CN101949288A - 钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法，可有效解决试验费用高、试验周期长、效率低，特别是克服试样样品制备时对石匠的依赖问题，方法是，首先采用爆破方法在山体开挖试验平洞，然后在试验平洞底板上用钻机向下钻两个孔，一个孔为剪切孔，另一个孔为试件孔，两个孔中心在一条直线上，直线方向与工程受力方向一致，试件孔为试验样品钻孔，保留岩芯在孔中，剪切孔取出岩芯作为安装剪向试验设备用，然后将两孔中间部分岩体切割联通，钻孔深度根据剪切面位置确定，钻孔制件完成后，在试样上安装钢保护套，在完成上述工作后分别安装法向与剪向加载设备，本发明方法简单、操作方便、费用低、省工省时、效率高，是现场岩体强度直剪试验上的创新。

Description

钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法

一、技术领域

本发明涉及科学试验，特别是一种钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法。

二、背景技术

在岩土工程设计与施工中，一般都需要进行测定岩体或其结构面的抗剪强度，根据剪向应力τ与法向应力σ关系曲线，按照库伦表达式计算确定岩体抗剪强度参数摩擦系数f与粘聚力C。钻孔式岩体试样制备与直剪测试系统是参照《水利水电工程岩石试验规程》(SL264-2001)中岩体强度直剪试验进行设计，其试验的方法、边界条件要求以及计算公式均满足要求。在各法向荷载作用下的法向应力σ和剪向应力τ计算，以及摩擦系数f与粘聚力C计算见下式：

$\mathrm{\σ}=\frac{P}{A}$

$\mathrm{\τ}=\frac{Q}{A}$

$f=\frac{n\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{\mathrm{\τ}}_i-\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_i}{n\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i^2-{\left(\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}$

$C=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i^2\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_i-\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{\mathrm{\τ}}_i}{n\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i^2-{\left(\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}$

式中P-作用于剪切面上的总法向荷载，N；

Q-作用于剪切面上的总剪向荷载，N；

A-剪切面的面积，mm²；

f-摩擦系数；

C-粘聚力，MPa；

σ_i-法向应力值，i＝1，2，…，n；

τ_i-与σ_i对应的剪应力值，i＝1，2，…，n；

n-测定总次数。

目前国内开展上述试验，其试验样品制备基本上都是靠人工(石匠)在试验洞底板向下开凿岩体，一般制备成长、宽、高分别为50cm×50cm×30cm或为70cm×70cm×45cm试验样品(一组试验不宜少于5个样品)，以及在洞壁与洞顶开凿剪向与法向反力后座，然后对试验样品浇筑钢筋混凝土保护套并进行养护。现场岩体直剪试验的样品人工制备费用较高，人员投入较多，制备时间也较长，特别是对一些坚硬岩石，样品制备难度更大。这种常规的现场岩体直剪试验广泛应用于岩土工程的很多领域，并且试验数量巨大，目前这种试验样品靠人工制备需要投入大量人力且工期长、效率低，因此样品的制备与其配套的试验设备改进和创新势在必行。

三、发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提供一种钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法，可有效解决试验费用高、试验周期长、效率低，特别是克服试样样品制备时对石匠的依赖问题。

本发明解决的技术方案是，首先采用爆破方法在山体开挖一个2m×2m试验平洞，然后在试验平洞底板上用钻机向下钻两个孔，一个孔为剪切孔，另一个孔为试件孔，两个孔中心在一条直线上，直线方向与工程受力方向一致，二孔相邻孔壁间距为5-10cm，试件孔为试验样品钻孔，保留岩芯在孔中，作为试样，剪切孔取出岩芯作为安装剪向试验设备用，然后将两孔中间部分岩体切割联通，钻孔深度根据剪切面位置确定，一般为30cm-50cm，其中试件孔直径为70cm，岩芯即试验样品直径为60cm，岩芯与孔壁间隔为5cm；剪切孔是一般的直径为60cm钻孔，钻孔制件完成后，在试样(又称试件，以下同)上安装钢保护套，钢保护套为厚度2cm、高度35cm、内径60cm的钢管，在完成上述工作后分别安装法向与剪向加载设备。

