钻孔变形法测试岩体变形参数
岩体力学-第8章岩体的力学性质--贺虎
2
σ3=0
1m
3
2(C j 3tg j ) (1 tg jctg )sin 2
当β＝45°＋φj／2时，岩体强度取得最低值
1 3 min
2(C j 3tg j ) 1 tg 2 j tg j
耶格（Jaeger）单结构面理论
含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面 理论确定岩体强度包线及岩体强度。
二、岩体变形参数估算
一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型 ，利用室内小试件试验资料来估算。
二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类 指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。
1、层状岩体变形参数估算
层状岩体的地质力学模型 假设各岩层厚度相等为S，且性质
D—圆(方)板直径(边长)。
定，裂隙越不均匀则要求面积 越大，一般0.25~1.00m2。
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。
对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886
2、钻孔变形法
优点：①对岩体扰动小；②可以在 地下水位以下和相当深的部位进行；
Hale Waihona Puke Emdp(1 Um )
③试验方向基本上不受限制，而且
第六章 岩体的力学性质
§6.1 岩体的变形性质 §6.2 岩体的强度性质 §6.3 岩体的动力学性质 §6.4 岩体的水力学性质
§6.1 岩体的变形性质
•在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和， 而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和 滑动等变形。从岩体的定义：岩块+结构面=>岩体 •岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 •在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
岩体变形试验
岩体变形试验3. 1承压板法试验3. 1. 1承压板法试验应按承压板性质，可采用刚性承压板或柔性承圧板。
各类岩体均可釆用刚性承圧板法试验，完整和较完整岩体也可采用柔性承压板法试验。
3. 1. 2试验地段开挖时，应减少对岩体的扰动和破坏。
3. 1. 3在岩体的预定部位加工试点，应符合下列要求：1试点受力方向宜与工程岩体实际受力方向一致。
各向异性的岩体，也可按耍求的受力方向制备试点。
2加工的试点面积应大于承压板，承圧板的直径或边长不宜小于30cm。
3试点表层受扰动的岩体宜清除干净。
试点表而应修凿平整，表面起伏差不宜大于承压板直径或边长的l%o4承压板外1. 5倍承圧板直径范围以内的岩体表面应平整，应无松动岩块和石確。
3. 1. 4试点的边界条件应符合下列要求：1试点中心至试验洞侧壁或顶底板的距离，应大于承压板直径或边长的2. 0倍；试点中心至洞口或掌子面的距离，应大『•承圧板直径或边长的2. 5倍；试点中心至临空面的距离, 应大于承圧板直径或边长的6. 0倍。
2两试点中心之间的距离，应大于承圧板直径或边长的4. 0倍。
3试点表面以下3. 0倍承圧板直径或边长深度范围内的岩体性质宜相同。
3. 1. 5试点的反力部位岩体应能承受足够的反力，表面应凿平。
3. 1. 6柔性承压板中心孔法应采用钻孔轴向位移计进行深部岩体变形量测的试点，应在试点中心垂直试点表面钻孔并取心，钻孔应符台钻孔轴向位移计对钻孔的要求，孔深不应小于承压板直径的6. 0倍。
孔内残留岩心与石磴应打捞干净，孔壁应清洗，孔口应保护。
3. 1. 7试点可在天然状态下试验，也可在人工泡水条件下试验。
3. 1. 8试点地质描述应包括下列内容：1试段开挖和试点制备的方法以及出现的情况。
2岩石名称、结构及主要矿物成分。
