鉆孔彈模測試技術的應用研究

鄧偉杰，路新景，房后國，于立新

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，鄭州 450003)

1 研究背景

水利工程建基面的確定，需要對巖體的質(zhì)量進行評價，其中巖體的變形指標是關鍵參數(shù)之一。同時在計算地基變形和邊坡穩(wěn)定時，也需要明確巖體的彈性模量及變形模量。而室內(nèi)試驗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)場承壓板法試驗由于試驗洞的限制，一般很難在巖體深部測試，同時費用也較高［1－2］。

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

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

古德曼千斤頂為國際巖石力學委員會建議的巖體變形測試設備，但在國內(nèi)實際工程中的運用并不多。目前還存在一些問題:

(1)對于測試點位置及方向的選擇沒有規(guī)范或約定方法。同一場地，測試點位不同將得到不同的數(shù)據(jù);同一點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)多種曲線特征的根本原因不甚明確。

(3)結(jié)果計算中選取哪個區(qū)間段沒有統(tǒng)一的認識。對于試驗數(shù)據(jù)的處理，計算彈性模量和變形模量時曲線區(qū)間的選取不同會得到不同的計算結(jié)果。

(4)利用鉆孔彈模計自身特點，結(jié)合工程項目的實際需要，更好地解決實際問題。

本文針對以上存在的問題，結(jié)合云南某拱壩水電站工程展開分析討論。

2 測試原理

本研究采用BJ系列鉆孔彈模計［7］(見圖1)，該設備主要由二路加壓系統(tǒng)、位移量測系統(tǒng)及壓力量測系統(tǒng)組成。試驗時利用儀器內(nèi)部的4個千斤頂活塞推動2塊剛性承壓板對鉆孔壁巖體施加對稱的條帶載荷。在承壓板上裝有LVDT線性差動變壓器式位移傳感器，用來測量鉆孔孔壁巖體在加載時的徑向變形，用安裝在活塞上的測力計直接測定出力。對于水平孔可以進行巖體模量值的雙向試驗(平行水平面和垂直水平面)，而對垂直孔只能做巖體模量值的水平向試驗。

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

彈性模量理論計算公式為

式中:E為彈性模量;p為試驗壓力;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有關的系數(shù)。

公式(1)為理論計算公式，而每種具體的鉆孔彈模計因為設計參數(shù)不同，彈模計算公式不盡相同，同時實際應用中要考慮其它因數(shù)的影響，而非理論解的邊界條件，所以計算公式因儀器而異［8］。

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

式中:A為三維問題的影響系數(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(接觸孔壁時圓周角大小)有關的系數(shù)。

3 測試方案

測試點位置應結(jié)合工程實際，考慮整個工區(qū)情況和可能工況，同時注重關鍵部位。由于大壩蓄水后壩肩是主要受力部位之一，因此壩肩測試點的位置應選在壩肩槽范圍內(nèi)。測試點的深度直接影響測試數(shù)據(jù)，由于開挖表面受爆破及卸荷的影響，模量值會降低。壩肩槽位置各級高程測試點預設在2 m處，經(jīng)深度研究和工程認可后也可適當調(diào)整。同時為了研究彈模沿坡面垂直方向上隨深度的變化，左右壩肩各設置了2個18 m的深孔，使測試孔能夠穿過爆破及卸荷的影響帶，每孔設置3個測試點。

原設計建議建基面為642 m高程，為了節(jié)省投資、縮短工期，開挖到650 m后進行了巖體質(zhì)量初步評價，但缺少數(shù)據(jù)的支撐。鑒于以上原因，在650 m高程處設置了少量2 m鉆孔，其它為8 m深的鉆孔，每孔4個測試點。得到了模量隨深度的變化關系。測試點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行確定。由于巖體具有一定的各向異性，合適測試點方向得到的模量值才具針對性和適用性。對于壩肩槽范圍內(nèi)的測試點，方向分別為壩弧線的切線方向和垂直方向。壩基測試點的方向分別為與壩軸線平行和垂直方向。

4 壓力變形曲線特性分析

本次測試的壓力變形曲線總體上符合典型曲線的一般規(guī)律(見圖2、圖3)。大部分曲線與圖2(a)、(b)類似，我們可稱之為A類曲線。該類曲線低壓段的壓力與變形不呈線彈性關系，表現(xiàn)為彈塑性關系。這是由于巖體存在裂隙，初始壓力時期巖體裂隙在外力作用下而開始閉合，表現(xiàn)出塑性特征。在高壓段基本成線性關系，這是由于裂隙已經(jīng)基本閉合，表現(xiàn)出彈性特征。回彈曲線同樣表現(xiàn)非線性關系。對于該類曲線，選用曲線前段計算變形模量值一般較低。選取加壓段中的高壓段計算彈性模量值與選用回彈曲線計算彈性模量值基本一致。

圖2(c)、(d)為另一類型曲線，我們可稱之為B類曲線。該類曲線加壓段壓力與變形近似線彈性關系，回彈時表現(xiàn)為非線性關系。

圖2 壓力－變形曲線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。在巖體的實際變形過程中，彈性變形與塑性變形是同時發(fā)生的，不易區(qū)分出彈性變形。如果認為回彈曲線不包括塑性變形，利用回彈曲線計算彈性模量不失為一種方法。而實際上對于裂隙節(jié)理較發(fā)育的巖體，在低壓時都會伴隨有一定程度的裂隙閉合與張開。同時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，這部分變形在計算變形模量中要予以去除。

從變形圖(圖2)中可以看出，對于B類曲線，選取變形曲線加壓段任一段來計算變形模量與彈性模量，其結(jié)果差別不大，但若選取回彈曲線計算彈性模量，二者差別較大。對于A類壓力變形曲線，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加壓段求解變形模量，利用整個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，但該種計算方法受測試中所施加最大壓力的影響較明顯。

