CN103983490A - 一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法，属岩土工程技术领域。该制备方法首先进行错动带试验洞现场勘察，测定其距洞壁不同深度处的密度与含水率，选取参数趋于一致的位置取样，同时应用应力解除法获取取样地点的原岩应力；在室内重塑制样，包含制样准备、试样制备过程控制、试样后期标准化处理以及通过电镜扫描试验和力学实验进行试样与原状样对比分析。本方法采用替代法对错动带进行超粒径处理，同时控制预固结压力和稳压时间进行静载固结，对制样压力室改进，不仅结构简单、成本低廉，节约试验时间，更能反映错动带的天然特性，试验结果可靠度高，强度更接近实际，在制得反映原岩应力状态的均匀重塑样上达到了良好的效果。

Description

一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法

技术领域

本发明涉及一种室内试样制备方法，尤其涉及一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法。

背景技术

1.进入新世纪以来，我国已在西部金沙江、雅鲁藏布江规划和兴建了一系列水利水电工程，但这些水电站70％集中在内外动力地质作用强烈、岩体环境构造复杂、地质环境脆弱的西部深山峡谷，其规模和建设难度都是空前的。地下厂房洞室群作为主要的水工建筑物，规模巨大，遭遇层间错动带的机率大大增加。它的存在，给许多岩体工程的稳定带来严重威胁。据不完全统计，在我国已建和正建的大坝中，有90余座坝基下埋藏有层间错动带，其中由于层间错动带的影响而改变设计或增加工程量或后期加固的有30余座。

2.考虑到其赋存环境条件，对于埋藏位置较深的层间错动带，其所处地应力较大，高法向压力试验条件下(一般指法向压力大于1MPa)会获得与低法向压力条件下不同的力学特性。例如，在建的白鹤滩水电站地下厂房遭遇了不利产出状态下的C2、C3、C4和C5等多个层间错动带，其力学性质较差，先期受到地质历史时期引起的围压作用；现场地应力实测最大主应力高达33.39MPa。因此错动带仍然承受着较高的应力状态。这种高应力状态是研究层间错动带所必须考虑的。传统的错动带试样室内制备未考虑这一重要因素，导致试验得到试样强度较低，无法较好的反映原状样强度。

3.室内三轴剪切试验是测定岩土体抗剪强度的比较完善的方法，试验土样分为天然原状样和重塑样。原状样受取样环境和技术的影响，取样过程中会受很大程度扰动，同时试验结果离散性大，试验结果并不理想。然而，重塑样则相对性质均匀，离散性小。因此，国内外土工试验中主要使用性质均匀，离散性相对较小的重塑样。制备重塑样通常采取击实法和固结法，一些研究者也提出一些重塑样的制备方法和装置。

中国专利申请号：200710164847.3，发明名称：一种空心圆柱扭剪仪及重塑样击实器，提出一套适用于扭剪试验重塑土样的制备装置，无法制备适合常规三轴剪切试验试样。

中国专利申请号：200920109190.5，发明名称：实验室重塑海洋地基软粘土制备装置，利用真空抽吸软粘土达到制样标准，但是过程过于繁琐，制备的土样是大体积土体，需要大量二次修剪，对试验结果影响较大。

中国专利申请号：201010564744.8，发明名称：轻型重塑土制样装置。装置采取有机玻璃，制样可视化操作，但是制样过程中采用排水措施，虽然可以在一定程度上缩短制样时间，但无法保证含水率。

中国专利申请号：201210530125.6，发明名称：一种粉土三轴试验试验的制备方法及其装置。利用泥浆在对开圆模内在自重作用下沉淀，采用真空负压固结，但是未考虑原岩应力的影响。

以上方法均未考虑岩石或土的原岩应力状态，特别是大埋深高应力状态，因此并未控制原岩应力、试验变形控制和稳压时间。对于错动带这种介于岩石和土之间的特殊产物，为了更好的开展错动带力学特性的研究，制备与现场力学性质接近反映原岩应力状态的错动带重塑样显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法，解决了错动带试样制备三大技术难题，包括试样的均匀性和含水率恒定、试样达到原岩应力状态并在此压力下达到稳定、高原岩应力状态下试样的质量以及装样拆样的效率。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法，所述制备方法按以下步骤进行：

