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隧道圍巖彈性模量測試方法

發布時間：2024-04-30 瀏覽次數：24010 來源：歐美大地

在一般隧道襯砌結構設計過程中，設計人員通常采用經驗參數或理論公式計算圍巖彈性抗力系數，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較為復雜，其可能處于彈性狀態，也可能處于塑性狀態甚至產生張開裂隙，并不能完全符合公式的彈性假設。采用經驗或理論公式得到的圍巖彈性抗力系數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，由于環境條件惡劣，規范規定的水壓法或徑向液枕壓法測巖體彈性抗力系數試驗難度大、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，國內外眾多研究學者采用本構模型反分析或室內試驗，已取得較豐富的研究成果。
國內外關于確定圍巖彈性抗力系數的方式多基于理論推導和室內試驗，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的研究甚少，尤其是復雜巖體，目前缺乏可參考的工程經驗，且規范對于軟巖彈性抗力系數的取值規定過于寬泛，因此在實際工程中很難根據規范規定取值。
因此，對于軟巖彈性抗力系數的測試非常重要，而且在現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多個測段內進行，測試數據多，代表性強。如果將工程區按巖石分級劃分不同區域，在每個區域多個測段測試，則可用數理統計或加權平均法評估工程區巖體的整體變形和彈性模量。

GY型孔內彈模測定器可以在鉆孔中測定固體介質的變形或彈性模量，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，其測定值必須經過修正，才能得到真實的彈模值。修正系數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、各向同性）進行室內試驗，其彈模值和用GY-75在孔內的測定值很接近，誤差僅為百分之五。

GY型孔內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。

試驗期間孔壁必須穩定，當在地表垂直孔內試驗時，孔口應采用大一號的（φ90，110，130）套管護壁。
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型孔內彈模測定器試驗步驟

根據試驗要求及鉆孔柱狀圖，選定測試區段及方向。
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。
向低壓油路注油確信彈模計處于“閉合”狀態，并松開低壓油路閥門。
荷重傳感器（L1、L2）讀數分別調零，位移傳感器（D1、D2）不必調零。
將彈模計小心送入測試部位及預定的方向。
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。L1、L2讀數應接近零讀數，根據D1、D2讀數可算出鉆孔直徑。當鉆孔直徑大于標準孔徑4mm時，取出并換用厚承壓板。
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。建議采用多次大循環加載法，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加卸載法。對絕大部分巖石，加至40-50MPa已足夠。
逐級卸載，卸零后，向低壓油路注油（高壓油路松開），當D1、D2基本回到初讀數時，鉆孔彈模計已回到“閉合”狀態。
將鉆孔彈模計移至另一測試部位，繼續(6)、(7)、(8)三步試驗。

GY型孔內彈模測定器資料分析

根據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)
T*（γ、β）(與彈模計泊桑比及接觸角有關的系數)
被測介質的彈性模量愈高時，承壓塊與孔壁達到全接觸狀態時的壓力值也較高，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，所測結果不必進行修正。
試驗嚴格按照《水電水利工程巖石試驗規程》(DL/T 5368—2007)的有關要要求執行，本次測試孔徑約76~79mm，在鉆孔0~10m 范圍內不同深度進行試驗。
該試驗在炭質板巖典型圍巖隧洞開挖后6個月開展現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板巖層面加壓，試驗采用逐級一次循環法加載。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法加載法。
二次試驗過程中分別開展天然狀態和浸水飽和狀態下的鉆孔彈模試驗，天然狀態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板巖飽和，然后開展浸水飽和狀態下的鉆孔彈模試驗。

炭質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,平行層面天然狀態與飽和狀態下炭質板巖變形模量在8m深度范圍內隨深度變化均較小,表明研究區淺部炭質板巖平行層面變形模量受深度影響較小。天然狀態下炭質板巖平行層面變形模量介于97.2~121.4MPa之間,飽和狀態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/

/平行層面不同狀態下不同深度變形模量分布/

/垂直層面不同狀態下不同深度變形模量分布/

從圖上可以看出，垂直層面天然狀態與飽和狀態下炭質板巖變形模量,在8m深度范圍內隨深度變化均較小,表明研究區炭質板巖垂直層面變形模量受深度影響較小。天然狀態下炭質板巖垂直層面變形模量介于129.7~151.5MPa之間,飽和狀態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，閘室區有小斷層77條。
船閘為雙線五級，總長6442m，主體結構長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，將彈模測試結果與波速測試結果進行了對比，相關性非常好，驗證了兩種方法都是可靠的。