鉆孔彈模法在牛首山風景區邊坡勘查中的應用研究

1.江蘇南京地質工程勘察院 江蘇南京 210041；

2.南京坤拓土木工程科技有限公司 江蘇南京 210041，

3.江蘇省地質工程有限公司 江蘇南京 210018

摘要：本文介紹了鉆孔彈模測試法在南京牛首山風景區邊坡勘察中的應用研究結果。結合工程實例，本文闡述了鉆孔彈模法的測試原理與數據分析方法，根據測試結果計算了中風化-強風化巖石的變形模量與彈性模量，并與現場鉆孔取芯樣在室內試驗得到的結果進行了對比分析。結果表明，鉆孔彈模測試法能夠準確地反映現場巖體的變形特征，尤其在針對強風化巖體時具有避免擾動、更接近巖體真實狀態等優勢，在工程場地勘查中具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：鉆孔彈模法；彈性模量；變形模量

1 引言

在邊坡勘查工程及計算邊坡穩定性的過程中，需要對目標巖體的變形指標進行系統性的評價。彈性模量和變形模量作為兩個重要的定量評價指標，一般仍采用鉆孔取樣并通過室內試驗的方法進行獲取，測得值往往與巖體原位的變形參數有著較大的區別。而現場承壓板試驗雖保證了測試的原位特征，但其測試深度與費用的高昂依然使其具有較大的局限性。鉆孔彈模法作為一種測試巖體原位變形指標的新型測試方法，可以快速測定一定深度巖體的原位變形模量和彈性模量。與其他方法相比其具有著設備輕便易操作、受場地條件限制較小的優勢。同時由于其測試周期短、成本低，故可以進行大范圍多點測試，使其測得的數據具有較強的代表性。目前，鉆孔彈模法已被廣泛應用于水電工程巖體力學特性勘察當中。劉元坤等利用鉆孔彈模法對三峽水電站壩區巖體的變形模量與彈性模量進行了現場測試，并評價了灌漿前后巖石變形特征的變化情況。尹健民等則借助鉆孔彈模法對水電站壩基開挖爆破施工時巖體的卸荷特征進行評價。同時也有景鋒等和羅超文等將該方法應用于檢測工程基礎灌漿處理效果，通過現場原位獲取的基巖彈性模量與變形模量的變化情況進行評價。艾凱等指出，鉆孔彈模法尤其適用于軟弱巖體及風化程度較高的巖體，因為傳統鉆孔取樣往往無法得到理想的測試芯樣，這種情況下現場的原位測試無疑能更加準確的反映巖體的力學和變形性能。

本研究結合南京牛首山牛首勝景一期工程地質詳勘工程，借助鉆孔彈模法對場地內不同風化程度巖塊的原位變形模量與彈性模量進行了現場測取，并與對應巖石取樣后室內試驗測得的值進行了比對與分析。

2 工程地質概況

本研究所處場地為南京市牛首山風景區，地處南京南郊。擬建場地屬低山丘陵地貌單元。牛首山原始地形分東西兩峰，主峰東高西低，東西兩峰的海拔標高為247.5m和201.6m，山頂有東西向山脊，略呈鞍形；南東兩面有30m左右的斷崖環繞。后因鐵礦開采，原始地形地貌已發生變化。場地中央為鐵礦開采后形成的礦坑，坑底最低高程在106 m。目前地形呈四周高，中間低的特點，四周山坡高點至坑底的高差在54～141.5 m。場地中巖石類型主要有：強風化-中風化凝灰巖，強風化-中風化蝕變安山質凝灰巖。本研究中針對強風化凝灰巖、中風化凝灰巖及中風化蝕變安山質凝灰巖進行了鉆孔彈模測試。

3 鉆孔彈模測試原理及試驗方法

3.1 測試儀器及測試原理

本研究中采用GY-90孔內彈模測定器。該儀器是在中科院巖土所BJ-110鉆孔彈模計基礎上改進而成。鉆孔彈模法通過彈模儀中千斤頂給鉆孔孔壁施加水平向對稱的一對壓力，并利用自身內置的位移傳感器測得孔壁受力后的徑向變形。在試驗過程中分別對應有加載過程與卸載過程。本研究中，利用加載曲線計算變形模量，并按照卸荷曲線計算彈性模量，計算公式參照公式1：E=A×H×D×T*×△Q/△d （1）

式中：A=0.915（與彈模計長徑比有關的系數），H=0.97（壓力修正系數），D—鉆孔直徑（mm），△d—直徑增量（mm），△Q—壓力增量（MPa）。T*—與巖石泊松比及彈模計接觸角有關的系數，根據Hustrulid，