A试验洞错动带现场勘察、测定与取样

测定试验洞内错动带取样点的天然密度与天然含水率，做出密度和含水率随距试验洞洞壁深度的变化曲线，选取物理参数基本相同的位置取样，将取出的扰动样进行现场密封保存和编号记录，运回室内；

B试验洞错动带取样点的原岩应力获取

利用应力解除法，通过测量应力解除前后试验洞错动带取样点的钻孔孔径的变化计算三维地应力；

C制样准备工作-1

将错动带扰动样风干，再配至所需含水率，进行超粒径处理与颗粒粒度分析；

D制样准备工作-2

进行错动带试样制备系统的改进与准备；

E试样制备过程控制

包括错动带试样制备原岩应力控制与稳压控制，固结时间与位移控制与监测；

F试样后期标准化处理以及与原状样对比分析

检查试样，使试样高度、直径和表面平整度达到试验标准，并进行SEM扫描和三轴试验，与原状样进行结构和强度的对比，从而反映了试样制备的合理性。

所述步骤C具体操作是：

将获取的错动带扰动样团聚体用木槌轻轻敲散，保证错动带扰动样的颗粒粒径与现场一致，混合均匀在室外风干，通过替代法对错动带扰动样进行超粒径处理，即用仪器容许最大粒径以下的粗粒部分等量替代超粒，扰动样粒径小于等于仪器容许最大粒径，取足够试验用的土样，充分拌匀，测定风干含水率，装入保湿缸中备用；根据测得的天然含水率和干密度配至错动带所需含水率，并准确计算称量试样所需错动带样质量。

所述步骤E制备步骤为：

E-1取出可开合制样压力室，内压力筒采用三瓣结构设计，外压力筒采取对中二等分设计，将内压力筒内壁均匀涂抹一层凡士林，底座上平铺滤纸，同时利用内插垂直螺栓固定好底座和外压力筒，将内压力筒三瓣按顺序置于外压力筒内，通过内插水平螺栓用扳手将外压力筒箍紧，分层击实错动带样并进行拉毛处理，错动带扰动样装好后，在扰动样上部平铺滤纸，并把带有导杆的压头置于滤纸之上，装样完毕；

E-2将制样压力室置于液压测力千斤顶正下方，千斤顶上连接测力表，手压活动手柄，观察千斤顶活塞，待千斤顶活塞与制样压头接触后缓慢均匀施加压力，实时观察测力表的读数，待压力达到预固结压力停止加载，预固结压力稍高于原岩应力；

E-3将稳压长杆套在活动手柄上，长杆尾部挂上加载砝码盘，调整稳压长杆的位置，增删加载砝码数目直至测力表数值稳定；

E-4将位移监测装置千分表固定于反力架上，千分表活动表头置于制样压头导杆之上，调整千分表读数至较大值。每隔一定时间记录千分表读数。绘制错动带试样竖向变形-时间变化曲线，待曲线水平时稳压时间确定，表明错动带试样在先期固结压力原岩应力状态下基本稳定，可取出试样。

本发明与传统制样方法相比，具有以下优点：

(1)采用替代法对原始错动带进行超粒径处理，缩尺备样，用仪器容许最大粒径(本试验仪器为5mm)以下的粗粒的部分等量替代超粒，基本上保持了粗、细粒组的含量比例，能很好地反映天然错动带的基本特性，强度更接近于实际，同时保证了试样的均匀性。

(2)考虑了错动带的原岩应力状态，控制预固结压力和稳压时间，同时静载固结错动带试样，可得到密度和含水率均匀的重塑样，得到的数据结果真实可靠，制得了与现场力学性质接近的错动带重塑样。

(3)制样压力室内压力筒采用三瓣结构设计，外压力筒采取对中二等分设计，解决了拆样困难的问题；外压力筒布置三排螺栓，解决了因压力较大导致下部压力筒张开问题。同时底座设有对称内插垂直螺栓与外筒适配，解决因预压力太大导致外筒上移的问题。

