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1、第六节第六节 岩体力学性能的现场测试岩体力学性能的现场测试 由于室内的岩样存在体积小、脱离岩体的地质力学性能的全貌等缺点，因而不能充分反映岩体的力学性能。而岩体的野外现场测试就较为全面的反映岩体力学性能的全貌，这是室内试验所不及的。本节我们讨论岩体的变形性能和强度特性的现场试验。一、岩体的变形试验一、岩体的变形试验 岩体的变形试验有静力法静力法和动力法动力法两种。静力法静力法是指岩体现场变形试验时以静力荷载进行加载。动力法动力法是指施加于岩体上的荷载为动力荷载。动力法的现场测定在第三章已介绍，这里介绍静力法求现场岩体的变形模量。常用的静力法有千斤顶法荷载试验（或称平板荷载法）、径向荷载试验（如
2、双筒法）和水压水压法法。通常求算岩体的弹性模量 及变形模量 用千斤顶法，求岩石的弹性抗力系数采用双筒法。1.1.定义：定义：用千斤顶加荷于垫板上，使荷载传到岩体中，也称千斤顶法。2.2.设备装置的主要组成设备装置的主要组成（图432)：（1）垫板（承压板);一般为方形或圆形，面积为0.25-1.20mm2、材料弹性也可为刚性。（2）加荷装置（千斤顶或压力枕）;加荷为 500kN-3000kN，加荷方法有小循环和大循环两种。小循环分为多次循环和单次循环,见图4-33。多次小循环加载比相同荷载下常规加载岩体产生的总变形大(蠕变现象)（3）传力装置（传力支柱、传力柱垫板）;（4）变形量测装置（测微计
3、）;（一）千斤顶法荷载试验（一）千斤顶法荷载试验顶、底顶、底板加载板加载边墙边墙加载加载图4-33 岩体现场变形试验加荷过 程示意图3.3.测试测试岩体的变形可在垫板下面测定，也可在通过垫板 中心的轴线上距垫板一定距离处量测单次小循环大循环多次小循环P-P-压力压力T-T-时间时间4.4.算式算式 (测出压力和位移，由下列公式计算岩体的变形模量E)把岩体看作一个弹性半无限空间，用布辛涅斯克方程求得岩体表面的垂直向位移。(1)(1)垫板为柔性垫板垫板为柔性垫板(3种位移)a.a.岩体表面上垫板的中点处垂直位移（4-80）式中：p-荷载;r-垫板的半径;-岩体的泊松比;E岩体的弹性模量b.b.垫板
4、的平均位移垫板的平均位移（481）式中，A-受荷表面的面积；m-系数它取决于垫板的形状、刚度以及荷载分布等情况，其m值可见表45c.c.带孔柔性垫板带孔柔性垫板(中心有孔的压力枕)中心点中心点的垂直的垂直位移位移（483)注：注：在圆形板下不同荷载类型时，其相应的m值可见表46（2 2）垫板为刚性垫板时）垫板为刚性垫板时（482）式中：a和b为垫板的边长（二）径向荷载试验（二）径向荷载试验（求抗力系数（求抗力系数K K和弹模和弹模E E）要点：要点：在岩体中开挖一个圆筒形洞室，然后在这个洞室的某一段长度上施加垂直于岩体表面的均匀压力。水施加压力的为水压法；用压力枕施加压的为压力枕法(又称奥地利
5、荷载试验)图4-35所示试验是靠一钢支承圆筒的四周的压力枕同步对岩体施加荷载，造成洞中一定长度内的岩体产生径向压缩，岩体变形控制在弹性阶段。变形模量变形模量可按弹性厚壁圆筒理论（图436）求得：式中 -半径为 岩体内的径向位移 AA-AA推算弹性抗力系数推算弹性抗力系数K K定义：洞室表面产生单位位移的应力利用弹性厚壁圆筒理论推出：注：K随洞的半径的大小而变化，一般，半径越大K值越小。K愈大岩体弹性抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。既（三）狭缝压力枕荷载试验（三）狭缝压力枕荷载试验(2(2种种)方法方法1 1要点：要点：将岩体切割成槽，把压力枕埋于槽内，并用水泥砂浆浇注，使压力枕的两个面皆能很好地
