第10章岩体原位应力测试
岩体原位测试
第一节概述岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程勘察的重要手段之一。
岩体原位测试的最大优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确；其缺点是试验设备笨重、操作复杂、工期长、费用高。
另外，原位测试的试件与工程岩体相比，其尺寸还是小得多，所测参数也只能代表一定范围内的岩体力学性质。
因此，要取得整个工程岩体的力学参数，必须有一定数量试件的试验数据用统计方法求得。
岩体原位测试一般应遵循以下程序进行：(1)试验方案制订和试验大纲编写。
这是岩体原位试验工作中最重要的一环。
其基本原则是尽量使试验条件符合工程岩体的实际情况。
因此，应在充分了解岩体工程地质特征及工程设计要求的基础上，根据国家有关规范、规程和标准要求制订试验方案和编写试验大纲。
试验大纲应对岩体力学试验项目、组数、试验点布置、试件数量、尺寸、制备要求及试验内容、要求、步骤和资料整理方法作出具体规定，以作为整个试验工作中贯彻执行的技术规程。
(2)试验。
包括试验准备、试验及原始资料检查、校核等项工作。
这是原位岩体力学试验最繁重和重要的工作。
整个试验应遵循试验大纲中规定的内容、要求和步骤逐项实施并取得最基本的原始数据和资料。
(3)试验资料整理与综合分析。
试验所取得的各种原始数据，需经数理统计、回归分析等方法进行处理，并且综合各方面数据(如经验数据、室内试验数据、经验估算数据及反算数据等)提出岩体力学计算参数的建议值，提交试验报告。
第二节岩体变形试验岩体变形参数测试方法有静力法和动力法两种。
静力法的基本原理是：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加一定的荷载，并测定其变形；然后绘制出压力[CD*2]变形曲线，计算岩体的变形参数。
据其方法不同，静力法又可分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压法等。
动力法是用人工方法对岩体发射或激发弹性波，并测定弹性波在岩体中的传播速度，然后通过一定的关系式求岩体的变形参数。
岩体变形的原位测试.
求，承压面积则较小(直径30～40cm)。
（2）柔性垫板 压力传递较均匀，承压面积也较大(直径80cm)，有利于反映 试点的裂隙影响，但相应要增大加载设备的容量。
• 当基岩较好、裂隙较少时，宜采用柔性垫板法，但测试操
作较复杂；
• 当基岩破碎，裂隙发育时，宜采用刚性垫板法。虽然刚性 垫板法的测试操作简单，但因设备较笨重，安装往往会带 来困难；且在测定荷载时，不能消除千斤顶的摩擦阻力和 承压板边缘易引起的应力集中。
(1 2 ) p d
4W0 (We )
式中： E0——岩体的变形模量（Ee——岩体的弹性模量）； W0——岩体的总变形；（We——岩体的弹性变形） p——承压板上单位面积压力； μ——岩体的泊松比； d——承压板的直径。
承压板的刚度问题
（1）刚性垫板 要求有足够的刚度，即承压板的厚度与基岩的弹性模量成正 比，弹模愈大，板的厚度也愈大，否则难以满足压力均匀要
承压板法所需仪器设备及规格要求如下：
（1）加压系统
①液压千斤顶1台，其出力应根据岩体的坚硬程度、最大试 验压力及承压板面积等选定，并按规范要求进行率定。 ②油泵1台，手摇式或电动式均可，最大压力40～100MPa。 ③高压油管(铜管或软管)及高压快速接头。
④压力表1个，精度为一级，量程10～100MPa。
• 承压板的荷载面积与岩石的弹模相关关系是比较复杂的。
据日本研究的结果认为：当基岩裂隙间距小于10cm时，采 用直径为80cm的柔性承压板与直径30cm的刚性承压板在
同一基岩部位测试，其结果两者相当一致。
压板的刚度对试验的结果影响较大。承压板的刚度是相对岩体而 言的，判断压板是刚性还是柔性，可用下式：
⑤稳压装置。
(2)传力系统 ① 刚性承压板，金属质，应具有足够的刚度，厚度3cm，面积
岩体初始应力及测量共67页
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
