巖體表面二次應(yīng)力測試設(shè)備的研究與應(yīng)用

于新凱，王 旭，徐洪海，湯大明

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

在巖體中修筑地下工程中，隨著地下洞室的開挖，洞室周邊圍巖原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，應(yīng)力出現(xiàn)調(diào)整，并進(jìn)行重分布，重分布后的應(yīng)力狀態(tài)即為巖體二次應(yīng)力狀態(tài)[1-2]。近年來，隨著我國水電站、鐵路、公路及礦山等工程的不斷發(fā)展，地下洞室尺寸及隧道埋深也不斷突破，由此引起的巖體應(yīng)力釋放、應(yīng)力重分布等問題也越來越多。特別是在高初始應(yīng)力區(qū)，施工開挖過程中局部發(fā)生的強(qiáng)烈?guī)r爆，往往具有很大的破壞性和危險(xiǎn)性；地下洞室邊墻持續(xù)變形，頂拱及其他部位產(chǎn)生的巖面開裂等，這些都給工程建設(shè)者們帶來了很大的困擾[3-7]。因此弄清洞室圍巖二次應(yīng)力及時(shí)狀態(tài)及其分布情況顯得十分重要。

目前，工程建設(shè)中主要通過在洞室及隧道巖壁埋設(shè)應(yīng)力計(jì)及應(yīng)變計(jì)的方法來了解應(yīng)力情況，但這種方法，只能了解儀器埋設(shè)后圍巖應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，并不能得到儀器埋設(shè)時(shí)應(yīng)力的及時(shí)量值情況[8-9]。而要知道應(yīng)力的及時(shí)量值大小，只能進(jìn)行現(xiàn)場二次應(yīng)力測試。在二次應(yīng)力測試中，表面應(yīng)力測試法具有簡單、快捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[10-11]介紹了在某隧道內(nèi)進(jìn)行巖體表面二次應(yīng)力測試工作，其方法操作簡單：實(shí)用性較強(qiáng)，但是測試只能讀取解除前后的兩個應(yīng)變值，不能得到解除全過程曲線。受溫度、濕度、光敏及接線焊點(diǎn)大小等因素影響，測試儀器發(fā)生漂移，測值基數(shù)也會產(chǎn)生變化。同時(shí)由于應(yīng)變花只有3片應(yīng)變片，當(dāng)某一片出現(xiàn)較大誤差或故障時(shí)，就降低了該點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的可靠性。文獻(xiàn)[12]中提出了一種能夠記錄解除全過程應(yīng)變的方法，但此種方法的掏槽過程不易控制。針對上述問題，中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入研究，改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備及流程，研制了一整套解除設(shè)備及測試儀器，保證了解除過程中應(yīng)變測值的連續(xù)性，并在試驗(yàn)室進(jìn)行了模擬試驗(yàn)及野外工程應(yīng)用驗(yàn)證，取得了較好的成果。

1 解除及測試設(shè)備的研制

為了解決過去采用人工掏槽或風(fēng)鉆進(jìn)行解除時(shí)，產(chǎn)生振動、不均勻、不連續(xù)切割巖體而帶來的應(yīng)變測值漂移、跳躍、不連續(xù)等不利影響，科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過充分的市場調(diào)研，以及大量試驗(yàn)研究后，在儀器設(shè)備上主要做了以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

(1)與廠家合作研制了適用于軟質(zhì)巖的手動鉆機(jī)及適用于硬質(zhì)巖的液壓鉆機(jī)，并縮短鉆機(jī)的立柱長度至800 mm，加大鉆具的直徑尺寸至200 mm。

(2)研發(fā)了一體式應(yīng)變計(jì)盒。其中電阻式應(yīng)變片花(4片或8片式)修正了單片柵長，并縮小了基底尺寸；采用輕便、防銹的鋁制材料制作保護(hù)罩，主要作用為屏蔽、固定、防水，便于粘貼，提高了效率。該應(yīng)變計(jì)盒可承受1.5 MPa以上的拉力和剪力，完全能滿足試驗(yàn)要求。

