CN112485112B - 软弱和碎裂状岩体原状样变形参数测量及计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了软弱和碎裂状岩体原状样变形参数测量及计算方法，包括以下步骤：S1、进行现场原状取样；S2、钢筒粘贴应变片；S3、将原状试样放入内钢筒，采用环氧树脂砂浆将内钢筒和外钢筒缝隙充填饱满；S4、进行原状试样被动三轴压缩试验，采集轴向压力和变形数据，以及对应时刻各应变片应变值；S5、试验数据初步处理；S6、根据试验数据计算得到原状碎裂岩变形参数。本发明利用原状软碎岩体室内被动三轴试验获得软碎岩体的变形特征数据，通过被动三轴压缩变形计算理论获得软碎岩体的变形参数，为水工隧洞等地下工程围岩支护设计提供准确的变形参数，实现围岩支护措施的安全可靠和经济性目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种软弱和碎裂状岩体原状样变形参数测量及计算方法。
背景技术
软碎岩体在工程中大量遇到，对于隧道及地下工程建设，工程岩体变形参数值的确定及其合理性，对于洞室衬砌设计的技术可靠性和经济性至关重要。然而，由于软碎岩体取样困难，很难实现真实的软碎岩体变形特性试验及获取准确的变形参数。目前，工程中获取软弱和碎裂岩体变形参数和相应试验方法包括：(1)对构成岩体的岩块取样并制取标准试样进行室内常规压缩试验或者点荷载试验，获取岩块的变形参数；同时对主要结构面的物理力学性能进行室内测试，获取结构面的物理力学指标；最后，综合岩块和结构面物理力学性能，根据实际工程岩体的结构类型和经验综合确定软弱岩体或碎裂状岩体的变形参数，用于设计和指导施工。(2)采用现场载荷试样，在现场制取试样和加工相应的反力装置进行现场压缩试验，基于试验荷载-变形曲线分析获得合理的变形参数。(3)对于崩坡积碎石变形参数的确定，常用在现场取得扰动碎石，室内制样进行碎石三轴试验，确定其变形参数和强度参数，用于设计和指导施工，即碎石(土)扰动样取样法。
然而，以上这些方法都存在不同的缺陷：
(1)综合岩块和结构面试验的方法是将原本天然的岩体结构人为拆分为完整岩块和结构面两者的简单组合，无法充分考虑复杂结构面对岩体宏观变形特性的影响，并且对于岩体中发育的大量短小裂隙无法考虑在内，造成变形参数计算结果与实际岩体变形特性差异较大；
(2)现场载荷试验通常只能在工程勘察阶段开展，并且现场试验工作量和费用巨大、耗时长，根据现行规范，仅能对部分重要工程开展极少部分的现场载荷试验，获得的试验成果代表性较差；
(3)现场采集扰动碎石在室内制样后开展三轴压缩试验，其优点是操作相对简单，可以重复开展多组试验，但是由于取样和制样的强扰动，造成试验成果与实际岩体力学性能的差异较大，对实际工程的指导意义较差。
为此，有必要针对工程中常见的软弱和结构碎裂化的岩体，提出一种原状试样变形特征的室内试验方法及其相应的变形参数计算方法，以解决工程中无法获得软碎岩体准确变形参数的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用原状软碎岩体室内被动三轴试验获得软碎岩体的变形特征数据，通过被动三轴压缩变形计算理论获得软碎岩体的变形参数，为水工隧洞等地下工程围岩支护设计提供准确的变形参数，实现围岩支护措施的安全可靠和经济性目的软弱和碎裂状岩体原状样变形参数计算方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：软弱和碎裂状岩体原状样变形参数测量及计算方法，包括以下步骤：
S1、进行现场原状取样：选择内径150mm、外径159mm、壁厚4.5mm、高320mm的无缝钢管作为内钢筒；内钢筒一端刃脚为0.5mm～1.0mm，刃脚面与钢管母线夹角为45～60度，另一端平切，进行现场原状取样操作，并密封保水、避震运回实验室；
S2、钢筒粘贴应变片：选择内径187mm、外径219mm、壁厚16mm、高320mm的无缝钢管作为外钢筒；在外钢筒和内钢筒外表面中间位置按照试验规范的45°斜向打磨并抛光，然后对称黏贴4组“L”型直角应变花；每组“L”型直角应变花分别包括竖直方向和环向的两个应变片，对每一个应变片涂AB胶覆盖；