3岩体结构面的类型、产状、宽度、延伸性、密度、充填物性质，以及与受力方向的关系等。
4试段岩体风化状态及地下水情况。
5试验段地质展示图、试验段地质纵横削面图、试点地质素描图和试点中心钻孔柱状图。
钻孔内测试岩体工程力学参数方法
2012年09月23日
16
美国爱荷华州立大学所进行边坡软岩钻孔剪切试验结果
8 ( ' = 9 o, c' =3.97 MPa) (RBST) o BH8, 11.43m, S.W.Sh ( ' =19 , c' =0.55 MPa) (RBST) o BH9, 8.90m, S.W.Sh ( ' =27 , c' =0.086 MPa) (BST-H) BH7, 7.80m, S.W.Sh 6
正应力 剪应力 （MPa） （MPa） 3.5 3.1 9.5 8.5 12.5 10.6 6.5 5.4 3.5 3.0 6.5 5.1 9.5 5.8 12.5 6.1 12.5 7.8 3.5 3.0 6.5 4.7 9.5 5.8 12.5 8.0
试验组 第一组试验 钻孔编号： RBX-7
f
2012年09月23日
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美国爱荷华州立大学所进行的软弱岩体钻孔剪切试验结果
2012年09月23日
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试验步骤
放臵剪切头到孔内指定深度； 剪切头和入孔连杆及油管重量的测试； 施加座压； 施加法向力，然后施加剪应力； 回缩剪切板，提升剪切头； 重新开始下一轮试验。
向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验应用
钻孔内岩体工程力学参数原 位测试
贾志欣 2012年09月23日
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
2
主要内容
前言 钻孔力学试验技术的发展 新型岩体钻孔测试设备的开发研制 结论
2012年09月23日
3
前言
岩体变形特征参数
岩体变形特征参数
岩体(见岩石和岩体)在外力作用下体积和形状的变化。
它是岩体力学的研究对象。
岩体变形受岩性、岩体结构、环境(围压、孔隙水压力)、应力作用时间等因素的影响。
岩体力学研究的岩体变形是，工程活动如岩体开挖或表面加载条件下的变形。
岩体变形和岩石变形既有联系，又有区别。
岩体变形特征参数一是由原位岩体变形实验法(静力法:承压板法钻孔变形法狭缝法水压洞室法单(双)轴压缩试验法动力法:声波法地震波法)等确定的岩体变形模量Em和弹性变形模量Eme参数.二是由岩体变形参数估算(1)在现场地质调查的基础上,建立适当的岩体地质力学模型利用岩块的资料估算岩体的(2)在岩体质量评价和大量实验资料的基础上,建立分类指标与岩体变形参数之间的关系,并用于岩体变形参数的估算.利用此方法可以确定出表征层状岩体变形性质的5个参数:Emn μnt Emt μtn Gmt
岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形两个部分。
一般建筑物的荷载远达不到岩体的极限强度值，因此，设计人员所关心的主要是岩体的变形特性。
岩体变形参数是由变形模量或弹性模量来反映的。
岩体工程力学参数钻孔原位测试新方法-概述说明以及解释
岩体工程力学参数钻孔原位测试新方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述岩体工程力学参数的测试是岩石工程领域中的重要工作，传统的测试方法存在一些局限性，如测试过程中可能会破坏岩体结构，导致测试结果不够准确。
针对这些问题，本文介绍了一种新的岩体工程力学参数测试方法，即钻孔原位测试方法。
该方法通过在岩体内部进行原位测试，不仅可以避免对岩体结构的破坏，还可以获得更准确的测试结果。
本文将详细介绍这一新方法的原理及其应用，并探讨其在岩体工程中的潜在优势和可能存在的局限性，最后展望了该方法的未来发展方向。
通过本文的介绍，读者将能够更全面地了解岩体工程力学参数测试的新方法，并认识到其在岩石工程领域中的重要意义和应用前景。