當泊松比γ=0.20，接觸角2b =45o時，T*=2.193；

當泊松比γ=0.25，接觸角2b=45o時，T*=2.141；

當泊松比γ=0.30，接觸角2b=45o時，T*=2.077；

3.2 試驗方法

現場測試時鉆孔彈模試驗方法簡述如下：

1.將GY-90探頭連接至鉆桿，以加載板中心位置為測試點每間隔1 m將油管、電纜捆緊到鉆桿上；

2.將彈模儀小心插入孔中，下放至每一測試深度，記錄加載方向與測試深度；

3.扳動換向閥，切換至伸縮模式加壓至預定壓力，當位移讀數基本不變時，扳動換向閥進行泄壓，并記錄此時位移傳感器讀數，然后施加至下一級荷載，本次試驗中加載壓力最大為20 MPa；

4. 將探頭移至下一測試深度，重復步驟3進行孔壓彈模實驗。

4 結果分析與討論

4.1 壓力變形曲線分析

本研究所測得的壓力變形曲線經統計分析大致分為兩類曲線，見圖1（a）、（b）。這兩類曲線在加載過程中均呈現一定的彈塑性特性，即低壓狀態下巖體先出現一定的裂隙閉合，在高壓階段才表現出較好的線性特征，處于彈性變形階段A，B兩類曲線不同之處在于，卸荷狀態下，A類曲線表現出較好的線性特征，而B類曲線則呈明顯的非線性狀態。這可能是由于對于具有一定風化特征且具有節理發育的巖石，在回彈的低壓階段會伴隨之前閉合的裂隙的二次張開。

（a）A類曲線 （b）B類曲線

圖1 鉆孔彈模壓力-變形曲線

無論是A類曲線還是B類曲線，均存在壓力-變形曲線在低壓和高壓階段具有不同特性的情況出現。本研究所采用加載曲線計算變形模量，并按照卸荷曲線計算彈性模量，在計算變形模量中都考慮了不同應力量級下巖體的變形參數特征，這種計算方式更符合變形模量與彈性模量的定義。

4.2與室內試驗對比分析

本研究借助鉆孔取芯，采用室內試驗測定了對應鉆孔芯樣的彈性模量與變形模量，室內試驗的結果與現場鉆孔彈模法測得的結果對比見表1。表1中可發現，對于中風化類巖石，現場鉆孔彈模法測得的彈性模量與室內試驗得到的結果較為接近，個別點位測得的彈性模量要小于室內試驗測得的結果。經分析，原因在于室內試驗選取的試樣均為完整巖石塊體，本身即具有較高的完整性，而現場測試時則會遭遇巖石裂隙、破碎等自然現象，因此導致測得值較低。而對于強風化巖石，室內試驗測得的結果則顯著低于鉆孔彈模試驗結果，這表明鉆孔彈模試驗較于取樣后進行室內測試，具有對待測巖體擾動低、結果符合原位條件等優勢。

表1 室內測試結果與鉆孔彈模結果對比表

巖石種類彈性模量（GPa）

室內試驗結果現場彈模試驗

中風化凝灰巖2.1211.41-4.17

強風化凝灰巖0.1230.24-0.3

中風化蝕變安山巖3.7202.08-4.79

5 結論

牛首勝景一期工程場地詳勘中采用的鉆孔彈模測試結果表明，相較于鉆孔取樣后利用巖石塊體在室內測得的巖體變形參數，鉆孔彈模測試能夠提供巖體在原位條件上的變形參數，包括巖體的變形模量與彈性模量。

尤其針對強風化類巖體，鉆孔彈模法有效避免了取樣過程中對巖體的擾動，直接在原位條件下對巖塊的變形參數進行測試，更好的反映出實際情況下巖體在受力條件下的變形特征，為進一步的設計與施工方案制定可以提供更加精確的現場數據。

參考文獻：

[1] 鄧偉杰，路新景，房后國，等. 鉆孔彈模測試技術的應用研究[J]. 長江科學院院報，2012，29（08）：67-71.

[2] 劉元坤，尹健民，艾凱，等. 鉆孔彈模法在三峽工程巖體力學特性中的應用研究[J]. 長江科學院院報，2008，25（05）：29-31.

[3] 景鋒，余美萬，邊智華，等. 鉆孔彈模計檢測壩基固結灌漿試驗效果[C]// 第四屆中國巖石錨固與注漿學術會議. 2007.