(3)快速接頭可快速連接應(yīng)變片花與鉆具中的傳輸電纜線，解決了測試過程中傳輸電纜線難于穿過解除鉆具及鉆桿的問題。4片式應(yīng)變片花及保護(hù)罩外殼如圖1～2所示。

圖1 應(yīng)變花示意

圖2 保護(hù)罩外殼

2 測試方法及流程

測試方法基于表面應(yīng)變法，即在巖石表面粘貼上應(yīng)變計(jì)盒，以應(yīng)變計(jì)盒中心為圓心鉆孔，逐漸切斷應(yīng)變計(jì)盒所在處巖石與周邊巖體的聯(lián)系，形成巖芯，巖芯周邊形成均勻的臨空面，從而產(chǎn)生應(yīng)力釋放，當(dāng)鉆孔達(dá)到一定深度時(shí)，釋放應(yīng)力值為鉆孔前巖體表面二次應(yīng)力值，通過在解除過程中測取巖芯的應(yīng)變，根據(jù)彈性力學(xué)平面應(yīng)力問題即可計(jì)算出此釋放應(yīng)力，即巖體表面二次應(yīng)力。

測試時(shí)，首先用鑿平工具對測點(diǎn)周圍巖面進(jìn)行加工處理，粘貼一體式應(yīng)變計(jì)盒，連接電纜線，再將電纜線穿過鉆具及鉆桿與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀相連。在整個測試過程中，一體式應(yīng)變計(jì)盒外殼與內(nèi)部應(yīng)變片花單獨(dú)受力，并且應(yīng)變片一直處于測試狀態(tài)，這樣能夠得到整個解除過程的應(yīng)變曲線，從而實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的可靠性判別。

選用彈性模量和泊松比相對穩(wěn)定，試件尺寸為Φ200 mm×300 mm的C45號鋼試件對所采用應(yīng)變片自身的可靠度進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。在試件中部圓周壁面等分貼上4組片花，對其端面加載、卸載，測取柱面應(yīng)變，計(jì)算柱面應(yīng)力。試驗(yàn)在室內(nèi)巖石直剪儀上進(jìn)行，將最大荷載等分成5級施加，加至最大荷載后，逐級卸壓，循環(huán)2次。加壓采用150 t液壓千斤頂，最大加載86.78 t，軸向壓應(yīng)力27.64 MPa，通過4組應(yīng)變片花測值計(jì)算得到的平均應(yīng)力值為σ1=27.02 MPa(軸向)，與實(shí)際施加壓應(yīng)力值僅相差2.2%，σ2=0.15 MPa(徑向)，α1=2.37°，方向差異也較小，可見選用的應(yīng)變片可靠度高。

采用經(jīng)過測試驗(yàn)證的同廠同型號應(yīng)變片設(shè)計(jì)制造一體式應(yīng)變計(jì)盒，為了驗(yàn)證一體式應(yīng)變計(jì)盒的可靠性，在試驗(yàn)室進(jìn)行單軸加卸載試驗(yàn)。試件尺寸為200 mm×200 mm×300 mm，試件4個側(cè)面都貼上一體式應(yīng)變計(jì)盒(編號為①、②、③、④)，片花單片編號為a、b、c、d，為了弄清應(yīng)變盒罩殼對測試的影響，在試件的①、②兩面上貼單片應(yīng)變片e、f，其中c、f片方向一致，a、e片方向一致，貼片示意如圖3所示。試件加載方式采用軸向加卸載方式，將最大荷載(按試件軸向應(yīng)力約20 MPa施加)等分成5級施加，加至最大荷載后，逐級卸壓，循環(huán)3次。