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3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
岩体初始应力及测量4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
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岩土工程原位测试
岩土工程原位测试岩土工程原位测试是岩土工程领域中常用的一种测试方法，主要用于研究土体和岩石的力学性质，包括密度、强度、变形等方面。
原位测试可分为静态和动态两种，常用的测试方法包括压缩试验、剪切试验、钻孔取心和动力触探等。
1. 压缩试验压缩试验是岩土工程中最常用的一种试验方法，主要用于研究土体和岩石在静态荷载作用下的应变和应力关系，以及其力学性质。
压缩试验一般采用圆柱形或立方体样品，常见的试验设备包括固定底板试验机和振动底板试验机两种。
固定底板试验机的测试原理是将试样放在机器的底板上，通过上下移动试验头，施加垂直向下的载荷，以产生压缩变形。
振动底板试验机是一种新型试验方法，通过在底板上施加振动载荷以促进试样的变形。
2. 剪切试验剪切试验主要用于研究土体和岩石的剪切性能，可分为单轴剪切试验和三轴剪切试验两种。
单轴剪切试验是将试样置于试验机的水平底板上，施加垂直向下的压力，同时在试样的表面产生水平力，使试样进行剪切。
三轴剪切试验是利用三个气室将试样完全包裹，分别施加三个方向的应力，以研究土体和岩石在三个方向上的切向应力和法向应力。
3. 钻孔取心钻孔取心试验是一种非破坏性的试验，主要用于评估岩土中存在的裂隙、结构和岩石类型。
在取样过程中需要特别注意制取的样品应具有代表性，应取样选择典型的岩土层位。
在岩石钻探中，常使用的钻探机械有手动旋转式钻机、电机转向钻机和系统化泥浆钻机。
对于深层地层和硬质岩体，通常使用钻探机械逐层取心，以便对结构和裂隙进行详细的剖分。
4. 动力触探动力触探试验是一种快速、简单且准确的测试方法，可以在不破坏土体的情况下测定岩土体的强度。
试验的原理是将一定质量的重锤从一定高度自由落下，击打位于土层内部的钻杆顶端，并测定沉击钻杆的下沉度以及反弹度，从而评估土层的类型和压缩性质。
动力触探试验设备通常由锤头、钻杆、压力计和数据采集器组成。
触探数据经过处理后，可以用于制作地下剖面图，为地勘、基础工程和岩土工程提供可靠的数据支持。
岩体原位测试
2.3 狭缝法
狭缝法又称狭缝扁千斤顶法，是在选定的岩体表面 刻槽，然后在槽内安装扁千斤顶（压力枕）进行试验 （图4）。试验时，利用油泵和千斤顶对槽壁岩体分级 施加法向压力，同时利用百分表测记相应压力下的变 形值WR。岩体的变形模量Em(MPa) 按下式计算：
Em pl (1 m )(tan1 tan2 ) (1 m )(sin 21 sin 2 2 ) 2WR
2 pD(1 m )ω pD(1 m )ω Eme Em We W 式中：p：承压板上单位面积压力, MPa；D：承压
2
板的直径或边长，cm； W、 We ：分别为相应于p下 的岩体总变形和弹性变形，cm；ω：与承压板形状、 刚度有关的系数。对于圆形板ω=0.785；对于方形 板ω=0.886；μm为岩体的泊松比。
岩体的原位测试
内容
1 概述 2 岩体变形实验
2.1 承压板实验
2.2 钻孔变形法
2.3 狭缝法
3 岩体强度实验
3.1 直剪试验 3.2 三轴试验
1 概述
岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施 加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程 勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大优点是对岩体扰 动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出 的岩体力学参数直观、准确；其缺点是试验设备笨重、操作 复杂、工期长、费用高。另外，原位测试的试件与工程岩体 相比，其尺寸还是小得多，所测参数也只能代表一定范围内 的岩体力学性质。因此，要取得整个工程岩体的力学参数， 必须有一定数量试件的试验数据用统计方法求得。