1.2 文章结构文章结构部分应该包括对整篇文章的结构安排和各个部分内容的简要描述。
具体可写为：文章结构包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要概述了本文的研究背景和意义，以及新方法的应用前景。
正文部分将介绍传统岩体工程力学参数测试方法和新方法的原理及优势，并探讨新方法在岩体工程中的实际应用情况。
结论部分将总结新方法的优势和可能存在的局限性，以及展望未来可能的研究方向和应用前景。
通过这样的结构安排，读者可以清晰地了解本文的研究内容和逻辑结构。
1.3 目的：本文的目的在于介绍一种新的岩体工程力学参数钻孔原位测试方法，通过对该方法的介绍和分析，探讨其在岩体工程中的应用前景和优势。
同时，也对可能存在的局限性进行了探讨，为该方法的进一步改进和完善提供参考。
最终目的是为了推动岩体工程领域的技术创新和发展，提高岩体工程力学参数测试的准确性和可靠性，为工程实践提供更科学、更可靠的技术支持。
2.正文2.1 传统岩体工程力学参数测试方法岩体工程力学参数的测试一直是岩土工程领域中的重要研究内容，传统的岩体工程力学参数测试方法主要包括室内试验和野外测试两种。
室内试验主要包括岩石样品的采集、制备和力学性能测试。
采集岩石样品后，需要经过标准化的制备工艺，制作成符合标准要求的试样，然后进行拉伸、压缩、剪切等力学性能测试，从而得到岩石的强度、变形模量、泊松比等力学参数。
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。
第四章 岩体原位测试(岩土测试技术)
4. 安装完毕后，起动千斤 稍加压力或在传力柱
板间楔进楔形垫块，
系统结合紧密
顶 与垫 使整个
5. 加压与稳定标准
1）试验压力要分成5级施加 2）加压前要对千分表进行初始稳定读数观测 3）采用逐级一次循环法或逐级多次循环法 4）每级压力加压后，立即读数，以后每10分钟读一次 5）稳定标准：相邻两次读数差与该级压力的初始读数和上 一级压力的最后读数之差的比值小于5%
一、千斤顶法（承压板法）
基本原理
该法就是通过刚性或柔性承压板将 荷载加在无限空间的岩面上，测量 岩体变形，并把岩体视为均质、连 续、各向同性的理想弹性体按半 无限弹性体表面受局部荷载的布西 涅斯克(Boussniesg)解，根据所采用 的承压板的刚度和形状求解岩体的 变形模量等。
试验装置
1）承压板 2）加压装置 3）反力装置 4）量测装置
水压法是在岩体内开挖一个试洞，形成一个封闭 的空间，用高压水泵将水压入其中，向试洞围岩 表面施加均匀的水压力，使岩体发生变形，可根 据压力与变形的关系，求出岩体的变形参数
膨胀计
Em
dp (1 U
m)
E m — 变形模量
d — 钻孔直径
U — 径向位移
p — 压力（加静水压力）
第二节 岩体强度测试
5）试件顶面和剪力面务必要与反力面平行 6）试件尺寸宜选用2500~10000cm2，最小边长应大
于50cm，试件高度应大于最小边长的一半 7）试件间距要大于最小边长 8）制备好试件后，不要放置太长时间 9）位移观测要求
试验要求
最大垂直荷载为工程设计最大应力的1.2倍 每组试验试件的数量不少于5个 法向荷载一次施加完毕，加荷后立即读数，以后
4. 试点表面应垂直预定的受力方向 5. 承压板的边缘距洞侧壁应大于承压板直径D的1.5倍，至洞
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钻孔变形法试验报告
实验原理：
孔号
孔深h/ m
钻孔直 加压等 时间t/ 压力读数w/ 相邻读数差 径向应变U/
径d/ 级 min
Mpa
值∆w/
mm
mm
Mpa
应力与应变曲线
钻孔变形法测试岩体 变形参数
主要内容
1 实验原理 2 实验设备及实验前准备工作 3 实验步骤及现象 4 实验数的处理 5 钻孔变形法的发展状况
前言
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。 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 弹性波在岩体的传播速度，然后通过一定的关系式求岩体的变形参 数。根据弹性波的激发方式不同，又分为声波法和地震法。