S3、将原状试样放入内钢筒，采用环氧树脂砂浆将内钢筒和外钢筒缝隙充填饱满；
S4、进行原状试样被动三轴压缩试验：压力机台座上从下到上依次放置：①直径149mm、高100mm圆柱体钢质传力轴；②步骤S3得到的原状碎裂岩试样；③直径149mm、高100mm的圆柱体钢质传力轴；将内外钢筒应变片的导线引出，分别与应变采集箱连接；调节压力机压头，使之与原状碎裂岩试样上方的传力轴压紧；采用轴向加载方式，加载速率为0.5MPa/s，加载过程中通过计算机自动采集轴向压力和变形数据，以及对应时刻各应变片应变值，直至轴向荷载-变形曲线达到峰值，停止加载、结束数据采集；
S5、试验数据初步处理，计算轴向应力和轴向应变，并分别计算外钢筒和内钢筒竖直方向和环向应变片采集的应变数据的平均值；包括以下子步骤：
S51、将采集的轴向荷载和变形数据，通过试样直径和高度，换算为轴向应力σ和轴向应变εa：
式中，F为轴向压力；a2为内钢筒内半径，即原状碎裂岩试样半径；Δl为加载过程中岩样压缩变形量；l1为岩样半高度；
S52、记外钢筒竖直方向应变片同一时刻采集到的应变数据分别为ε1-1、ε1-2、ε1-3和ε1-4，其平均值记为ε⊥1；外钢筒环向应变片同一时刻采集的应变数据分别为ε1-5、ε1-6、ε1-7和ε1-8，其均值记为εθ1；内钢筒竖直方向应变片同一时刻采集到的应变数据分别为ε2-1、ε2-2、ε2-3和ε2-4，其均值记为ε⊥2；内钢筒环向应变片同一时刻采集的应变数据分别为ε2-5、ε2-6、ε2-7和ε2-8，其均值为εθ2；
S6、根据试验数据计算得到原状碎裂岩变形参数；包括以下子步骤：
S61、分别求外钢筒内壁应力q1和内钢筒外壁应力q2
其中，
a1、b1分别为外钢筒的内半径和外半径，b2为内钢筒的外半径，E1为外钢筒弹性模量，μ1为外钢筒泊松比；
S62、求内钢筒内壁应力q3
其中，
E2为内钢筒弹性模量，μ2为内钢筒泊松比；
S63、求碎裂岩试样泊松比μr
其中：
S64、计算碎裂岩试样压缩模量Es
x为以试样底部中心为原点竖直向上坐标。
进一步地，所述步骤S3中，环氧树脂砂浆由环氧树脂：固化剂：水泥＝3：1：16配合搅拌而成。
本发明的有益效果是：本发明针对软碎岩体变形特征试验和变形参数获取的问题，利用原状软碎岩体室内被动三轴试验获得软碎岩体的变形特征数据，通过被动三轴压缩变形计算理论获得软碎岩体的变形参数，为交通隧道、水工隧洞等地下工程围岩支护设计提供准确的变形参数，实现围岩支护措施的安全可靠和经济性目的。
附图说明
图1为内钢筒模型图；
图2为外钢筒模型图；
图3为本发明的软弱和碎裂状岩体原状样变形参数计算方法的模型图；
图4为本发明的原状岩泊松比计算模型图。
具体实施方式
本发明是针对目前就软弱岩体和碎裂状岩体(以下统称软碎岩体)不能对原状样进行试验获取其变形参数，而是根据扰动样试验或经验确定软碎岩体变形参数用于设计，造成较大技术误差，并且花费较多费用和时间问题，设计了一种被动三轴压缩试验及其变形参数计算方法。本发明通过原状碎裂岩体试样被动三轴试验得到岩体变形特征，并利用弹性理论计算原状软碎岩体的变形模量和泊松比。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
软弱和碎裂状岩体原状样变形参数测量及计算方法，包括以下步骤：
S1、进行现场原状取样：选择内径150mm、外径159mm、壁厚4.5mm、高320mm的无缝钢管作为内钢筒，如图1所示；内钢筒一端刃脚为0.5mm～1.0mm，刃脚面与钢管母线夹角为45～60度，另一端平切，进行现场原状取样操作(用内钢筒在现场打入岩石中取样)，并密封保水、避震运回实验室；
S2、钢筒粘贴应变片：选择内径187mm、外径219mm、壁厚16mm、高320mm的无缝钢管作为外钢筒，如图2所示；在外钢筒和内钢筒外表面中间位置按照试验规范的45°斜向打磨并抛光，然后对称黏贴4组“L”型直角应变花；每组“L”型直角应变花分别包括竖直方向和环向的两个应变片，内外钢筒总共8组直角应变花(16个应变片)；对每一个应变片涂AB胶覆盖，防止试验过程中应变片提前损坏，保护应变片。
