CN104483199A - 现场岩体泊松比测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现场岩体泊松比测试方法，首先在山体上开挖试验平洞，在其底面基岩上，用空心钻头钻出一圆柱体试件，试件周边的环形槽底对称打测孔；试件上套装带有钢触点和应变片的弹性钢套环，应变片测线与电阻应变仪相接，通过试验换算出试件的横向变形量；在试件的顶面，依次通过承压板、千斤顶、变接头钢板、组合传力杆和铰接锚具与试验平洞顶板固定，在承压板两侧的螺栓孔与环形槽底部的测孔处安装测量标点，在测量标点上方安装千分表；加荷试验后换算出试件的竖向变形量；然后计算其对应的横向应变值与竖向应变值，并由此计算出试件的泊松比。本发明的优点在于实施方法简单、快速，测量数据准确、可靠，更能全面反映岩体的真实性态。

Description

现场岩体泊松比测试方法

技术领域

本发明涉及水利工程建设中岩体的变形模量，尤其是涉及一种现场岩体泊松比测试方法。

背景技术

泊松比是指材料在单向受压（或受拉）时，横向应变与竖向应变的绝对值的比值。在水利工程建设中岩体的变形（或弹性）模量是工程重要的设计参数，该参数是对岩体进行变形试验获取压力与对应变形值，然后进行岩体变形模量及弹性模量的计算， 其计算公式见式1.1。

                                                                                    式1.1

式中：E —— 变形模量或弹性模量，MPa；以全变形W_o代入计算时为变形模量E_o；以弹性变形W_e代入计算时为弹性模量E_e；

p —— 按承压面单位面积计算的压力，MPa ；

W —— 岩体表面变形，cm；

D —— 承压板直径，cm；

μ —— 岩体泊松比。

从式1.1可知，计算岩体的变形（或弹性）模量涉及岩体泊松比 μ。目前国内尚未有现场测取岩体泊松比的方法，在计算岩体的变形（或弹性）模量时采用的岩体泊松比指标，主要是按照《水利水电工程岩石试验规程》（SL264—2001）的规范进行室内岩石的“单轴压缩变形试验”获得的。其方法为制备直径或边长为48~54mm、其高度与直径或边长之比为2.0~2.5的圆柱体或方柱体岩石试件，在试件中部选定互相垂直的两对面，以相对面为一组，分别粘贴纵、横向应变片，

将牢固粘贴应变片的试件置于试验机承压板中心，连接试件上应变片导线与静态电阻应变仪，然后按照规定加荷方式与速率加荷，测读载荷与应变值。由试件上纵、横向应变片测得试件的竖向应变量ε_h       和横向应变量ε_d ,按式1.2计算岩石试件的泊松比μ。

                          式1.2

众所周知，泊松比与岩石的强度、风化程度、节理裂隙发育等有直接关系，室内岩石泊松比试验采用应变片粘贴在试件上，试件表面的光滑程度、粘贴应变片的胶液以及粘贴方法等对测量数据均有影响，并且测量数值无法进行直接验证。若能与现场进行岩体变形试验的部位测取岩体泊松比，其数值将会更加合理，但由于没有好的方法测取现场岩体的横向变形，若采取室内岩石试验方法将受制于现场环境与条件，难以实现。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种现场岩体泊松比测试方法。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的现场岩体泊松比测试方法，包括下述步骤：

第一步，在山体上开挖一个试验平洞；

第二步，在所述试验平洞的底板面基岩上，用内孔直径10cm、壁厚2cm的空心钻头垂直向下钻进深度10cm，得到直径10cm、高度10cm的圆柱体试件，所述圆柱体试件与周围的基岩之间形成2cm宽的环形槽；在所述环形槽的底部对称打两个测孔；

第三步，在所述圆柱体试件上贴壁套装一弹性钢套环，所述弹性钢套环上的钢触点与所述圆柱体试件紧密接触并适当受压，将所述弹性钢套环的应变片测线与静态电阻应变仪相连接；所述圆柱体试件受压发生横向变形，所述钢触点将挤压弹性钢套环使之发生变形，粘贴在所述弹性钢套环上的应变片的应变值随之发生变化，通过与之连接的静态电阻应变仪即可测取应变片的应变值，由此可以换算成所述圆柱体试件的横向变形量；