图3 钻孔变形试验装置示意图
与承压板法相比较，钻孔变形法的优点是：
①对岩体扰动小。 ②可以在地下水位以下和较深的部位进行。 ③试验方向基本不受限制，且试验压力可以达到很大。 ④在一次试验中可以同时量测几个不同方向的变形，便于 研究岩体的各向异性。 其主要缺点是试验涉及的岩体体积较小。该方法较适 合于软岩或半坚硬岩体。
岩体原位测试
目录前言 (Ⅱ)第一章岩体变形试验 ................................................................... - 1 -第二章岩体强度试验 ................................................................... - 9 -第三章岩石点荷载强度试验 ..................................................... - 19 -第四章岩体声波探测 ..................................... 错误！未定义书签。
第五章回弹仪测岩体抗压强度 ................................................. - 38 -第六章地下硐室的围岩分类 ......................... 错误！未定义书签。
地七章地下硐室工程地质展示图 ............................................. - 50 -第八章围岩的收敛变形试验…………………………………- 64 -第九章路基沉降观测试验……………………………………- 67 -结束语 ....................................................................................... - 59 -附录 1 ............................................................. 错误！未定义书签。
前言本次实习针对岩石岩体的工程地质特征，岩体（石）基本力学性质及地下开挖工程中岩体力学问题进行验证和试验探索。
目的是巩固加深理解课堂上所学知识，培养运用理论知识解决实践问题的能力；掌握实践工作的方法，如勘察、地质调查、测绘等的方法；培养在实践中分析问题、解决问题的综合能力。
岩体变形的原位测试
第二节 岩体变形试验
岩体变形参数测试方法有静力法和动力法两种。静力法 的基本原理是：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施 加一定的荷载，并测定其变形；然后绘制出压力-变形曲线，
计算岩体的变形参数。
动力法是用人工方法对岩体发射或激发弹性波，并测定 弹性波在岩体中的传播速度，然后通过一定的关系式求岩 体的变形参数。
⑤稳压装置。
(2)传力系统 ① 刚性承压板，金属质，应具有足够的刚度，厚度3cm，面积
约2 000～2 500cm2。
② 钢垫板若干块，面积等于或略小于承压板，厚度2～3cm。 ③ 传力柱，应有足够的刚度和强度，其长度视试硐尺寸而定。 ④ 钢质楔形垫板若干块。
(3)量测系统
① 测量支架，两根具有足够刚度和满足边界条件要求长度的钢
在国内测定岩体变形性的试验方法较多，按荷载的性质可分 为两大类：静力法和动力法。 静力法： （1）承压板法（刚性承压板法和柔性承压板法）； （2）狭缝法（刻槽法）； （3）单（双）轴压缩法； （4）隧洞水压变形法（封闭硐室法）； （5）钻孔变形测试法； （6）径向液压枕法或双筒法； （7）钢索锚固加荷法； （8）三轴压缩试验； 动力法： •地震试验； •声波试验； •超声波试验。
承压板法又分为刚性承压板法和柔性承压板法，我国 多采用刚性承压板法。该方法的优点是简便、直观，能 较好地模拟建筑物基础的受力状态和变形特征。除常规 的承压板法外，还有一种承压板下中心孔变形测试的方 法，即在承压板下试验体中心打一测量孔，采用多点位 移计测定岩体不同深度处的变形值。此外，国际岩石力 学学会测试委员会还推荐了一种现场孔底承压板法变形 试验。
(1 2 ) p d
4W0 (We )
