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隧道围岩弹性模量测试方法

发布时间：2024-04-30 浏览次数：23523 来源：欧美HJC黄金城

在一般隧道衬砌结构设计过程中，设计人员通常采用经验参数或理论公式计算围岩弹性抗力系数，如弹性理论公式和钱令西公式。由于工程开挖后的隧道围岩所处状态较为复杂，其可能处于弹性状态，也可能处于塑性状态甚至产生张开裂隙，并不能完全符合公式的弹性假设。采用经验或理论公式得到的围岩弹性抗力系数由于不符合工程实际情况或过于保守，从而提高工程造价，造成巨大浪费。

在实际工程中，由于环境条件恶劣，规范规定的水压法或径向液枕压法测岩体弹性抗力系数试验难度大、测试周期长、费用高，并需开挖试验洞，在技施阶段已难以大范围进行。因此，国内外众多研究学者采用本构模型反分析或室内试验，已取得较丰富的研究成果。
国内外关于确定围岩弹性抗力系数的方式多基于理论推导和室内试验，缺乏工程实例验证及支持。特别关于软岩隧洞围岩弹性抗力系数的研究甚少，尤其是复杂岩体，目前缺乏可参考的工程经验，且规范对于软岩弹性抗力系数的取值规定过于宽泛，因此在实际工程中很难根据规范规定取值。
因此，对于软岩弹性抗力系数的测试非常重要，而且在现场进行原位测试是一种最好的方法。目前应用最多的就是钻孔弹性模量测试设备。
钻孔法使用的设备按加力方式可分为钻孔膨胀计、贯入计、钻孔弹模计三类。
钻孔弹模计的原理是利用活塞、楔形块或小型柔性压力枕等部件，给钻孔壁施加一对径向压力，并同时测量出相应的孔径变化，据此计算岩体的变形或弹性模量。
钻孔膨胀计是利用柔性的橡胶囊向钻孔孔壁全面加压，测定体积变化或钻孔径向变形以计算变形或弹性模量。
钻孔试验法虽然只能测定一小段（约三倍直径长度）內孔壁周围岩体的应力应变关系，但由于它可在大量已有的取芯勘探孔內多个测段內进行，测试数据多，代表性强。如果将工程区按岩石分级划分不同区域，在每个区域多个测段测试，则可用数理统计或加权平均法评估工程区岩体的整体变形和弹性模量。

GY型孔内弹模测定器可以在钻孔中测定固体介质的变形或弹性模量，主要用于岩体，也可用于混凝土或金属。
孔内弹模测定器也称钻孔弹模计，(Borehole Jack, Goodman Jack 或NX Borehole jack)它与钻孔膨胀计的主要区别为:后者是利用柔性的橡胶囊向钻孔孔壁全面加压，测定体积变化或钻孔径向变形以计算变形或弹性模量；前者则是利用多个活塞向部分孔壁径向加压，加压块为刚性，加压角2β=45°(90°)，同时测定加压方向的径向变形以计算变形或弹性模量。后者压力较低，适用于软岩或裂隙岩体；前者压力可达70MPa，适用于各种岩体（E=1～100GPa），只要孔径满足要求，试验期间孔壁稳定即可。

GY-75（90，110）分别适用于φ75mm、φ90mm、φ110mm钻孔，但通过更换厚一些的承压块，它也可用于大一级的钻孔，即GY-75也可用于φ90mm钻孔，GY-90可用于φ110mm钻孔，GY-110可用于φ130mm钻孔。
GY型孔内弹模测定器是在美国古德曼千斤顶（Goodman Jack）的基础上，并吸收了BJ-110钻孔弹模计的优点改进而成。Goodman Jack是国际上有代表性的钻孔弹模计，已作为国际岩石力学委员会（ISRM）的建议方法，用于钻孔中测定现场岩体弹性模量。但由于该设备在设计上的缺陷，其测定值必须经过修正，才能得到真实的弹模值。修正系数与岩体弹模的高低有关，当真实弹模（Etrue）为70GPa时，实测值（Ecalc）只有约24GPa。经过改进后的GY型钻孔弹模计则不需修正。
为验证弹模测定的可靠性，将钻孔弹模计放入带有中心孔的铸钢、铸铁及大理岩立方体(360*400*400mm)进行了标定试验，标定结果表明测定值接近真实值（45度线）,不需修正，误差约5-10％。Ecalc=Etrue。GY-75和BJ-110的原理、主要指标相同，因此其标定结果可共用。此外，在三峡工程地基测试中，曾将同一测点的岩芯（完整且均质、各向同性）进行室內试验，其弹模值和用GY-75在孔內的测定值很接近，误差仅为百分之五。

GY型孔内弹模测定器对钻孔及钻具的要求
GY-75（90，110）分别适用于φ75mm（90，110mm）的金刚石钻进钻孔，由于孔内弹模测定器的行程只有6mm，且与钻孔壁的间隙很小，因此对钻孔要求较高。

试验期间孔壁必须稳定，当在地表垂直孔内试验时，孔口应采用大一号的（φ90，110，130）套管护壁。
必须用金刚石钻头钻进，并加一个扩孔器，钻孔实际尺寸比标准尺寸大1～3mm。

