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隧道圍巖彈性模量測試方法

發(fā)布時間：2024-04-30 瀏覽次數(shù)：17125 來源：歐美大地

在一般隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員通常采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或理論公式計算圍巖彈性抗力系數(shù)，如彈性理論公式和錢令西公式。由于工程開挖后的隧道圍巖所處狀態(tài)較為復(fù)雜，其可能處于彈性狀態(tài)，也可能處于塑性狀態(tài)甚至產(chǎn)生張開裂隙，并不能完全符合公式的彈性假設(shè)。采用經(jīng)驗(yàn)或理論公式得到的圍巖彈性抗力系數(shù)由于不符合工程實(shí)際情況或過于保守，從而提高工程造價，造成巨大浪費(fèi)。

在實(shí)際工程中，由于環(huán)境條件惡劣，規(guī)范規(guī)定的水壓法或徑向液枕壓法測巖體彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)難度大、測試周期長、費(fèi)用高，并需開挖試驗(yàn)洞，在技施階段已難以大范圍進(jìn)行。因此，國內(nèi)外眾多研究學(xué)者采用本構(gòu)模型反分析或室內(nèi)試驗(yàn)，已取得較豐富的研究成果。
國內(nèi)外關(guān)于確定圍巖彈性抗力系數(shù)的方式多基于理論推導(dǎo)和室內(nèi)試驗(yàn)，缺乏工程實(shí)例驗(yàn)證及支持。特別關(guān)于軟巖隧洞圍巖彈性抗力系數(shù)的研究甚少，尤其是復(fù)雜巖體，目前缺乏可參考的工程經(jīng)驗(yàn)，且規(guī)范對于軟巖彈性抗力系數(shù)的取值規(guī)定過于寬泛，因此在實(shí)際工程中很難根據(jù)規(guī)范規(guī)定取值。
因此，對于軟巖彈性抗力系數(shù)的測試非常重要，而且在現(xiàn)場進(jìn)行原位測試是一種最好的方法。目前應(yīng)用最多的就是鉆孔彈性模量測試設(shè)備。
鉆孔法使用的設(shè)備按加力方式可分為鉆孔膨脹計、貫入計、鉆孔彈模計三類。
鉆孔彈模計的原理是利用活塞、楔形塊或小型柔性壓力枕等部件，給鉆孔壁施加一對徑向壓力，并同時測量出相應(yīng)的孔徑變化，據(jù)此計算巖體的變形或彈性模量。
鉆孔膨脹計是利用柔性的橡膠囊向鉆孔孔壁全面加壓，測定體積變化或鉆孔徑向變形以計算變形或彈性模量。
鉆孔試驗(yàn)法雖然只能測定一小段（約三倍直徑長度）內(nèi)孔壁周圍巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，但由于它可在大量已有的取芯勘探孔內(nèi)多個測段內(nèi)進(jìn)行，測試數(shù)據(jù)多，代表性強(qiáng)。如果將工程區(qū)按巖石分級劃分不同區(qū)域，在每個區(qū)域多個測段測試，則可用數(shù)理統(tǒng)計或加權(quán)平均法評估工程區(qū)巖體的整體變形和彈性模量。

GY型孔內(nèi)彈模測定器可以在鉆孔中測定固體介質(zhì)的變形或彈性模量，主要用于巖體，也可用于混凝土或金屬。
孔內(nèi)彈模測定器也稱鉆孔彈模計，(Borehole Jack, Goodman Jack 或NX Borehole jack)它與鉆孔膨脹計的主要區(qū)別為:后者是利用柔性的橡膠囊向鉆孔孔壁全面加壓，測定體積變化或鉆孔徑向變形以計算變形或彈性模量；前者則是利用多個活塞向部分孔壁徑向加壓，加壓塊為剛性，加壓角2β=45°(90°)，同時測定加壓方向的徑向變形以計算變形或彈性模量。后者壓力較低，適用于軟巖或裂隙巖體；前者壓力可達(dá)70MPa，適用于各種巖體（E=1～100GPa），只要孔徑滿足要求，試驗(yàn)期間孔壁穩(wěn)定即可。