第四步，在所述圆柱体试件的顶面，自下而上依次叠置安装刚性承压板、液压千斤顶、变接头钢板与组合传力杆，然后用球型铰接锚具将组合传力杆与所述试验平洞顶板固定牢固，将所述液压千斤顶的进、出液口分别通过油管与高压油泵的出、进液口连通；在所述刚性承压板两侧对称预留的螺栓孔与所述环形槽底部的测孔处分别安装测量标点，在所述测量标点上方安装千分表；

第五步，按照相关技术规程规定的加荷方式与速率对所述圆柱体试件进行加荷试验，即可测量与计算所述圆柱体试件的竖向变形量；

第六步，根据第三步测得的横向变形量和第五步测得的竖向变形量，并由圆柱体试件直径与高度尺寸，计算其对应的横向应变值与竖向应变值，由此即可计算出所述圆柱体试件的泊松比。

本发明的优点在于实现了现场测取岩体的泊松比参数，采用粘贴应变片的弹性钢环解决了试件在受压过程中横向变形的测量，并且实施方法简单、快速。与室内岩石测试结果与方法比较，现场测试泊松比更能全面反映岩体真实性态，更具有代表性，测量数据准确、可靠，并且可以在试验前后进行验证。现场对试件表面光洁度以及环境条件要求不高，不必对试件表面进行打磨抛光，且粘贴应变片的弹性钢环可反复使用（室内试验应变片是一次性的），降低了泊松比参数测试的成本。

附图说明

图1是本发明测试时各部件的安装示意图。

图2是图1中所用的弹性钢套环的结构图。

具体实施方式

下面对照附图对本发明所述的现场岩体泊松比测试方法做进一步的详细描述：

第一步、制作并率定应变式弹性钢套环1：

如图2所示，在定制的内径为10.5cm、宽度为0.6cm、厚度为0.1cm的弹性钢套环1内侧对称粘贴两块应变片2，粘贴时，在弹性钢套环1与应变片2之间涂抹胶液，待固结后在应变片2外表面及周边涂盖一层防潮胶液；在弹性钢套环内侧与应变片2粘贴位置成90°处对称安装两个钢触头3，钢触头3为直径3.0mm、长度5.0~10.0mm的圆柱体，其前部为光滑的圆曲面，后部采用螺丝与弹性钢套环1连接。将组装完成的弹性钢套环1置于率定架上，将弹性钢套环1上的两块应变片2的测线与测读设备连接，摇动率定架轮盘对弹性钢套环1反复进行施压与释放，获得弹性钢套环1压缩或膨胀变形量与其上的应变片2应变值之间的关系曲线。

第二步、制备试件：

如图1所示，采用爆破的方法在山体上开挖一个高2m、宽2m的试验平洞。首先在试验平洞的底板面4的基岩上选定有代表性的测试部位，通过钻机垂直向下钻进，钻头选用内孔直径10 cm（外孔直径12 cm）的空心钻头，钻进深度为10cm，得到直径10cm、高度10cm的圆柱体试件5，同时围绕试件5形成一宽度2cm、深度10cm的环形槽6。在环形槽6底部使用冲击钻对称打两个直径0.6cm、深度2.0cm的测孔，然后将试件5顶面用电动砂轮打磨平整，并把环形槽6内清理干净。

第三步、应变式弹性钢套环1的安装与调试：

如图1所示，把已率定过的弹性钢套环1套在试件5的中部，将应变片2上的测线通过通讯电缆7连接至静态电阻应变仪8，通过调换弹性钢套环1上的钢触头3的长度，使钢触点3与试件4紧密接触并适当受压，同时保证弹性钢套环1上应变片2的应变值初始量处于合适的范围内，满足试件5受压发生最大横向变形量的需求；