本发明方法简单、操作方便、费用低、省工省时、效率高，是现场岩体强度直剪试验上的创新。

四、附图说明

图1为本发明的现场岩体直剪试验样品钻孔制备示意图，

图2为本发明的钻孔式现场岩体直剪测试系统示意图。

五、具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1、图2所示，首先采用常规爆破方法在山体23开挖一个2m×2m试验平洞15，然后在试验平洞底板20上用大口径的钻机向下钻两个孔，一个孔为剪切孔1，另一个孔为试件孔2，两个孔中心在一条直线上，直线方向与工程受力方向一致，二孔相邻孔壁间距为5-10cm，试件孔为试验样品钻孔，保留岩芯在孔中，作为试样3，剪切孔取出岩芯作为安装剪向试验设备用，然后将两孔中间部分岩体切割联通，钻孔深度根据剪切面位置确定，一般为30cm-60cm，其中试件孔直径为70cm，岩芯即试验样品直径为60cm，岩芯与孔壁间隔为5cm；剪切孔是一般的直径为60cm钻孔，钻孔制件完成后，对试样3进行处理满足钢保护套22高度要求后，在试样3上安装钢保护套22，然后在钢保护套上部依次安装法向荷载系统直径为60cm的第二承压板10b、直径为50cm圆形滚珠排11、直径为50cm的第一承压板10a、法向千斤顶6、变接头7、传力柱17、钢垫板18，以及在钢垫板18与试验洞15顶之间浇筑混凝土19，完成后进行剪向荷载系统的安装，剪向荷载系统是由牛腿式钢板9、剪向千斤顶8、半球型反力钢座14及木垫板13构成，牛腿式钢板9与钢保护套22固定在一起，牛腿式钢板9与剪向千斤顶8相连，剪向千斤顶8上装有半球型反力钢座14，剪向千斤顶8和半球型反力钢座14置于下部的木垫板13上，保证法向荷载系统与剪向荷载系统的应力交汇于剪切面21中心，用油管16将法向千斤顶6与剪向千斤顶8连接到对应法向的位移表12与剪向的位移表4及油泵上，法向的位移表12有4个，竖向对称装在第二承压板10b周边上，剪向的位移表4有2个，经剪向表座5装在钢保护套22上两侧，安装剪向检测压力的位移表4与法向检测的位移表12后，即可进行现场岩体强度的直剪试验，试样的位移量经法向的位移表12与剪向的位移表4显示，以及对法向与剪向压力表的测读，实现对岩体试样的试验，从而完成试样的制备及直剪测试。

本发明是按照现场岩体直剪试验设计，把靠人工制备方形试件改为用钻机完成圆柱形试件，实现机械化作业的现场岩体直剪试验样品的制备，然后安装与之配套设计的试验设备完成试验工作。试验设备保证样品剪切面积大于2500cm²，预留样品剪向行程为3cm，均满足规范对试验要求。剪向千斤顶8呈水平装在牛腿式钢板9上，使剪向千斤顶9出力通过剪切面21中心，半球型反力钢座14可以使剪向应力平行于不同倾角的剪切面；圆形滚珠排11在平面360°任意移动，即保障了法向荷载系统的稳定，也减小了剪切摩擦力，对于岩体软弱结构面采用钻孔式样品制备时，可在制备试件孔2前，预先在距试件孔2中心20cm左右处平行钻两个锚固孔，孔径16mm，孔深超过剪切面21约30cm，插入两根孔径为16mm的圆钢，在外部用卡具将两根圆钢固定，然后进行试件孔2的制备，从而避免钻机钻进时对剪切面21的扰动。本实施例中，是按直径为60cm试验样品设计，可根据需要进行直径为70cm、80cm、90cm、100cm等试验样品制备与试验。采用钻孔进行现场岩体试验样品制备以及与之配套试验设备进行现场岩体强度的直剪试验，应用面广、方便灵活、试验费用低、省工省时，经济和社会效益显著。

本发明经实地试验，取得了令人满意的效果，具体试验情况如下：

(1)省时，效率高

常规现场岩体强度直剪试验样品的制备都是靠人工(石匠)完成，岩石按一般硬度考虑，正常情况下一个石匠需要35天左右制备一个50×50×35cm样品(包含千斤顶槽与顶板)，浇筑样品钢筋混凝土保护套与混凝土养护时间约15天，试验样品按投入5名石匠、4名小工(打钻子、出渣等)一组试验样品需要约50天时间。采用本实用新型制备一组试验样品只需要4名小工(设备搬运与协助安装等)，时间大概5-7天，用时不到常规方法的15％(二种方法试验时间相同)。

(2)费用低，节约成本

常规现场岩体强度直剪试验主要费用来自试验样品的制备，目前石匠人工费大约为150元/天，岩石按一般硬度考虑，正常情况下一个石匠需要35天左右制备一个50×50×35cm样品(包含千斤顶槽与顶板)，该试验至少需要5个样品，一组试验样品制备费用在5×150×35＝26250元，辅助小工4人，单价为80元/天，费用4×80×35＝11200元，浇筑样品钢筋混凝土保护套材料与人工费用约5×600＝3000元，另外设备搬运与安装、发电油费等需5000元左右，一组试验样品直接费用约45000元左右。采用本实用新型制备一组试验样品的直接费用(不含设备折旧费)，包括发电油费、钻头损耗、人工费、设备搬运与安装等费用约5000元左右，开支不到常规方法的12％。