式中： E0——岩体的变形模量（Ee——岩体的弹性模量）； W0——岩体的总变形；（We——岩体的弹性变形） p——承压板上单位面积压力； μ——岩体的泊松比； d——承压板的直径。
现场直剪剪切试验与岩体原位应力测试(ppt 40页)
3．施加剪切荷载
（1）剪切荷载按预估的最大值分8～12级施加，如发生后一 级荷载的水平变形为前一级的1.5倍以上时，应减荷按4％ ～5％施加。
（2）试验过程中法向应力应始终保持为常数。采用斜推法时 ，应同步降低因施加剪切荷载而产生的法向分量的增量， 保持法向荷载不变。
（a）：1—砂浆顶板；2—垫板；3—传力柱；4—压力表；5—混凝土试体；6—混 凝土后座；7—液压千斤顶；8—传力块；9—滚轴徘；10—接液压泵；11—垂直位
移测表；12—测量标点；13—水平位移测表；14—试体受力简图 （b）：1、2、3、4、14同（a）；5—液压千斤顶；6—混凝土试体；7—传力块； 8—滚轴排；9—垂直位移测表；10—测量标点；11—水平位移测表；12—混凝土后
（2）每个试体分4～5级施加其垂直荷载。每隔5min加一 次，0min、5min分别读一次数。在最后一级法向荷载作用下 ，法向位移应相对稳定后（各测表的连续两次垂直变形读数差 不超过0.0l mm），再施加剪切荷载。
对于软弱夹层，在加到预定的垂直荷载后，低塑性软弱 夹层每隔10min，高塑性软弱夹层每隔15min，读一次垂直变 形。当两次变形读数差小于0.05mm时，即视为已稳定，施加 荷载的容许误差为±2％。
（3）试体的推力部位应留有安装千斤顶的足够空间，平推 法应开挖千斤顶槽。剪切面周围的岩体应大致凿平，浮渣应清 除干净。
（4）平推法的推力方向宜与工程岩体的受力方向一致。斜 推法的推力中心线与剪切面夹角α宜为12°～17°。
（5）对加压过程可能出现破裂或松动的试体，应浇筑钢筋 混凝土保护套或采取其它保护措施，保护套应有足够的强度和 刚度，顶面应平行预定剪切面，底部应在预定剪切面的上部边 缘；水泥砂浆和混凝土应进行养护。
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钻孔设备
◦ 钻机及相应配套的岩芯管、钻杆等;φ36mm钻头， φ110mm或φ130mm钻头;孔底磨平钻头和锥形钻头
（3）用f36mm钻头钻 一深约300-400mm的 同心孔，并将钻孔冲洗 干净；
(4)测试要点 1)清除试面上松动岩块并把它整平，其范围不小于解除 岩芯直径的2倍。岩面起伏差不超过0.5cm，要做好试面 的现场描述; 2)在已处理的试验面上，埋设应变计丛(或贴应变片丛)。 每组应变丛不得少于三只应变计(片)。应变计(片)埋好后， 应加保护罩，以防损坏; 3)把应变计(片)与应变仪接通，读出并记录各应变计(片) 的初始值; 4)用钻机分级掏槽，并记录其应变读数。每级掏深一般 为2cm，掏槽的最终深度一般要求达到应变读数稳定时为 止，并不得小于解除岩芯直径的0.5倍。
(1)测试原理 应力解除法是在岩体表面和地下洞室壁上预先埋设应变计 (或贴电阻片)，然后在其周围掏环形槽(图)，并同时测量岩体 应力解除后的应变值。根据岩体应力解除前后的应变变化和 岩体的弹性模量，计算岩体的表面应力。
(2)应用范围 应力解除法常用于岩体表面和地下洞室围岩表面的应 力测量。每次试验只能确定平面上两个方向的最大、最 小主应力。如果要确定该处的三向应力，至少要在三个 不同方向的面上进行三次测量。 (3)主要仪器设备 1)钢弦应变计和钢弦应变仪或电阻应变片和电阻应变 仪。 2)应变计保护罩。 3)钻机及相应配套的器材，用于掏槽。
(4)测试要点 1)把试验面上的松动岩石清除，并使之基本平整，并做好现 场描述; 2)在已处理好的岩面上安装应变计，应变计的方向应与解除 槽长轴垂直，应变计的中心点与解除槽长轴中心的距离应 为槽长的1 /3。应变计安装好后应加盖保护罩，然后进行 多次读数，以确定应变计的初值。也可在解除槽两侧预埋 测点，用可拆卸的位移计量测; 3)用钻机或切割机进行分级掏槽，每级掏槽深度为2cm，同 时记录相应的应变计读数。槽的深度一般要求大于扁千斤 顶的尺寸，并使加载的扁千斤顶外缘埋入岩面25mm，以 防止加载过程中岩石局部破坏; 4)用清水将槽内的岩粉等冲洗干净，并把调制好的水泥砂浆 灌入槽内，再把扁千斤顶推入并捣实砂浆。必须严防浆体 中夹入气泡，否则将损坏扁千斤顶或使试验结果不可靠; 5)待砂浆凝固后，接通扁千斤顶和油泵，即可加压进行应力 恢复试验，一般采用分级加压并同时记录应变计读数。最 大一级压力应大于解除结束时应变计测读的相应压力。