(4)试样顶部设有压头，压头连接水平调节导杆，导杆与百分表连接，实现了位移的实时监测，绘制错动带试样位移-时间曲线确定稳压时间，进而获得反映原岩应力状态的错动带试样，这是先前试样制备所未有的。

(5)采用稳压长杆和加载砝码进行稳压，解决了恒定固结压力难题；利用可开合的两半圆夹具实现试样尺寸的修整，实现了试样标准化问题。

采用上述技术方案的错动带试样制备方法及其装置，通过理论分析、计算和实验验证等途径，有效利用了力学准则及材料特性，一方面制样装置密封性良好且拆样简便，另一方面制样方法不仅快捷，便于操作，节约了试验时间，更在制取反映原岩应力的重塑样上达到了良好的效果；从而为错动带力学性质研究提供了极大的帮助。因此，本发明是一种有效可靠反映原岩应力状态的错动带试样制备方法。

附图说明

图1是反映原岩应力状态的错动带试样制备系统示意图。

图2是反映原岩应力状态的错动带试样制备压力室正视图。

图3是反映原岩应力状态的错动带试样制备压力室A-A剖面图。

图4是反映原岩应力状态的错动带试样制备压力室B-B剖面图。

图5是本发明制备方法的流程框图。

附图1-4中：1—制样压头；2—导杆；3—制样内压力筒；4—制样外压力筒；5—内插水平螺栓；6—制样底座；7—制样筒把；8—滤纸；9—错动带试样；10—内插垂直螺栓；11—液压测力千斤顶；12—千斤顶活塞；13—试样反力架；14—千分表；15—测力表；16—活动手柄；17—稳压长杆；18—加载砝码盘。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。见附图。

一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法，所述制备方法按以下步骤进行：

A试验洞错动带现场勘察、测定与取样

测定试验洞内错动带取样点的天然密度与天然含水率，做出密度和含水率随距试验洞洞壁深度的变化曲线，选取物理参数基本相同的位置取样，将取出的扰动样进行现场密封保存和编号记录，运回室内；

B试验洞错动带取样点的原岩应力获取

采取应力解除法对取样地点的地应力进行测量，测量应力解除前后试验洞错动带取样点的钻孔孔径的变化，计算三维地应力，获取取样点错动带的原岩应力；

C制样准备工作-1

在实验室内将获取的错动带扰动样团聚体用木槌轻轻敲散，保证错动带扰动样的颗粒粒径与现场一致，混合均匀并在室外风干，通过替代法对错动带扰动样进行超粒径处理，即用仪器容许最大粒径以下的粗粒部分等量替代超粒，扰动样粒径小于等于仪器容许最大粒径，本试验仪器为5mm，基本保持了粗细粒组的含量比例，能很好地反映错动带基本特性，强度更接近实际；进行颗粒粒度分析；取足够试验用的土样，充分拌匀，测定风干含水率，装入保湿缸或塑料袋中备用。将错动带扰动样配至测得的天然含水率和干密度水平，并准确计算称量试样所需错动带样质量。

D制样准备工作-2

进行错动带试样制备系统的改进与准备；错动带试样制备压力室的内压力筒3刷凡士林，底座上平铺滤纸8，分别用螺栓10和螺栓5固定好底座6和外压力筒4。将配得的一定质量的错动带试样注入内筒3中，分层击实并进行拉毛处理；在土样上平铺滤纸8，将带有导杆2的压头1置于滤纸8之上，装样完毕。

E试样制备过程控制

包括错动带试样制备原岩应力控制与稳压控制，固结时间与位移控制与监测；

取出可开合制样压力室，内压力筒3采用三瓣结构设计，外压力筒4采取对中二等分设计，将内压力筒3内壁均匀涂抹一层凡士林，底座6上平铺滤纸8，同时利用内插垂直螺栓10固定好底座6和外压力筒4，将内压力筒3三瓣按顺序置于外压力筒4内，通过内插水平螺栓5用扳手将外压力筒4箍紧，分层击实错动带样并进行拉毛处理，错动带扰动样装好后，在扰动样上部平铺滤纸8，并把带有导杆2的压头1置于滤纸8之上，装样完毕；