S3、将原状试样放入内钢筒，采用环氧树脂砂浆将内钢筒和外钢筒缝隙充填饱满(缝隙宽度为14mm)充填饱满，如图3所示；环氧树脂砂浆由环氧树脂：固化剂：水泥＝3：1：16配合搅拌而成。静置5天，环氧树脂砂浆固化达到设计强度。
S4、进行原状试样被动三轴压缩试验：压力机台座上从下到上依次放置：①直径149mm、高100mm圆柱体钢质传力轴；②步骤S3得到的原状碎裂岩试样；③直径149mm、高100mm的圆柱体钢质传力轴；将内外钢筒应变片的导线引出，分别与应变采集箱连接；调节压力机压头，使之与原状碎裂岩试样上方的传力轴压紧；采用轴向加载方式，加载速率为0.5MPa/s，加载过程中通过计算机自动采集轴向压力和变形数据，以及对应时刻各应变片应变值，直至轴向荷载-变形曲线达到峰值，停止加载、结束数据采集，完成数据测量；
S5、试验数据初步处理，计算轴向应力和轴向应变，并分别计算外钢筒和内钢筒竖直方向和环向应变片采集的应变数据的平均值；
包括以下子步骤：
S51、将采集的轴向荷载和变形数据，通过试样直径和高度，换算为轴向应力σ和轴向应变εa：
式中，F为轴向压力(kN)；a2为内钢筒内半径，即原状碎裂岩试样半径；Δl为加载过程中岩样压缩变形量；l1为岩样半高度；
S52、记外钢筒竖直方向应变片同一时刻采集到的应变数据分别为ε1-1、ε1-2、ε1-3和ε1-4，其平均值记为ε⊥1；外钢筒环向应变片同一时刻采集的应变数据分别为ε1-5、ε1-6、ε1-7和ε1-8，其均值记为εθ1；内钢筒竖直方向应变片同一时刻采集到的应变数据分别为ε2-1、ε2-2、ε2-3和ε2-4，其均值记为ε⊥2；内钢筒环向应变片同一时刻采集的应变数据分别为ε2-5、ε2-6、ε2-7和ε2-8，其均值为εθ2；
S6、根据试验数据计算得到原状碎裂岩变形参数；包括以下子步骤：
S61、分别求外钢筒内壁应力q1和内钢筒外壁应力q2
其中，
a1、b1分别为外钢筒的内半径和外半径，b2为内钢筒的外半径，E1为外钢筒弹性模量，μ1为外钢筒泊松比；
S62、求内钢筒内壁应力q3
其中，
E2为内钢筒弹性模量，μ2为内钢筒泊松比；
q3在数值上等于轴向加载过程岩样的侧向压力，及原状碎裂岩试样加载过程中实时围岩。
S63、求碎裂岩试样泊松比μr
其中：
S64、计算碎裂岩试样压缩模量Es
x为以试样底部中心为原点竖直向上坐标；2l1为碎裂岩试样原长(mm)；△l为轴向荷载作用下试样压缩变形量(mm)。
测试实例：利用原状软碎岩取样装置在四川西部某水电站工程地下洞室内取得原状软碎岩试样，并在室内制得被动三轴压缩试验试样，具体参数包括：外钢筒a1＝93.5mm，b1＝109.5mm；内钢筒a2＝78mm，b2＝80mm；试样高度2l1＝361mm；内钢筒和外钢筒为相同的钢材E1＝E2＝200GPa，μ1＝μ2＝0.33。在室内完成被动三轴压缩试验，并计算不同被动围压值q3下碎裂岩的变形模量和泊松比。
(1)按照上述实现发明目的步骤完成原状碎裂岩试样被动三轴压缩试验，或者轴向荷载F、轴向变形Δl以及内外钢筒径向和轴向应变片采集的应变数据；
(2)根据式(1)和式(2)计算各级轴向应力σ和对应的轴向应变εa；
(3)根据式(3)～(6)计算外钢筒环向应变εθ1，内钢筒环向应变εθ2，内钢筒环向应变ε⊥2；
得到的计算结果如表一所示，表中轴向应力σ以压应力为正值，拉应力为负值；应变以拉应变为正值，压应变为负值。
表一
| 加载级数 | σ/MPa | ε<sub>a</sub>/10<sup>-3</sup> | ε<sub>θ2</sub>/με | ε<sub>θ1</sub>/με | ε<sub>⊥2</sub>/με |
| 1级 | 4.68 | 11.36 | 52.25 | 17.40 | -13.5 |
| 2级 | 23.41 | 3.43 | 254.00 | 14.90 | -1248 |
| 3级 | 28.08 | 2.42 | 191.75 | 49.90 | -159 |
| 4级 | 32.76 | 5.13 | 293.50 | 38.60 | -264 |
| 5级 | 37.44 | 3.58 | 776.25 | 72.40 | -648 |