圖3 貼片示意

試件側(cè)面應(yīng)力以平面應(yīng)力問題考慮，各組片花有4個測值，而根據(jù)彈性力學(xué)公式，只需要3個測值就可以計(jì)算出各點(diǎn)的主應(yīng)力，為了綜合評價(jià)測值，以片花中相鄰單片進(jìn)行組合，計(jì)算試件側(cè)面應(yīng)力最后取其平均值，計(jì)算結(jié)果為：σ1=17.00～17.65 MPa(軸向)，與加載應(yīng)力相差9.1%～12.2%，σ2=-0.06～0.6 MPa(橫向)，方向相差1.74°～3.31°，誤差較小。一體式應(yīng)變計(jì)盒測值與單片應(yīng)變片相比：軸向片相差8.9%；橫向片應(yīng)變值相差4.5%，考慮到應(yīng)變片個體之間差異性，10%以下的誤差對于應(yīng)力測試已達(dá)到較高精度，因此加盒式罩殼對試驗(yàn)成果影響較小，能應(yīng)用于表面應(yīng)力測試中。

3 室內(nèi)模擬解除試驗(yàn)

3.1 解除口徑的確定

《水電水利工程巖體應(yīng)力測試規(guī)程》 (DL/T 5367-2007)中規(guī)定：表面應(yīng)變法解除巖芯直徑宜為20～30 cm[13]，這是基于表面應(yīng)力解除大多采用風(fēng)鉆和人工掏槽，存在擾動影響面積較大的情況。有關(guān)文獻(xiàn)[12]指出：被解除巖芯尺寸取決于測量元件基長，一般巖芯以圓形為主，直徑約為測量元件基長的3倍左右。按此計(jì)算的解除巖芯最小直徑為15.1 cm。由于還處于研究驗(yàn)證階段，為減少解除擾動、提高可靠度，測試對鉆孔口徑進(jìn)行了適當(dāng)加大，選取解除口徑為20 cm的金剛石鉆頭，解除后實(shí)際巖芯直徑為19 cm。

3.2 解除深度的研究

制取加工三個尺寸為400 mm×400 mm×400 mm的巖石試件，編號分別為RR1號、RR2號、RR3號，每個試件在其對稱的兩個側(cè)面(①、②面)上進(jìn)行了模擬解除。RR1號試件及RR2號試件每面貼3片式應(yīng)變計(jì)盒，編號a、b、c。RR3號試件每面貼8片式應(yīng)變計(jì)盒，編號a、b、c、d、e、f、g、h。貼片示意如圖4所示。

圖4 貼片示意

文獻(xiàn)[15]認(rèn)為解除深度不應(yīng)小于解除巖芯直徑的0.5倍，文獻(xiàn)[12]中提出當(dāng)H/D=0.4～0.6時(shí)，即可滿足。因此，研究之初試件設(shè)計(jì)解除深度只有11 cm(H/D=0.58)，解除曲線(RR1號-①、RR1號-②、RR2號-①)表明，測試數(shù)據(jù)沒有穩(wěn)定，應(yīng)力釋放沒有充分完成，重新加工鉆具后再次進(jìn)行試驗(yàn)，解除深度達(dá)到18 cm，從解除曲線(RR2號試件②面及RR3號試件①、②兩面)可以看出，解除曲線較好，數(shù)據(jù)已達(dá)到穩(wěn)定，說明應(yīng)力已基本釋放完成。試件RR1號、RR2號、RR3號①面與②面解除曲線如圖5～7所示。各試件解除深度統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 各試件解除深度統(tǒng)計(jì)

通過計(jì)算得到RR3號試件的②面應(yīng)力值σ1=3.37～4.43 MPa，平均3.92 MPa，與加載應(yīng)力4.36 MPa相差0.44 MPa；σ2=1.69～3.01 MPa，平均2.48 MPa，與加載應(yīng)力3.49 MPa相差1.01 MPa，方向相差-6.29°～13.02°，平均4.71°?？紤]到加載應(yīng)力值較小，加載及量測系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差及試件平整度等因素影響，這種誤差在允許范圍之內(nèi)。

