巖體表面二次應力測試設備的研究與應用

于新凱，王 旭，徐洪海，湯大明

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，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力狀態(tài)發(fā)生改變，應力出現(xiàn)調(diào)整，并進行重分布，重分布后的應力狀態(tài)即為巖體二次應力狀態(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，由此引起的巖體應力釋放、應力重分布等問題也越來越多。特別是在高初始應力區(qū)，施工開挖過程中局部發(fā)生的強烈?guī)r爆，往往具有很大的破壞性和危險性；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，這些都給工程建設者們帶來了很大的困擾[3-7]。因此弄清洞室圍巖二次應力及時狀態(tài)及其分布情況顯得十分重要。

目前，工程建設中主要通過在洞室及隧道巖壁埋設應力計及應變計的方法來了解應力情況，但這種方法，只能了解儀器埋設后圍巖應力隨時間的變化情況，并不能得到儀器埋設時應力的及時量值情況[8-9]。而要知道應力的及時量值大小，只能進行現(xiàn)場二次應力測試。在二次應力測試中，表面應力測試法具有簡單、快捷、經(jīng)濟的優(yōu)勢。文獻[10-11]介紹了在某隧道內(nèi)進行巖體表面二次應力測試工作，其方法操作簡單：實用性較強，但是測試只能讀取解除前后的兩個應變值，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。同時由于應變花只有3片應變片，當某一片出現(xiàn)較大誤差或故障時，就降低了該點計算結果的可靠性。文獻[12]中提出了一種能夠記錄解除全過程應變的方法，但此種方法的掏槽過程不易控制。針對上述問題，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司科研團隊進行了深入研究，改進試驗設備及流程，研制了一整套解除設備及測試儀器，保證了解除過程中應變測值的連續(xù)性，并在試驗室進行了模擬試驗及野外工程應用驗證，取得了較好的成果。

1 解除及測試設備的研制

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

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

(2)研發(fā)了一體式應變計盒。其中電阻式應變片花(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罩，主要作用為屏蔽、固定、防水，便于粘貼，提高了效率。該應變計盒可承受1.5 MPa以上的拉力和剪力，完全能滿足試驗要求。

(3)快速接頭可快速連接應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片式應變片花及保護罩外殼如圖1～2所示。

圖1 應變花示意

圖2 保護罩外殼

2 測試方法及流程

測試方法基于表面應變法，即在巖石表面粘貼上應變計盒，以應變計盒中心為圓心鉆孔，逐漸切斷應變計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)生應力釋放，當鉆孔達到一定深度時，釋放應力值為鉆孔前巖體表面二次應力值，通過在解除過程中測取巖芯的應變，根據(jù)彈性力學平面應力問題即可計算出此釋放應力，即巖體表面二次應力。

測試時，首先用鑿平工具對測點周圍巖面進行加工處理，粘貼一體式應變計盒，連接電纜線，再將電纜線穿過鉆具及鉆桿與應變數(shù)據(jù)采集儀相連。在整個測試過程中，一體式應變計盒外殼與內(nèi)部應變片花單獨受力，并且應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變曲線，從而實現(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變片自身的可靠度進行驗證試驗。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，測取柱面應變，計算柱面應力。試驗在室內(nèi)巖石直剪儀上進行，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，軸向壓應力27.64 MPa，通過4組應變片花測值計算得到的平均應力值為σ1=27.02 MPa(軸向)，與實際施加壓應力值僅相差2.2%，σ2=0.15 MPa(徑向)，α1=2.37°，方向差異也較小，可見選用的應變片可靠度高。

采用經(jīng)過測試驗證的同廠同型號應變片設計制造一體式應變計盒，為了驗證一體式應變計盒的可靠性，在試驗室進行單軸加卸載試驗。試件尺寸為200 mm×200 mm×300 mm，試件4個側面都貼上一體式應變計盒(編號為①、②、③、④)，片花單片編號為a、b、c、d，為了弄清應變盒罩殼對測試的影響，在試件的①、②兩面上貼單片應變片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

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

3 室內(nèi)模擬解除試驗

3.1 解除口徑的確定

《水電水利工程巖體應力測試規(guī)程》 (DL/T 5367-2007)中規(guī)定：表面應變法解除巖芯直徑宜為20～30 cm[13]，這是基于表面應力解除大多采用風鉆和人工掏槽，存在擾動影響面積較大的情況。有關文獻[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。按此計算的解除巖芯最小直徑為15.1 cm。由于還處于研究驗證階段，為減少解除擾動、提高可靠度，測試對鉆孔口徑進行了適當加大，選取解除口徑為20 cm的金剛石鉆頭，解除后實際巖芯直徑為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面(①、②面)上進行了模擬解除。RR1號試件及RR2號試件每面貼3片式應變計盒，編號a、b、c。RR3號試件每面貼8片式應變計盒，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[15]認為解除深度不應小于解除巖芯直徑的0.5倍，文獻[12]中提出當H/D=0.4～0.6時，即可滿足。因此，研究之初試件設計解除深度只有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，應力釋放沒有充分完成，重新加工鉆具后再次進行試驗，解除深度達到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)已達到穩(wěn)定，說明應力已基本釋放完成。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)計情況見表1。

表1 各試件解除深度統(tǒng)計

通過計算得到RR3號試件的②面應力值σ1=3.37～4.43 MPa，平均3.92 MPa，與加載應力4.36 MPa相差0.44 MPa；σ2=1.69～3.01 MPa，平均2.48 MPa，與加載應力3.49 MPa相差1.01 MPa，方向相差-6.29°～13.02°，平均4.71°。考慮到加載應力值較小，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

4.1 某電站施工洞現(xiàn)場試驗

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

圖8 某電站測點布置示意

(a)測點L1號

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

表2 某電站巖體表面二次應力測試成果

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

4.2 某電站交通洞現(xiàn)場試驗

某電站交通洞選擇了4個測點位置進行試驗，鉆頭直徑為200 mm，測點布置如圖10所示，應力解除曲線如圖11所示。

圖10 測點布置

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

(a)測點1號

表3 某電站巖體表面二次應力測試成果

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

上述兩個電站的現(xiàn)場解除試驗結果表明，此套表面二次應力測試運用的解除設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 語

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