GY-75（90，110）分別適用于φ75mm、φ90mm、φ110mm鉆孔，但通過更換厚一些的承壓塊，它也可用于大一級的鉆孔，即GY-75也可用于φ90mm鉆孔，GY-90可用于φ110mm鉆孔，GY-110可用于φ130mm鉆孔。
GY型孔內(nèi)彈模測定器是在美國古德曼千斤頂（Goodman Jack）的基礎(chǔ)上，并吸收了BJ-110鉆孔彈模計的優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)而成。Goodman Jack是國際上有代表性的鉆孔彈模計，已作為國際巖石力學(xué)委員會（ISRM）的建議方法，用于鉆孔中測定現(xiàn)場巖體彈性模量。但由于該設(shè)備在設(shè)計上的缺陷，其測定值必須經(jīng)過修正，才能得到真實(shí)的彈模值。修正系數(shù)與巖體彈模的高低有關(guān)，當(dāng)真實(shí)彈模（Etrue）為70GPa時，實(shí)測值（Ecalc）只有約24GPa。經(jīng)過改進(jìn)后的GY型鉆孔彈模計則不需修正。
為驗(yàn)證彈模測定的可靠性，將鉆孔彈模計放入帶有中心孔的鑄鋼、鑄鐵及大理巖立方體(360*400*400mm)進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定結(jié)果表明測定值接近真實(shí)值（45度線）,不需修正，誤差約5-10％。Ecalc=Etrue。GY-75和BJ-110的原理、主要指標(biāo)相同，因此其標(biāo)定結(jié)果可共用。此外，在三峽工程地基測試中，曾將同一測點(diǎn)的巖芯（完整且均質(zhì)、各向同性）進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其彈模值和用GY-75在孔內(nèi)的測定值很接近，誤差僅為百分之五。

GY型孔內(nèi)彈模測定器對鉆孔及鉆具的要求
GY-75（90，110）分別適用于φ75mm（90，110mm）的金剛石鉆進(jìn)鉆孔，由于孔內(nèi)彈模測定器的行程只有6mm，且與鉆孔壁的間隙很小，因此對鉆孔要求較高。

試驗(yàn)期間孔壁必須穩(wěn)定，當(dāng)在地表垂直孔內(nèi)試驗(yàn)時，孔口應(yīng)采用大一號的（φ90，110，130）套管護(hù)壁。
必須用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，并加一個擴(kuò)孔器，鉆孔實(shí)際尺寸比標(biāo)準(zhǔn)尺寸大1～3mm。

GY型孔內(nèi)彈模測定器試驗(yàn)步驟

根據(jù)試驗(yàn)要求及鉆孔柱狀圖，選定測試區(qū)段及方向。
連接一定長的鉆桿，每隔1m用白布帶將油管、電纜捆緊到鉆桿上，標(biāo)明活塞加力方向。
向低壓油路注油確信彈模計處于“閉合”狀態(tài)，并松開低壓油路閥門。
荷重傳感器（L1、L2）讀數(shù)分別調(diào)零，位移傳感器（D1、D2）不必調(diào)零。
將彈模計小心送入測試部位及預(yù)定的方向。
向高壓油路加壓至2MPa，使承壓塊和孔壁接觸，然后卸壓至零。卸零后記錄應(yīng)變儀上四個傳感器讀數(shù)。L1、L2讀數(shù)應(yīng)接近零讀數(shù)，根據(jù)D1、D2讀數(shù)可算出鉆孔直徑。當(dāng)鉆孔直徑大于標(biāo)準(zhǔn)孔徑4mm時，取出并換用厚承壓板。
按選定的試驗(yàn)方式加壓和卸壓，并記錄各級荷載下的四個傳感器讀數(shù)。建議采用多次大循環(huán)加載法，加卸載分級如0、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、2、0MPa。也可采用逐級單循環(huán)加卸載法。對絕大部分巖石，加至40-50MPa已足夠。
逐級卸載，卸零后，向低壓油路注油（高壓油路松開），當(dāng)D1、D2基本回到初讀數(shù)時，鉆孔彈模計已回到“閉合”狀態(tài)。
將鉆孔彈模計移至另一測試部位，繼續(xù)(6)、(7)、(8)三步試驗(yàn)。

GY型孔內(nèi)彈模測定器資料分析

根據(jù)實(shí)測應(yīng)變繪制鉆孔孔壁壓力和位移關(guān)系曲線。
按下述公式計算不同荷載級別下的E值
E=A×d×T*（γ、β）×△Q/△d （γ、β）
式中：
A=0.915(與彈模計長徑比有關(guān)的系數(shù))
T*（γ、β）(與彈模計泊桑比及接觸角有關(guān)的系數(shù))
被測介質(zhì)的彈性模量愈高時，承壓塊與孔壁達(dá)到全接觸狀態(tài)時的壓力值也較高，即壓力位移曲線的線性段起始點(diǎn)較高，應(yīng)選取起始點(diǎn)以上的近似直線段計算彈?；蜃兡Ｖ怠?/span>