握紧制样筒把4将制样压力室置于液压测力千斤顶11正下方，千斤顶11上连接测力表15，手压活动手柄16，观察千斤顶活塞12，待千斤顶活塞12与制样压头1接触后缓慢均匀施加压力，实时观察测力表15的读数，待压力达到预固结压力停止加载，预固结压力稍高于原岩应力；

将稳压长杆17套在活动手柄16上，长杆17尾部挂上加载砝码盘18，调整稳压长杆17的位置，增删加载砝码数目直至测力表15数值稳定；

将位移监测装置千分表14固定于反力架13上，千分表14活动表头置于制样压头1导杆2之上，调整千分表14读数至较大值。每隔一定时间记录千分表14读数。绘制错动带试样9竖向变形-时间变化曲线，待曲线水平时稳压时间确定，表明错动带试样9在先期固结压力原岩应力状态下基本稳定，可取出试样。

F试样后期标准化处理以及与原状样对比分析

检查试样，量测试样的高度和直径，如若有偏差，进行试样后期标准化处理，使试样高度、直径和表面平整度达到试验标准，并进行SEM扫描和三轴试验，与原状样进行结构和强度的对比，从而反映了试样制备的合理性。

本发明制备方法采用替代法对原始错动带进行超粒径处理，同时控制预固结压力和稳压时间进行静载固结，对制样压力室进行改进，能很好地反映天然错动带的基本特性，强度更接近于实际，同时保证了试样的均匀性。

具体实施例：

白鹤滩水电站厂址区域普遍发育其它工程所罕见的力学性质较差的层间错动带，。左岸地下厂房层间错动带C2总体上倾向右岸偏上游，。C2玄武质凝灰岩厚度100cm，厚度20～30cm，性状较差，遇水易软化，强度低，会产生塑性变形和剪切变形，是左岸厂房区主要的软弱夹层，初步围岩分类为Ⅳ类。右岸地下厂房附近分布C3、C4、C5等层间错动带，在厂房顶拱等不同部位出露，易形成较大范围的顶拱坍塌。此次试验原状试样取自该工程区域水平探洞中。

步骤A，进行错动带现场勘察，选定距洞口15m处为取样点，每隔5cm挖去洞壁出露的层间错动带进行密度与含水率的测定，在距洞壁40cm左右错动带的密度和含水率趋于一致，测定密度为2.5g/cm³,含水率为9％。进行取样并将扰动样进行现场密封保存和编号记录，然后专车运回室内。

步骤B，错动带取样点的原岩应力获取，利用应力解除法(科学出版社，蔡美峰，2006年1月，“岩石力学与工程”)通过测量应力解除前后钻孔孔径的变化计算三维地应力，获取取样点错动带的原岩应力；具体为：打大孔至错动带测点，磨平孔底，打同心小孔，安装孔径变形计探头，延伸大钻孔解除应力，同时测量孔径变形，取出岩芯，测其弹性参数，计算错动带岩体原岩应力为33.39MPa。

步骤C，进行错动带室内试样制备前的准备工作。将步骤1中获取的错动带扰动样团聚体用木槌轻轻敲散，保证错动带的颗粒粒径与现场一致，混合均匀并在室外风干。将上述错动带扰动样进行超粒径处理，处理超粒径的基本方法主要有摒弃法、替代法和相似级配法三种。由于替代法是用仪器容许最大粒径(本试验仪器为5mm)以下的粗粒的部分等量替代超粒，基本上保持了粗、细粒组的含量比例，能很好地反映天然材料的基本特性，强度更接近于实际，因此采用替代法对原始错动带试验进行缩尺备样，利用5mm以下的粗粒部分等量代替超粒，取足够试验用的土样，充分拌匀，测定风干含水率为2％，装入保湿缸或塑料袋中备用。

根据步骤A测得的错动带天然含水率9％和天然干密度2.5g/cm³，把混合风干后的土样平铺于搪瓷盘中加入定量的蒸馏水搅拌均匀以达到天然含水率(9％)，并装入密封塑料袋搁置在恒温(22℃)的房间中24h以上。制备试样所需的加水量应按下式计算：