6、与槽的两侧岩面接触（图4-37）。变形模量为变形模量为式中：p-压力枕给岩面的总荷载；A-圆形加载面的半径；Vs-岩面的平均位移方法方法2 2要点：要点：在垂直岩壁上刻槽布置，图438。则岩体的变形模量E可按布辛涅斯克的弹性理论求得。当实测位移已知时，变形模量变形模量为：式中：p-压力枕施加的单位压力（MPa）直槽宽度（近似用压力枕的宽度代替）(cm)y-x轴到测点的距(cm）-测点的位移（cm）1.要点：要点：可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小而采用不同的加荷方法。双千斤顶试验中，一组试验不少于五块试件。二、现场岩体直剪试验二、现场岩体直剪试验(2种)（一）双千斤顶法（一）双千斤顶法 p
7、垂直千斤顶压力表读数（MPa）t 横向千斤顶压力表读数（MPa）F1垂直千斤顶活塞面积(若为压力枕，应乘以出力系数)（cm2）2.2.在不同在不同p p力作用下剪切力作用下剪切面上的正应力和剪应力面上的正应力和剪应力F2-横向千斤顶活塞面积(若为压力枕，应乘以 出力系数)（cm2）F-试件剪切面面积（cm2）横向推力与剪切面的夹角（通常取150)式中：注1 当剪切面上存在裂隙、节理等滑面时，抗剪面积将分为剪断破坏和滑动破坏两部分，而把剪断破坏当作有效抗剪面积Fa，滑动破坏时的滑动面积为Fb。3.绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应 力强度曲线力强度曲线有效抗
8、剪面积正压力仍由全部面积承担总面积：（二）单千斤顶法1 1、要点：、要点：单千斤顶法是现场无法施加垂直应力的情况下采用的。在山坡上或平洞内的预定剪切面上挖成各种主应力方向与固定剪切面成不同倾角的试件（通常剪切面倾角为150-350）注注2 2 施加于试件剪切面上的压力应该包括千斤顶施加的荷重、设备和试件的重量。注注3 3 在计算剪应力时，应扣除由于垂直压力而产生的滚轴滚动摩擦力。注注4 4 如果剪切面为倾斜面时，上述破坏面上的正、剪应力的计算公式还应根据倾角的大小进行修正。2.2.破坏面上的正、剪应力计算破坏面上的正、剪应力计算(如图442)而故故3.3.绘制岩体正绘制岩体正-剪应力强度曲线剪
9、应力强度曲线三、现场三轴强度试验三、现场三轴强度试验 在一个随机性节理的岩体中，破坏面位置的预定是有困难的，用三轴试验可以量测岩体的抗剪强度和破坏面的位置及形态，这时，破坏面会沿最弱的面破坏。1.1.试件试件 矩形块体，在试洞底板或洞壁的试验位置上，经过仔细凿刻和整平而成的，此矩形试件三边脱离原地岩体，而仅一边与岩体相连。目前，试件的大小可达2.80m1.40m2.80m,试件的基底与岩体相连的面积为2.80m1.40m.（图443）2.2.加载与测试加载与测试 试件准备好后，把压力枕埋置在刻槽内，以便施加2和3，而1是通过垂直千斤顶或压力枕施加的。在试验中量测和记录试件的位移。3.绘制岩体试
10、验应力圆包络线、强度曲线和岩体特征曲线从而测定应力位移关系曲线。确定应力的比例极限、从而测定应力位移关系曲线。确定应力的比例极限、屈服极限和破坏极限。屈服极限和破坏极限。关于不同应力状态下，现场三轴试验成果的关于不同应力状态下，现场三轴试验成果的计算分述如下：计算分述如下：1.1.三轴应力在三轴应力在 状态下应力状态下应力满足满足：上式中，上式中，L,M,NL,M,N分别是某平面的法向方向余弦。令分别是某平面的法向方向余弦。令 L,M,NL,M,N0 0，则在，则在 平面坐标内表示为三个应力圆（图平面坐标内表示为三个应力圆（图4 44444）。）。2.2.三轴应力在三轴应力在 状态下应力满足：状态下应力满足：(图图4 445)45)上式在上式在 平面坐标内表示为一个应力圆。平面坐标内表示为一个应力圆。3.3.三轴应力在三轴应力在 状态下应力满足：状态下应力满足：返回返回