1.1 应力恢复法 1.2 应力解除法
(1)测试原理 应力恢复法是在岩体表面或地下洞室围岩表面 预先布置好测量元件，当其旁边开槽解除岩体中的 应力时，测量元件读数便发生变化。再把平面扁千 斤顶放入槽内加压，使测量元件恢复到原来状态， 此时千斤顶的应力就是垂直槽壁方向的岩体应力。
(2)应用范围 1)本法仅适用于岩体表面应力测量，每次只能确 定一个方向的应力。如果要测定三向应力至少要在 各个独立方向上进行六次测量。 2)此法可在相对破碎岩体中进行测量，但必须有 可能切割出安装扁千斤顶的槽。 3)此法只能恢复正(压)应力，不能恢复剪应力，也 不适用于负(拉)应力地区。
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
测试原理 应用范围 主要仪器设备 测试要点 资料整理
孔底应变法是借助于粘贴在钻孔底面上的电阻应变 片测量套钻解除前后孔底岩体的应变变化，利用弹 性理论的经验公式及岩石的弹性模量计算应力。 孔底应变计有一个硬塑料外壳，在其端面借助于厚 0.5mm的有机玻璃片或赛璐珞片(或薄橡皮)上贴有 一组电阻应变丛。外壳另一端用胶粘剂(通常为环氧 树脂)粘贴在孔底表面中央三分之一面积内。这样， 当孔底岩面由于套钻解除发生变形时，应变计将随 之变化。
(5)资料整理 1)根据测得的物理量换算成应变值后，计算各级解除 深度下的应变值 εiH=εnH-ε0H
2)绘制应变丛各应变计(片)的应变值与解除深度的关 系曲线，并根据曲线选取各应变计(片)的稳定应变 值。
3)根据稳定应变值，计算主应变及其方向。
4)计算最大、最小主应力
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
(5)资料整理 1)修正记录的扁千斤顶油压，使之成为实际作用 在槽上的压力，扁千斤顶修正系数在室内作出率 定。 2)计算出每级开槽和加压的岩体应变值。计算的 方法是每一级开槽和加压时应变计读数减去初始 值。 3)画出岩体应变值和开挖深度、扁千斤顶压力的 关系曲线。只要该关系曲线中岩体应变值与压力 之间不出现显著的滞后现象，扁千斤顶的恢复压 力(pc)大体上等于解除压力，亦即该方向的岩体 应力。
岩体应力在有些地区表现很高，在那里进行地下 洞室等岩土工程建设时，常会遇到岩层剥落、弯 曲变形、隆起或其他稳定问题。在这些地区了解 场地的岩体应力大小和方向，对工程设计与施工 是至关重要的。在另一些地区岩体应力虽然不是 很高，但它对重大地下工程的最佳形状、布置方 向、支护系统和最终费用也可能有重大影响。所 以岩体应力已成为岩土工程建设极其重要的基本 资料。 岩体应力与场地的地质构造、地形地貌、岩体 特性、成岩过程以及人为的工程活动有关。
1. 2. 3. 4. 5.
岩体表面应力测量 钻孔孔径变形法 钻孔孔壁应变法(自学) 钻孔孔底应变法 水压致裂法
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岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，它包括 岩体初始应力和围岩应力。 岩体初始应力是指天然状态下岩体内赋存的应力， 它又称原岩应力，在地震地质领域常称地应力， 它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳 运动所产生的构造应力(包括现今构造应力和残余 构造应力)所组成。 围岩应力是指岩体被扰动后引起重分布的应力， 又称二次应力，它是由于入工开挖等工程活动而 形成。
测试原理 应用范围 主要仪器设备 测试要点 资料整理
钻孔孔径变形法是通过套孔钻进测量解除前后孔径 变化来确定岩体应力的一种方法，目前主要采用钻 孔变形计和压磁应力计两种测试方法，适用于完整 和较完整岩法体。
• 四个弹性钢环，电阻片应变-直径-应力
• 变形——应变——应力
量测仪表及安装设备