形不呈線(xiàn)彈性關(guān)系，表現(xiàn)為彈塑性關(guān)系;在高壓段基本成線(xiàn)性關(guān)系，回彈曲線(xiàn)同樣表現(xiàn)為非線(xiàn)性關(guān)系。B類(lèi)曲線(xiàn)加壓段壓力與變形近似線(xiàn)彈性關(guān)系，回彈時(shí)表現(xiàn)為非線(xiàn)性關(guān)系。

(3)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)有2種方法:一種為采用壓力變形曲線(xiàn)低壓段計(jì)算變形模量，高壓段計(jì)算彈性模量;另一種方法為利用整個(gè)加壓段計(jì)算變形模量，利用整個(gè)回彈曲線(xiàn)計(jì)算彈性模量，必要時(shí)可以分級(jí)計(jì)算。筆者建議結(jié)合工程情況采用后一種計(jì)算方法，必要時(shí)可按實(shí)際工程荷載考慮。

(4)在壩肩及壩基變形分析時(shí)，可依據(jù)不同巖性和部位的彈性模量值來(lái)判定巖體是否可以作為單一介質(zhì)考慮。同時(shí)不同部位和巖體的彈性模量值可為數(shù)值分析提供更為具體的參數(shù)。

(5)可依據(jù)不同方向的彈性模量值判定巖土的各向異性。本工區(qū)地基巖體的各向異性特征不明顯，垂直方向的模量略大于切線(xiàn)方向的模量，地基可近似為各向同性介質(zhì)。

(6)可根據(jù)彈性模量值隨深度的變化規(guī)律確定爆破和卸荷影響深度。

(7)通過(guò)對(duì)比不同變形試驗(yàn)方法測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn):鉆孔彈模測(cè)試方法與承壓板法結(jié)果比較接近，后者測(cè)試數(shù)據(jù)略小;而室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)大于前2種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段的測(cè)試結(jié)果。

［1］SL264—2001，巖石試驗(yàn)規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國(guó)水利部，2001.(SL264—2001，Rock Test Specification［S］.Beijing:Ministry of Water Resource of the People’s Republic of China，2001.(in Chinese))

［2］GB/T50266—99，工程巖體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中華人民共和國(guó)建設(shè)部，1999.(GB/T50266—99，Engineering Rock Mass Test Standards［S］.Beijing:Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China，1999.(in Chinese))

［3］石林珂，孫文懷，郝小紅.巖土工程原位測(cè)試［M］.鄭州:鄭州大學(xué)出版社，2003.(SHI Lin-ke，SUN Wenhuai，HAO Xiao-hong.Geotechnical Engineering In-situ Testing［M］.Zhengzhou:Zhengzhou University Press，2003.(in Chinese))

［4］尹健民，艾 凱，劉元坤，等.鉆孔彈模法評(píng)價(jià)小灣水電站壩基巖體卸荷特征［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2006，23(4):44 －46.(YIN Jian-min，AI Kai，LIU Yuan-kun，et al.Unloading Characteristic Evaluation of Xiaowan Hydropower Station’s Foundation Rock Mass by Borehole E-lasticity Modulus Method［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2006，23(4):44 － 46.(in Chinese))

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