(4)将内外钢筒尺寸、材料参数和上述计算得到的应力和应变值依次代入式(7)～(12)可以计算得到不同轴向加载压力下对应的环向被动围压q3及其对应的弹性模量Es和泊松比μ。得到的计算结果如表二所示。
表二
| 加载级数 | σ/MPa | q<sub>3</sub>/MPa | μ | Es/MPa |
| 1级 | 4.68 | 1.16 | 0.19 | 448.88 |
| 2级 | 23.41 | 2.21 | 0.14 | 4023.31 |
| 3级 | 28.08 | 3.58 | 0.11 | 12314.93 |
| 4级 | 32.76 | 3.62 | 0.10 | 6625.02 |
| 5级 | 37.44 | 8.10 | 0.19 | 9892.11 |
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.软弱和碎裂状岩体原状样变形参数测量及计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、进行现场原状取样：选择内径150mm、外径159mm、壁厚4.5mm、高320mm的无缝钢管作为内钢筒；内钢筒一端刃脚为0.5mm～1.0mm，刃脚面与钢管母线夹角为45～60度，另一端平切，进行现场原状取样操作，并密封保水、避震运回实验室；
S2、钢筒粘贴应变片：选择内径187mm、外径219mm、壁厚16mm、高320mm的无缝钢管作为外钢筒；在外钢筒和内钢筒外表面中间位置按照试验规范的45°斜向打磨并抛光，然后对称黏贴4组“L”型直角应变花；每组“L”型直角应变花分别包括竖直方向和环向的两个应变片，对每一个应变片涂AB胶覆盖；
S3、将原状试样放入内钢筒，采用环氧树脂砂浆将内钢筒和外钢筒缝隙充填饱满；
S4、进行原状试样被动三轴压缩试验：压力机台座上从下到上依次放置：①直径149mm、高100mm圆柱体钢质传力轴；②步骤S3得到的原状碎裂岩试样；③直径149mm、高100mm的圆柱体钢质传力轴；将内外钢筒应变片的导线引出，分别与应变采集箱连接；调节压力机压头，使之与原状碎裂岩试样上方的传力轴压紧；采用轴向加载方式，加载速率为0.5MPa/s，加载过程中通过计算机自动采集轴向压力和变形数据，以及对应时刻各应变片应变值，直至轴向荷载-变形曲线达到峰值，停止加载、结束数据采集；
S5、试验数据初步处理，计算轴向应力和轴向应变，并分别计算外钢筒和内钢筒竖直方向和环向应变片采集的应变数据的平均值；包括以下子步骤：
S51、将采集的轴向荷载和变形数据，通过试样直径和高度，换算为轴向应力σ和轴向应变εa：
式中，F为轴向压力；a2为内钢筒内半径，即原状碎裂岩试样半径；Δl为加载过程中岩样压缩变形量；l1为岩样半高度；
S52、记外钢筒竖直方向应变片同一时刻采集到的应变数据分别为ε1-1、ε1-2、ε1-3和ε1-4，其平均值记为ε⊥1；外钢筒环向应变片同一时刻采集的应变数据分别为ε1-5、ε1-6、ε1-7和ε1-8，其均值记为εθ1；内钢筒竖直方向应变片同一时刻采集到的应变数据分别为ε2-1、ε2-2、ε2-3和ε2-4，其均值记为ε⊥2；内钢筒环向应变片同一时刻采集的应变数据分别为ε2-5、ε2-6、ε2-7和ε2-8，其均值为εθ2；
S6、根据试验数据计算得到原状碎裂岩变形参数；包括以下子步骤：
S61、分别求外钢筒内壁应力q1和内钢筒外壁应力q2
其中，
a1、b1分别为外钢筒的内半径和外半径，b2为内钢筒的外半径，E1为外钢筒弹性模量，μ1为外钢筒泊松比；
S62、求内钢筒内壁应力q3
其中，
E2为内钢筒弹性模量，μ2为内钢筒泊松比；
S63、求碎裂岩试样泊松比μr
其中：
S64、计算碎裂岩试样压缩模量Es
x为以试样底部中心为原点竖直向上坐标。
2.根据权利要求1所述的软弱和碎裂状岩体原状样变形参数测量及计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，环氧树脂砂浆由环氧树脂：固化剂：水泥＝3：1：16配合搅拌而成。
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