$m_w=\frac{m_0}{1+0.01w_0}\×0.01(w_1-w_0)$

式中m₀为风干土的质量；ω₀为风干含水率；ω₁为天然含水率。

按照错动带含水率、天然干密度和试样尺寸准确计算并称量试样所需错动带样质量，本次制样所需的湿土量约为550g，应按下式计算：

m₁＝(1+0.01ω₁)ρ_dV

式中m₁为湿土的质量；ρ_d为天然干密度；ω₁为天然含水率；V为试样体积。

步骤D，进行错动带试样制备系统的准备并制样。取出设计的可开合制样压力室，内压力筒3采用三瓣结构设计，外压力筒4采取对中二等分设计，首先取出内压力筒3，用小毛刷将三瓣均匀涂抹一层凡士林，底座上平铺一张50×100mm的滤纸8，滤纸8上方涂一层薄薄的凡士林，其目的是防止错动带样粘结内压力筒内壁；将外压力筒置于底座之上，将内插垂直螺栓10套入底座6中的螺栓孔中，固定好底座6和外压力筒4，其目的为防止预固结压力过大导致外压力筒4与底座6分离。

将内压力筒3按三瓣顺序置于外压力筒4内，将螺栓5套入外压力筒4三个内插水平螺栓孔中，用扳手将外压力筒4箍紧，压力筒4下部平行布置两排螺栓，上部布置一排螺栓，其目的为防止预固结压力太大，导致外压力筒4下部胀开。

将配得的一定质量的错动带试样四等份缓缓注入内压力筒3中，分层击实并进行拉毛处理，其目的是保证试样的均匀性并且无分层界面；错动带样装好后，在土样上部平铺一张50×100mm的滤纸8，滤纸8上方涂一层薄薄的凡士林；将带有导杆2的压头1置于滤纸8之上，装样完毕。

E试样制备过程控制

包括错动带试样制备原岩应力控制与稳压控制，固结时间与位移控制与监测；取出可开合制样压力室，内压力筒3采用三瓣结构设计，外压力筒4采取对中二等分设计，将内压力筒3内壁均匀涂抹一层凡士林，底座6上平铺滤纸8，同时利用内插垂直螺栓10固定好底座6和外压力筒4，将内压力筒3三瓣按顺序置于外压力筒4内，通过内插水平螺栓5用扳手将外压力筒4箍紧，分层击实错动带样并进行拉毛处理，错动带扰动样装好后，在扰动样上部平铺滤纸8，并把带有导杆2的压头1置于滤纸8之上，装样完毕；

握紧制样筒把4将制样压力室置于液压测力千斤顶11正下方，液压测力千斤顶11上连接测力表15，手压活动手柄16，观察千斤顶活塞12，待千斤顶活塞12与制样压头1接触后缓慢均匀施加压力，实时观察测力表15的读数，待压力达到预固结压力35MPa时停止加载，预固结压力稍高于原岩应力；原因为先期固结压力要比测得的原岩应力大，一方面为克服试样与钢模内壁的摩擦；另一方面考虑到天然错动带取样后围岩限制解除,错动带卸荷回弹,实测地应力能有所偏小。将稳压长杆17套在活动手柄16上，稳压长杆17尾部挂上加载砝码盘18，调整稳压长杆17的位置到活动手柄16的1/2处，加载砝码盘18中砝码的数量，本次制样为三个，直至测力表15数值稳定。

将位移监测装置千分表14固定于反力架13上，千分表14活动表头置于制样压头1的导杆2之上，调整千分表14读数至较大值10.000处，每隔2小时记录千分表读数。绘制错动带试样9的竖向变形-时间变化曲线，待曲线水平时表明错动带试样9在先期固结压力35MPa条件下基本稳定，可进行拆样。固结压力越大，制样时间越长，本错动带试样制样时间一般在3天左右。