GY型孔内弹模测定器试验步骤

根据试验要求及钻孔柱状图，选定测试区段及方向。
连接一定长的钻杆，每隔1m用白布带将油管、电缆捆紧到钻杆上，标明活塞加力方向。
向低压油路注油确信弹模计处于“闭合”状态，并松开低压油路阀门。
荷重传感器（L1、L2）读数分别调零，位移传感器（D1、D2）不必调零。
将弹模计小心送入测试部位及预定的方向。
向高压油路加压至2MPa，使承压块和孔壁接触，然后卸压至零。卸零后记录应变仪上四个传感器读数。L1、L2读数应接近零读数，根据D1、D2读数可算出钻孔直径。当钻孔直径大于标准孔径4mm时，取出并换用厚承压板。
按选定的试验方式加压和卸压，并记录各级荷载下的四个传感器读数。建议采用多次大循环加载法，加卸载分级如0、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、2、0MPa。也可采用逐级单循环加卸载法。对绝大部分岩石，加至40-50MPa已足够。
逐级卸载，卸零后，向低压油路注油（高压油路松开），当D1、D2基本回到初读数时，钻孔弹模计已回到“闭合”状态。
将钻孔弹模计移至另一测试部位，继续(6)、(7)、(8)三步试验。

GY型孔内弹模测定器资料分析

根据实测应变绘制钻孔孔壁压力和位移关系曲线。
按下述公式计算不同荷载级别下的E值
E=A×d×T*（γ、β）×△Q/△d （γ、β）
式中：
A=0.915(与弹模计长径比有关的系数)
T*（γ、β）(与弹模计泊桑比及接触角有关的系数)
被测介质的弹性模量愈高时，承压块与孔壁达到全接触状态时的压力值也较高，即压力位移曲线的线性段起始点较高，应选取起始点以上的近似直线段计算弹模或变模值。

海外工程案例
试验仪器采用GY-75孔内弹模测定器，此仪器在BJ-110钻孔弹模计的基础上进一步改进而成，BJ-110是上世纪80年代中期在古德曼千斤顶(Goodman Jack)的基础上研制的，它克服了Goodman Jack的承压板弯曲和孔壁曲率不匹配两大缺陷，所测结果不必进行修正。
试验严格按照《水电水利工程岩石试验规程》(DL/T 5368—2007)的有关要要求执行，本次测试孔径约76~79mm，在钻孔0~10m 范围内不同深度进行试验。
该试验在炭质板岩典型围岩隧洞开挖后6个月开展现场水平钻孔弹模试验，以下称“首次试验”。开挖17个月后再次开展现场水平钻孔弹模试验，以下称“二次试验”。首次试验布设5 个钻孔，钻孔编号为1#、2#、3#、4#、5#，孔深均为5m(桩号H13+028m)，试验方向为垂直炭质板岩层面加压，试验采用逐级一次循环法加载。二次试验布设8个钻孔, 钻孔编号为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，其中S1、S2、S3、S4 4 个试验孔分别位于支洞K0+140m、K0+145m 和K0+160m处，加载方向平行于层面,试验采用逐级多次循环法加载法。S5、S6、S7、S8，4个试验孔位于主洞( 桩号H12+866m)，分别布设在左壁1处、右壁2处、顶拱1处，加载方向垂直于层面，试验采用逐级一次循环法加载法。
二次试验过程中分别开展天然状态和浸水饱和状态下的钻孔弹模试验，天然状态下钻孔弹模试验完成后，在同一测点或相邻测点的同一深度通过注水使炭质板岩饱和，然后开展浸水饱和状态下的钻孔弹模试验。

炭质板岩变形模量随深度变化特征
绘制平行层面与垂直层面炭质板岩变形模量随深度变化曲线。从图上可以看出,平行层面天然状态与饱和状态下炭质板岩变形模量在8m深度范围内随深度变化均较小,表明研究区浅部炭质板岩平行层面变形模量受深度影响较小。天然状态下炭质板岩平行层面变形模量介于97.2~121.4MPa之间,饱和状态下平行层面变形模量介于66.5~88.9MPa。

/钻孔弹模压力变形曲线/

/平行层面不同状态下不同深度变形模量分布/

/垂直层面不同状态下不同深度变形模量分布/

从图上可以看出，垂直层面天然状态与饱和状态下炭质板岩变形模量,在8m深度范围内随深度变化均较小,表明研究区炭质板岩垂直层面变形模量受深度影响较小。天然状态下炭质板岩垂直层面变形模量介于129.7~151.5MPa之间,饱和状态下垂直层面变形模量介于69.8~86.8MPa。

三峡工程永久船闸基础
永久船闸是三峡水利枢纽主要工程之一，修建于坛子岭至雷劈山之间的山体中，基岩主要为闪云斜长花岗岩，新鲜岩体坚硬致密，完整性较好，表层风化壳较厚，闸室区有小断层77条。
船闸为双线五级，总长6442m，主体结构长1607m，中隔墩宽60m，最大运行水头113m，每级船闸长宽及最小水头分别为280m*34m*5m。
为了解开挖对边坡岩体的影响，在北3、北4及南3、南4排水洞的8个水平钻孔中进行了长达三年的钻孔弹模测试，每季度检测一次，每次约50个测点，共测得弹模值约600个。测试仪器为GY-75、GY-90、GY-110钻孔弹模计。
同时进行了波速测试，将弹模测试结果与波速测试结果进行了对比，相关性非常好，验证了两种方法都是可靠的。