公式：
U dp(1 )
E0
d-----钻孔直径（cm）； p-----压力（Mpa）； E0--------岩岩石石泊弹松性比（。变形）模量（Mpa）；
实验原理简图
二、实验设备及实验前准备工作
2.1 实验设备
a. 旋转式钻机一台，包括起吊设备、足够长度的钻杆及金 刚石钻头、扫孔器及花杆等。
b.水泵1～2台，离心式或往复式，最高扬程应相当于试验 最高压力水头的1.3 ～1.5倍。
d.每一循环过程中，一般卸压至初始压力。最后一次循环在卸压至 初始压力后，应进行稳定值读数，然后将压力卸至零并保持一段时 间，再移动探头。
e.试验结束后，应取出探头，对橡皮囊上的压痕进行描述，以确定 孔壁岩块掉落与开裂现象和方向。
f.试验过程中，如压力突然下降，应及时取出探头，检查橡皮囊是 否破裂，若已破裂需要更换后再进行试验。
四、数据处理
4.1 数据处理及其原则 4.1.1 原始数据处理
检查、核对原始数据去掉不合理且原因不明的数据。 在岩体的实际变形过程中，弹性变形与塑性变形是同时发生的， 不易区分出弹性变形。如果认为回弹曲线不包括塑性变形，利用回 弹曲线计算弹性模量不失为一种方法。而实际上对于裂隙节理较发 育的岩体，在低压时都会伴随有一定程度的裂隙闭合与张开。同时 径向的全变形包括了初始加压段中由于岩体裂隙的闭合造成的变形， 这部分变形在计算变形模量中要予以去除。
b.将组装后的测量探头放入孔内预定深度，经定向后立即施加 0.5Mpa的压力，探头即自行固定，读取初始读数。
c.加压。
①将最大的试验压力分为7～10级，并分级施加压力。加压方式一 般采用逐级一次循环法或大循环法（当岩体中天然应力较高时，宜 用大循环法）。 ②加压后立即读数，以后每隔3～5min读数一次，当相邻两次读数 差 与同级压力下第一次读数与前一级压力下最后一次读数 之比 <5%时，可认为变形稳定，然后卸压。 ③大循环法两相邻循环的读数差与第一次循环的变形读数之比小于 5%，可认为变形稳定，可卸压，但大循环次数应不少于3次。 ④卸压后的读数要求和稳定标准与加压时相同。
钻孔柱状图
五、钻孔变形法的发展状况
岩体弹性模量是水利水电等大型工程建设中非常重要的岩 体参数，而钻孔弹模测试是获取岩体变形参数的重要方法之 一 。钻孔变形法在工程地质勘察、地基处理监测、岩体承 载力测试等领域有广泛的应用。同时，钻孔变形法还可以结 合声发射法、数字成像技术等方法，在工程测试中进行应用。
一、实验原理
钻孔变形法是通过放入岩体钻孔中的弹模仪或膨 胀计，施加径向压力于钻孔孔壁，量测孔壁在压力作 用下的变形量(U)，根据岩体压力与变形关系曲线求出 岩体的弹性模量、变形模量及各向异性参数等。
根据弹性力学理想弹塑性力学平面应变问题，该 实验可简化成厚壁圆筒模型，本试验主要测定岩体变 形参数是弹性模量E或变形模量E0、泊松比。
4.1.2 数据处理的原则
在进行数据处理时有两种方法：一种为采用压力变形曲线 低压段计算变形模量，高压段计算弹性模量；另一种方法为利 用整个加压段计算变形模量，利用整个回弹曲线计算弹性模量， 必要时可以分级计算。一般建议结合工程情况采用后一种计算 方法。必要时可按实际工程荷载考虑。
4.2 绘制应力与应变曲线
c. 压缩空气瓶或油泵、油管、电缆、主机。 d. 钻孔弹模仪或钻孔膨胀计。
钻孔弹模仪
岩石钻孔膨胀计
GY型钻孔弹模仪
2.2 实验前准备工作
2.2.1 试验孔施工
孔径须略大于膨胀计或弹模仪直径，且孔壁光滑 平直。在受压范围内，言行不应有突变或大的构造 不连续，4d范围内的岩性应相同；加压段边缘距孔 口不小于1倍加压段长，距孔底不小于0.5倍加压段长， 两试点之间不小于1倍加压段长。
2.2.2 地质描述
a.钻孔描述； b.岩石名称、构造、主要成分及风化程度； c.钻孔岩心RQD值、地下水及岩层透水性； d.岩体结构面类型、产状、性质、隙缝及充填物性质等； e.钻孔平面布置及柱状图。
三、实验步骤及现象
3.1 实验步骤及现象 a.准备工作。 ①向钻孔内注水至孔口，将扫孔器放入孔内进行扫孔，直至上 下连续三次收集不到岩块、岩粉为止。 ②按弹模仪或膨胀计使用要求，进行探头直径标定。