步骤F，量测试样9的高度和直径，如若有偏差，进行试样后期标准化处理；例如本次制得试样9高度为50.2mm，将可通过螺栓控制的可开合夹具置于试样相应位置后拧紧，通过砂纸小心打磨，直到试样直径和表面平整度达到试验标准50mm。如错动带试验洞现场条件允许，则对现场进行取样，封存运回室内后对现场原状样与制好的试样进行SEM扫描和三轴试验，二者相应结果进行对比，本次选取C2错动带进行多组三轴试验用于强度对比，在25MPa围压条件下，原状样强度为22MPa，利用本方法制得重塑样强度为21MPa，同时进行电镜扫描发现二者颗粒排列近似，因此结构和强度基本一致，反映了试样制备的合理性。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，介绍制备直径为50mm、高度为100mm的错动带试样，可适当地改装设备来制备其他大小的试样，制样原理和布置相同。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法，其特征在于：所述制备方法按以下步骤进行：

A 试验洞错动带现场勘察、测定与取样

测定试验洞内错动带取样点的天然密度与天然含水率，做出密度和含水率随距试验洞洞壁深度的变化曲线，选取物理参数基本相同的位置取样，将取出的扰动样进行现场密封保存和编号记录，运回室内；

B 试验洞错动带取样点的原岩应力获取

利用应力解除法，通过测量应力解除前后试验洞错动带取样点的钻孔孔径的变化计算三维地应力；

C 制样准备工作-1

将错动带扰动样风干，再配至所需含水率，进行超粒径处理与颗粒粒度分析；

D 制样准备工作-2

进行错动带试样制备系统的改进与准备；

E 试样制备过程控制

包括错动带试样制备原岩应力控制与稳压控制，固结时间与位移控制与监测；

F 试样后期标准化处理以及与原状样对比分析

检查试样，使试样高度、直径和表面平整度达到试验标准，并进行SEM扫描和三轴试验，与原状样进行结构和强度的对比，从而反映了试样制备的合理性。

2.根据权利要求1所述的反映原岩应力状态的错动带试样制备方法，其特征在于：所述步骤C具体操作是：

将获取的错动带扰动样团聚体用木槌轻轻敲散，保证错动带扰动样的颗粒粒径与现场一致，混合均匀在室外风干，通过替代法对错动带扰动样进行超粒径处理，即用仪器容许最大粒径以下的粗粒部分等量替代超粒，扰动样粒径小于等于仪器容许最大粒径，取足够试验用的土样，充分拌匀，测定风干含水率，装入保湿缸中备用；根据测得的天然含水率和干密度配至错动带所需含水率，并准确计算称量试样所需错动带样质量。

3.根据权利要求1所述的反映原岩应力状态的错动带试样制备方法，其特征在于：所述步骤E制备步骤为：

E-1 取出可开合制样压力室，内压力筒（3）采用三瓣结构设计，外压力筒（4）采取对中二等分设计，将内压力筒（3）内壁均匀涂抹一层凡士林，底座（6）上平铺滤纸（8），同时利用内插垂直螺栓（5）固定好底座（6）和外压力筒（4），将内压力筒（3）三瓣按顺序置于外压力筒（4）内，通过内插水平螺栓（5）用扳手将外压力筒（4）箍紧，分层击实错动带样并进行拉毛处理，错动带扰动样装好后，在扰动样上部平铺滤（8），并把带有导杆（2）的压头（1）置于滤纸之上，装样完毕；

E-2 将制样压力室置于液压测力千斤顶（11）正下方，千斤顶（11）上连接测力表（15），手压活动手柄（16），观察千斤顶活塞（12），待千斤顶活塞（12）与制样压头（1）接触后缓慢均匀施加压力，实时观察测力表（15）的读数，待压力达到预固结压力停止加载，预固结压力稍高于原岩应力；

E-3 将稳压长杆（17）套在活动手柄（16）上，长杆（17）尾部挂上加载砝码盘（18），调整稳压长杆（17）的位置，增删加载砝码数目直至测力表（15）数值稳定；

E-4 将位移监测装置千分表（14）固定于反力架上，千分表（14）活动表头置于制样压头导杆（2）之上，调整千分表（14）读数至较大值，每隔一定时间记录千分表读数，绘制错动带试样（9）竖向变形-时间变化曲线，待曲线水平时稳压时间确定，表明错动带试样（9）在先期固结压力原岩应力状态下基本稳定，可取出试样。