(3)避免试验洞方位对现场试验的约束

规范要求岩体现场直剪试验剪向推力与工程受力方向一致，常规方法需用利用试验洞洞壁一侧作为剪向推力的反力，因此需用考虑试验洞开挖方向，对于不能满足要求的试验洞往往采用开挖支洞方式解决。采用钻孔式岩石试样制备直剪测试方法采用剪切孔做反力将不受此制约。

(4)实现了现场样品制备机械化

采用本发明方法时间与费用都大幅度降低，效率明显提高，特别时对于一个项目数量较多这种试验其综合效益更高。更主要的是，该项工作不需要依赖于石匠，目前石匠青黄不接，年轻人不愿意从事干，干石匠的老人已经越来越少。本发明的试验成功，摆脱了现场岩体制样依赖石匠，实现了试验样品制备机械化，有效克服了制样严重制约现场岩体试验工作开展的技术难题，是岩石试样制备直剪测试上的一大创新。

Claims (4)

1.一种钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法，其特征是，首先采用爆破在山体(23)上开挖一个2m×2m试验平洞(15)，然后在试验平洞底板(20)上用钻机向下钻两个孔，一个孔为剪切孔(1)，另一个孔为试件孔(2)，两个孔中心在一条直线上，直线方向与工程受力方向一致，二孔相邻孔壁间距为5-10cm，试件孔为试验样品钻孔，保留岩芯在孔中，作为试样(3)，剪切孔取出岩芯作为安装剪向试验设备用，然后将两孔中间部分岩体切割联通，钻孔深度根据剪切面位置确定，为30cm-60cm，其中试件孔直径为70cm，岩芯即试验样品直径为60cm，岩芯与孔壁间隔为5cm；剪切孔直径为60cm钻孔，钻孔制件完成后，对试样(3)进行满足钢保护套(22)高度要求后，在试样(3)上安装钢保护套(22)，然后在钢保护套上部依次安装法向荷载系统直径为60cm的第二承压板(10b)、直径为50cm圆形滚珠排(11)、直径为50cm的第一承压板(10a)、法向千斤顶(6)、变接头(7)、传力柱(17)、钢垫板(18)，以及在钢垫板(18)与试验洞(15)顶之间浇筑混凝土(19)，再进行剪向荷载系统的安装，剪向荷载系统是由牛腿式钢板(9)、剪向千斤顶(8)、半球型反力钢座(14)构成，牛腿式钢板(9)与钢保护套(22)固定在一起，牛腿式钢板(9)与剪向千斤顶(8)相连，剪向千斤顶(8)上装有半球型反力钢座(14)，剪向千斤顶(8)和半球型反力钢座(14)置于下部的木垫板(13)上，保证法向荷载系统与剪向荷载系统的应力交汇于剪切面(21)中心，用油管(16)将法向千斤顶(6)与剪向千斤顶(8)连接到对应法向的位移表(12)与剪向的位移表(4)及油泵上，法向的位移表(12)有4个，竖向对称装在第二承压板(10b)周边上，剪向的位移表(4)有2个，经剪向表座(5)装在钢保护套(22)上两侧，安装剪向检测压力的位移表(4)与法向检测压力的位移表(12)后，即可进行现场岩体强度的直剪试验，试样的位移量经法向的位移表(12)与剪向的位移表(4)显示，以及对法向与剪向压力表的测读，实现对岩体试样的试验，从而完成试样的制备及直剪测试。

2.根据权利要求1所说的钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法，其特征是，所说的剪向千斤顶(8)呈水平装在牛腿式钢板(9)上，使剪向千斤顶(9)出力通过剪切面(21)中心，半球型反力钢座(14)使剪向应力平行于不同倾角的剪切面。

3.根据权利要求1所说的钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法，其特征是，所说的圆形滚珠排(11)为平面360°任意移动，保障法向荷载系统稳定，减小剪切摩擦力。

4.根据权利要求1所说的钻孔式岩体试样制备的直剪测试方法，其特征是，所说的岩体(23)，对于岩体软弱结构面采用钻孔式样品制备时，在距试件孔(2)中心20cm处平行钻两个锚固孔，孔径16mm，孔深超过剪切面30cm，插入两根孔径为16mm的圆钢，在外部用卡具将两根圆钢固定，避免钻机钻进时对剪切面(21)的扰动。

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