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歐美大地 原位測試
原位測試
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):13844 來源:歐美大地
在一般隧道襯砌結(jié)構(gòu)設計過程中,設計人員通常采用經(jīng)驗參數(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。采用經(jīng)驗或理論公式得到的圍巖彈性抗力系數(shù)由于不符合工程實際情況或過于保守,從而提高工程造價,造成巨大浪費。



在實際工程中,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)試驗難度大、測試周期長、費用高,并需開挖試驗洞,在技施階段已難以大范圍進行。因此,國內(nèi)外眾多研究學者采用本構(gòu)模型反分析或室內(nèi)試驗,已取得較豐富的研究成果。
國內(nèi)外關于確定圍巖彈性抗力系數(shù)的方式多基于理論推導和室內(nèi)試驗,缺乏工程實例驗證及支持。特別關于軟巖隧洞圍巖彈性抗力系數(shù)的研究甚少,尤其是復雜巖體,目前缺乏可參考的工程經(jīng)驗,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)場進行原位測試是一種最好的方法。目前應用最多的就是鉆孔彈性模量測試設備。
鉆孔法使用的設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)孔壁周圍巖體的應力應變關系,但由于它可在大量已有的取芯勘探孔內(nèi)多個測段內(nèi)進行,測試數(shù)據(jù)多,代表性強。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70MPa,適用于各種巖體(E=1~100GPa),只要孔徑滿足要求,試驗期間孔壁穩(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)的基礎上,并吸收了BJ-110鉆孔彈模計的優(yōu)點改進而成。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。但由于該設備在設計上的缺陷,其測定值必須經(jīng)過修正,才能得到真實的彈模值。修正系數(shù)與巖體彈模的高低有關,當真實彈模(Etrue)為70GPa時,實測值(Ecalc)只有約24GPa。經(jīng)過改進后的GY型鉆孔彈模計則不需修正。
為驗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)進行了標定試驗,標定結(jié)果表明測定值接近真實值(45度線),不需修正,誤差約5-10%。Ecalc=Etrue。GY-75和BJ-110的原理、主要指標相同,因此其標定結(jié)果可共用。此外,在三峽工程地基測試中,曾將同一測點的巖芯(完整且均質(zhì)、各向同性)進行室內(nèi)試驗,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。
  1. 試驗期間孔壁必須穩(wěn)定,當在地表垂直孔內(nèi)試驗時,孔口應采用大一號的(φ90,110,130)套管護壁。
  2. 必須用金剛石鉆頭鉆進,并加一個擴孔器,鉆孔實際尺寸比標準尺寸大1~3mm。

GY型孔內(nèi)彈模測定器試驗步驟 
  1. 根據(jù)試驗要求及鉆孔柱狀圖,選定測試區(qū)段及方向。
  2. 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,標明活塞加力方向。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 將彈模計小心送入測試部位及預定的方向。
  6. 向高壓油路加壓至2MPa,使承壓塊和孔壁接觸,然后卸壓至零。卸零后記錄應變儀上四個傳感器讀數(shù)。L1、L2讀數(shù)應接近零讀數(shù),根據(jù)D1、D2讀數(shù)可算出鉆孔直徑。當鉆孔直徑大于標準孔徑4mm時,取出并換用厚承壓板。
  7. 按選定的試驗方式加壓和卸壓,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。
  8. 逐級卸載,卸零后,向低壓油路注油(高壓油路松開),當D1、D2基本回到初讀數(shù)時,鉆孔彈模計已回到“閉合”狀態(tài)。
  9. 將鉆孔彈模計移至另一測試部位,繼續(xù)(6)、(7)、(8)三步試驗。


GY型孔內(nèi)彈模測定器資料分析

根據(jù)實測應變繪制鉆孔孔壁壓力和位移關系曲線。
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的系數(shù))
T*(γ、β)(與彈模計泊桑比及接觸角有關的系數(shù))
被測介質(zhì)的彈性模量愈高時,承壓塊與孔壁達到全接觸狀態(tài)時的壓力值也較高,即壓力位移曲線的線性段起始點較高,應選取起始點以上的近似直線段計算彈模或變模值。

海外工程案例
試驗儀器采用GY-75孔內(nèi)彈模測定器,此儀器在BJ-110鉆孔彈模計的基礎上進一步改進而成,BJ-110是上世紀80年代中期在古德曼千斤頂(Goodman Jack)的基礎上研制的,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)果不必進行修正。
試驗嚴格按照《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》(DL/T 5368—2007)的有關要要求執(zhí)行,本次測試孔徑約76~79mm,在鉆孔0~10m 范圍內(nèi)不同深度進行試驗。
該試驗在炭質(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,以下稱“首次試驗”。開挖17個月后再次開展現(xiàn)場水平鉆孔彈模試驗,以下稱“二次試驗”。首次試驗布設5 個鉆孔,鉆孔編號為1#、2#、3#、4#、5#,孔深均為5m(樁號H13+028m),試驗方向為垂直炭質(zhì)板巖層面加壓,試驗采用逐級一次循環(huán)法加載。二次試驗布設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,試驗采用逐級多次循環(huán)法加載法。S5、S6、S7、S8,4個試驗孔位于主洞( 樁號H12+866m),分別布設在左壁1處、右壁2處、頂拱1處,加載方向垂直于層面,試驗采用逐級一次循環(huán)法加載法。
二次試驗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,天然狀態(tài)下鉆孔彈模試驗完成后,在同一測點或相鄰測點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。

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
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,新鮮巖體堅硬致密,完整性較好,表層風化殼較厚,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個水平鉆孔中進行了長達三年的鉆孔彈模測試,每季度檢測一次,每次約50個測點,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。
同時進行了波速測試,將彈模測試結(jié)果與波速測試結(jié)果進行了對比,相關性非常好,驗證了兩種方法都是可靠的。


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