(a)RR1號-①面

(a)RR2號-①面

(a)RR3號-①面

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 某電站施工洞現(xiàn)場試驗(yàn)

某電站現(xiàn)場試驗(yàn)測點(diǎn)布置于壓力管道施工洞洞壁，洞壁距洞底板1.6 m以上基本進(jìn)行了噴錨，測點(diǎn)位于底板以上1.0～1.2 m處，共進(jìn)行了4點(diǎn)測試，鉆頭直徑為200 mm，測點(diǎn)布置如圖8所示，應(yīng)變(力)解除曲線如圖9所示。測點(diǎn)處巖性為花崗巖，整體完整。

圖8 某電站測點(diǎn)布置示意

(a)測點(diǎn)L1號

得到應(yīng)力解除曲線后，利用小型的反力裝置進(jìn)行測試巖體的彈性模量E及泊松比μ[14]，通過計(jì)算求出彈性模量E及泊松比μ，再代入相關(guān)公式計(jì)算出應(yīng)力，成果如表2所示。

表2 某電站巖體表面二次應(yīng)力測試成果

由圖9可以看出4個測點(diǎn)的應(yīng)力解除曲線規(guī)律性均較好，數(shù)據(jù)最終達(dá)到穩(wěn)定。4個測點(diǎn)的σ1=17.25～21.53 MPa，量值上屬中偏高應(yīng)力。4個測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)最小H/D為0.53～0.79。

4.2 某電站交通洞現(xiàn)場試驗(yàn)

某電站交通洞選擇了4個測點(diǎn)位置進(jìn)行試驗(yàn)，鉆頭直徑為200 mm，測點(diǎn)布置如圖10所示，應(yīng)力解除曲線如圖11所示。

圖10 測點(diǎn)布置

由測點(diǎn)的解除曲線可以看出，各測點(diǎn)的解除曲線均達(dá)到穩(wěn)定值，利用小型的反力裝置進(jìn)行測試巖體的彈性模量E及泊松比μ[16]，通過計(jì)算求出彈性模量E及泊松比μ，再代入相關(guān)公式計(jì)算出應(yīng)力，成果如表3所示。

(a)測點(diǎn)1號

表3 某電站巖體表面二次應(yīng)力測試成果

由表3可以看出，4個測點(diǎn)主應(yīng)力值較高，與現(xiàn)場洞壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象相符。4個測點(diǎn)最小H/D為0.53～0.63。

上述兩個電站的現(xiàn)場解除試驗(yàn)結(jié)果表明，此套表面二次應(yīng)力測試運(yùn)用的解除設(shè)備及測試儀器能夠得到完整的解除全過程曲線，從而提高測試成果的可靠性。

5 結(jié) 語

表面應(yīng)變法測試是巖體應(yīng)力測試的基本方法之一，也可應(yīng)用于巖體表面二次應(yīng)力測試，但現(xiàn)有的測試方法在解除過程中需進(jìn)行掏槽或不能獲得連續(xù)的應(yīng)變解除曲線，僅能得到解除前后的兩個應(yīng)變值，由于測值不連續(xù)、儀器產(chǎn)生漂移等因素導(dǎo)致無法對測試應(yīng)變值進(jìn)行可靠性判別，從而對測試成果可靠度帶來影響?；谠袦y試方法，對其測試設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，研制了一體式應(yīng)變計(jì)盒(應(yīng)變傳感器)、新的解除設(shè)備，可連續(xù)測讀應(yīng)變計(jì)數(shù)值，從而獲得應(yīng)力解除全過程曲線。該套設(shè)備經(jīng)室內(nèi)對比試驗(yàn)、室內(nèi)模擬解除試驗(yàn)以及現(xiàn)場試驗(yàn)證明是可靠的，測試精度能夠滿足要求。