對于不同巖性、不同質(zhì)量的巖體、不同的工程，如果沒有一個統(tǒng)一的選取原則和計算方法，會使同一工程不同點位的試驗結(jié)果沒有可比性，也會使不同工程之間的試驗結(jié)果沒有了可比性。我們建議利用加壓段計算變形模量，利用回彈曲線計算彈性模量，必要時可以分級計算。

6 鉆孔彈模法測試成果分析

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

從圖4中可以看出5 m與7 m測試點的模量值相差不大，同時可以看出1 m和3 m測試點的模量值要小于5 m測試點模量值，因此可以認為卸荷影響深度超過3 m，但應在5 m以內(nèi)。

從表1可見1 m測試點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，滿足設計要求。有少數(shù)點的變形模量小于3 GPa，建議對這些部位進行處理。另外爆破影響范圍以外巖體的變形特性基本一致，在進行變形計算時可以近似認為是均一介質(zhì)。

表1 鉆孔彈模測試成果Table 1 Measured borehole elastic moduli

圖4 同一測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)變形曲線進行測試數(shù)據(jù)處理時，可不考慮低壓段，選用中高壓段來計算變形模量和彈性模量，從而消除爆破及卸荷對巖體變形模量與彈性模量的影響，較準確地反應爆破及卸荷前巖體的變形模量和彈性模量。

對1 m和3 m處測試點選用上述方法計算變形模量和彈性模量，結(jié)果見表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。對比表1中5 m測試點的模量值和表2中測試點模量值，可以看出:1 m測試點在消除影響后仍比5 m測試點模量值小，3 m測試點模量值在扣除影響后與5 m測試點模量值基本一致。

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

7 不同方法測試結(jié)果對比分析

表3為鉆孔彈模測試點對應巖芯變形模量的室內(nèi)試驗成果的一部分。試驗方法為單軸壓縮變形試驗。對比表1與表3可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)試驗結(jié)果遠大于利用鉆孔彈模計在原位測得的變形模量。原因是原位測試對象為巖體，而室內(nèi)試驗對象是巖石試件，試件本身的完整性較好。

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

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

8 結(jié)論

(1)鉆孔彈模測試點的布設位置應結(jié)合工程實際工況，考慮對工程的關鍵部位進行重點測試。測試方向根據(jù)工程投入運行后的實際受力方向確定，可能時需多方向測試。

(2)鉆孔彈模測試壓力變形曲線一般分A，B兩類，表現(xiàn)出不同變形特性。A類曲線低壓段的壓力與變形不呈線彈性關系，表現(xiàn)為彈塑性關系;在高壓段基本成線性關系，回彈曲線同樣表現(xiàn)為非線性關系。B類曲線加壓段壓力與變形近似線彈性關系，回彈時表現(xiàn)為非線性關系。

(3)在進行數(shù)據(jù)處理時有2種方法:一種為采用壓力變形曲線低壓段計算變形模量，高壓段計算彈性模量;另一種方法為利用整個加壓段計算變形模量，利用整個回彈曲線計算彈性模量，必要時可以分級計算。筆者建議結(jié)合工程情況采用后一種計算方法，必要時可按實際工程荷載考慮。

(4)在壩肩及壩基變形分析時，可依據(jù)不同巖性和部位的彈性模量值來判定巖體是否可以作為單一介質(zhì)考慮。同時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)通過對比不同變形試驗方法測試結(jié)果發(fā)現(xiàn):鉆孔彈模測試方法與承壓板法結(jié)果比較接近，后者測試數(shù)據(jù)略小;而室內(nèi)試驗結(jié)果遠大于前2種現(xiàn)場測試手段的測試結(jié)果。

［1］SL264—2001，巖石試驗規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國水利部，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，工程巖體試驗標準［S］.北京:中華人民共和國建設部，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.巖土工程原位測試［M］.鄭州:鄭州大學出版社，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.鉆孔彈模法評價小灣水電站壩基巖體卸荷特征［J］.長江科學院院報，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))

［5］方 丹，黃太平，姜榮梅.鉆孔彈模計及聲波儀檢測巖體質(zhì)量的試驗研究［J］.電力勘測設計，2003，6(3):18－ 21.(FANG Dan，HUANG Tai-ping，JIANG Rongmei.Research on Testing the Quality of Rock Mass with Boring Elastic Modulus Instrument and Acoustic Wave Instrument［J］.Electric Power Survey ＆ Design，2003，6(3):18 －21.(in Chinese))

［6］李光煜，劉繼光，謝遠靜.鉆孔彈模計檢測斷層固結(jié)灌漿效果［J］.巖土力學與工程學報，1996，15(3):289 －293.(LI Guang-yu，LIU Ji-guang，XIE Yuan-jing.Detection of Consolidation Grouting Effects in Faults by Means of Borehole Jack［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1996，15(3):289 － 293.(in Chinese))

［7］李光煜，周佰海.測定巖體變形特性的BJ－110鉆孔彈模計［J］.巖土工程學報，1991，13(4):12 －23.(LI Guang-yu，ZHOU Bai-hai.A Modified Borehole Jack［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1991，13(4):12 －23.(in Chinese))

［8］章 光，閔 弘.陳靜曦.某核電站核島地基鉆孔彈模試驗研究［J］.巖土工程界，2000，(3):38－42.(ZHANG Guang，MIN Hong，CHEN Jing-xi.Borehole Jack Test in a Nuclear Island Ground Base［J］.Geotechnical Engineering World，2000，(3):38 －42.(in Chinese ))