第四步、竖向加荷与测量设备安装：

如图1所示，在试件5顶面上，自下而上依次叠置安装刚性承压板9、液压千斤顶10、变接头钢板11与组合传力杆12，然后用球型铰接锚具13将组合传力杆12与试验平洞顶板14固定牢固，所有部件中心应保持在同一轴线上，且轴线与加压方向一致。其中的组合传力杆12采用丝杠连接，其刚度满足测试过程中最大受力；球型铰接锚具13是将锚具和组合传力杆12之间采用球型连接方式，保证受力方向与组合传力杆12的轴向一致。然后将液压千斤顶10的进、出液口分别通过油管15与高压油泵16的出、进液口连通，完成竖向加荷设备安装后，通过液压千斤顶10对竖向加荷设备适当施加压力，使整个系统接触紧密。在刚性承压板9两侧对称预留的螺栓孔与环形槽6底部的测孔处分别安装测量标点17，在每个测量标点17上方安装千分表18；

第五步、测试：

在加荷测试前对千分表18与应变片2进行初始稳定性的观测后，开始加荷测试。加荷过程按照相关技术规程规定的加荷方式与速率对试件5进行加荷试验，其加荷量不宜低于现场岩体变形试验的施加最大应力。

第六步、成果整理计算：

试验测得加荷过程中不同压力下千分表18的读数与弹性钢套环1上的应变片2的应变值。安装在刚性承压板9上的两个千分表18测值的平均值与安装在环形槽6底部的两个千分表18测值的平均值之差，即为试件5在某一应力作用下的竖向变形量；静态电阻应变仪8测得应变片2的应变值，根据率定的弹性钢套环1压缩或膨胀变形量与应变片2的应变值之间的关系曲线，可将应变值换算为试件5在某一应力作用下的横向变形量。试件5竖向变形量与其高度的比值为试件5的竖向应变量，试件5横向变形量与其直径的比值为试件5的横向应变量，试件5的横向应变量与竖向应变量的比值即为所测岩体某一应力作用下的泊松比，然后采用数学方法对获得的不同应力作用下求得的岩体泊松比进行取值。

本发明实现了在现场测取泊松比参数的方法，由于测取的泊松比与现场岩体变形试验处于同一地点，其岩体的强度、风化程度、节理裂隙发育等基本相同，测取的泊松比更能全面、真实地反映岩体性态，从而减小了计算岩体变形（或弹性）模量的误差。采用千分表与弹性钢套环测取竖向变形和横向变形的量值更准确、可靠。测试的样品加工简单、快速，其尺寸的精度与表面光洁度无特殊要求，且应变式弹性钢套环可以重复使用，降低了测取泊松比参数的成本。

Claims (1)

1.一种现场岩体泊松比测试方法，其特征在于：包括下述步骤：

第一步，在山体上开挖一个试验平洞；

第二步，在所述试验平洞的底板面基岩上，用内孔直径10cm、壁厚2cm的空心钻头垂直向下钻进深度10cm，得到直径10cm、高度10cm的圆柱体试件，所述圆柱体试件与周围的基岩之间形成2cm宽的环形槽；在所述环形槽的底部对称打两个测孔；

第三步，在所述圆柱体试件上贴壁套装一弹性钢套环，所述弹性钢套环上的钢触点与所述圆柱体试件紧密接触并适当受压，将所述弹性钢套环的应变片测线与静态电阻应变仪相连接；所述圆柱体试件受压发生横向变形，所述钢触点将挤压弹性钢套环使之发生变形，粘贴在所述弹性钢套环上的应变片的应变值随之发生变化，通过与之连接的静态电阻应变仪即可测取应变片的应变值，由此可以换算成所述圆柱体试件的横向变形量；

第四步，在所述圆柱体试件的顶面，自下而上依次叠置安装刚性承压板、液压千斤顶、变接头钢板与组合传力杆，然后用球型铰接锚具将组合传力杆与所述试验平洞顶板固定牢固，将所述液压千斤顶的进、出液口分别通过油管与高压油泵的出、进液口连通；在所述刚性承压板两侧对称预留的螺栓孔与所述环形槽底部的测孔处分别安装测量标点，在所述测量标点上方安装千分表；

第五步，按照相关技术规程规定的加荷方式与速率对所述圆柱体试件进行加荷试验，即可测量与计算所述圆柱体试件的竖向变形量；

第六步，根据第三步测得的横向变形量和第五步测得的竖向变形量，并由圆柱体试件直径与高度尺寸，计算其对应的横向应变值与竖向应变值，由此即可计算出所述圆柱体试件的泊松比。