海外工程案例
試驗(yàn)儀器采用GY-75孔內(nèi)彈模測定器，此儀器在BJ-110鉆孔彈模計的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)而成，BJ-110是上世紀(jì)80年代中期在古德曼千斤頂(Goodman Jack)的基礎(chǔ)上研制的，它克服了Goodman Jack的承壓板彎曲和孔壁曲率不匹配兩大缺陷，所測結(jié)果不必進(jìn)行修正。
試驗(yàn)嚴(yán)格按照《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5368—2007)的有關(guān)要要求執(zhí)行，本次測試孔徑約76~79mm，在鉆孔0~10m 范圍內(nèi)不同深度進(jìn)行試驗(yàn)。
該試驗(yàn)在炭質(zhì)板巖典型圍巖隧洞開挖后6個月開展現(xiàn)場水平鉆孔彈模試驗(yàn)，以下稱“首次試驗(yàn)”。開挖17個月后再次開展現(xiàn)場水平鉆孔彈模試驗(yàn)，以下稱“二次試驗(yàn)”。首次試驗(yàn)布設(shè)5 個鉆孔，鉆孔編號為1#、2#、3#、4#、5#，孔深均為5m(樁號H13+028m)，試驗(yàn)方向?yàn)榇怪碧抠|(zhì)板巖層面加壓，試驗(yàn)采用逐級一次循環(huán)法加載。二次試驗(yàn)布設(shè)8個鉆孔, 鉆孔編號為S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，其中S1、S2、S3、S4 4 個試驗(yàn)孔分別位于支洞K0+140m、K0+145m 和K0+160m處，加載方向平行于層面,試驗(yàn)采用逐級多次循環(huán)法加載法。S5、S6、S7、S8，4個試驗(yàn)孔位于主洞( 樁號H12+866m)，分別布設(shè)在左壁1處、右壁2處、頂拱1處，加載方向垂直于層面，試驗(yàn)采用逐級一次循環(huán)法加載法。
二次試驗(yàn)過程中分別開展天然狀態(tài)和浸水飽和狀態(tài)下的鉆孔彈模試驗(yàn)，天然狀態(tài)下鉆孔彈模試驗(yàn)完成后，在同一測點(diǎn)或相鄰測點(diǎn)的同一深度通過注水使炭質(zhì)板巖飽和，然后開展浸水飽和狀態(tài)下的鉆孔彈模試驗(yàn)。

炭質(zhì)板巖變形模量隨深度變化特征
繪制平行層面與垂直層面炭質(zhì)板巖變形模量隨深度變化曲線。從圖上可以看出,平行層面天然狀態(tài)與飽和狀態(tài)下炭質(zhì)板巖變形模量在8m深度范圍內(nèi)隨深度變化均較小,表明研究區(qū)淺部炭質(zhì)板巖平行層面變形模量受深度影響較小。天然狀態(tài)下炭質(zhì)板巖平行層面變形模量介于97.2~121.4MPa之間,飽和狀態(tài)下平行層面變形模量介于66.5~88.9MPa。

/鉆孔彈模壓力變形曲線/

/平行層面不同狀態(tài)下不同深度變形模量分布/

/垂直層面不同狀態(tài)下不同深度變形模量分布/

從圖上可以看出，垂直層面天然狀態(tài)與飽和狀態(tài)下炭質(zhì)板巖變形模量,在8m深度范圍內(nèi)隨深度變化均較小,表明研究區(qū)炭質(zhì)板巖垂直層面變形模量受深度影響較小。天然狀態(tài)下炭質(zhì)板巖垂直層面變形模量介于129.7~151.5MPa之間,飽和狀態(tài)下垂直層面變形模量介于69.8~86.8MPa。

三峽工程永久船閘基礎(chǔ)
永久船閘是三峽水利樞紐主要工程之一，修建于壇子嶺至雷劈山之間的山體中，基巖主要為閃云斜長花崗巖，新鮮巖體堅(jiān)硬致密，完整性較好，表層風(fēng)化殼較厚，閘室區(qū)有小斷層77條。
船閘為雙線五級，總長6442m，主體結(jié)構(gòu)長1607m，中隔墩寬60m，最大運(yùn)行水頭113m，每級船閘長寬及最小水頭分別為280m*34m*5m。
為了解開挖對邊坡巖體的影響，在北3、北4及南3、南4排水洞的8個水平鉆孔中進(jìn)行了長達(dá)三年的鉆孔彈模測試，每季度檢測一次，每次約50個測點(diǎn)，共測得彈模值約600個。測試儀器為GY-75、GY-90、GY-110鉆孔彈模計。
同時進(jìn)行了波速測試，將彈模測試結(jié)果與波速測試結(jié)果進(jìn)行了對比，相關(guān)性非常好，驗(yàn)證了兩種方法都是可靠的。