CN107621417A - 大尺度脆性岩体特征强度测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺度脆性岩体特征强度测试装置及方法。本发明的目的是提供一种大尺度脆性岩体特征强度测试装置及方法，以实现在现场进行特征强度测量。本发明的技术方案是：一种大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：在现场岩体内开挖有辅助洞，辅助洞一侧的边墙上往岩体内开挖有测试洞和围压洞，测试洞内向围压洞方向布设有若干监测孔，监测孔内设置监测仪器；所述围压洞内由外向内依次设有回填混凝土层、缓冲材料层和高强度钢筒，围压洞洞口处设置封闭门；所述辅助洞内设有连通围压洞的充水装置和排水装置。本发明适用于地下岩石工程领域，尤其是对于现场岩体强度具有较高要求、埋深较大的水电工程、石油储存工程、核废料处置工程等。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺度脆性岩体特征强度测试装置及方法。适用于地下岩石工程领域，尤其是对于现场岩体强度具有较高要求、埋深较大的水电工程、石油储存工程、核废料处置工程等。
背景技术
随着我国经济建设的蓬勃发展，复杂地质条件下的基础设施建设也不断增多，特别是近年来出现了大量的深埋地下工程需要建设，在这些工程中存在着大量的长大隧洞和大型地下洞室群，其突出特点是埋深大、地质条件复杂、地应力水平高，开挖以后围岩会出现破裂损伤，破裂损伤的存在将对工程的安全性产生重要影响，为地下水的流动、核废料的扩散等提供通道。损伤是应力水平与岩体强度矛盾突出的结果，因此，对于岩体强度的研究已经成为国际上的研究热点。
关于小尺度脆性岩石的强度研究，已经取得了较为丰富的研究成果。根据不同应力水平下岩石内部裂纹的压密、扩展、连接和贯通的不同阶段，将脆性岩石的应力应变曲线分为压密、弹性、裂纹扩展和裂纹非稳定扩展四个阶段，在这四个阶段中出现的闭合强度、启裂强度、损伤强度统称为特征强度，分别对应着裂纹压密、裂纹启裂、裂纹扩展三个阶段，在室内试验中可以通过配合声波、声发射、应力和位移传感器能够比较精确的确定，其中启裂强度大约为40％～50％岩石抗压强度，损伤强度大约为70～80％岩石抗压强度。目前对于小尺度脆性岩石特征强度的研究，也主要集中在单轴加载条件下，对于有围压条件下的岩石特征强度研究，主要依赖于应力-应变曲线，缺乏直接的测试设备。
上述的研究都是基于室内试验的基础上展开的，试验的对象都是针对小尺度岩块，而在工程实践中很少能遇到完整的岩石，更多的是包含不同类型、不同尺寸结构面的大尺度岩体，而岩体强度参数的选择对于估计地下工程周围岩体的力学行为至关重要。
除了尺度上的差异外，实验室中的岩石试验和现场岩体的另一个区别是应力路径的不同。岩石试样在取样过程中必须经历完全的应力解除，在单轴压缩或三轴压缩过程中需要承受单调的方向不变的加载路径。而在现场实践中，地下工程周围的岩体必然会经历一个完全不同的更加复杂的应力路径，这种应力路径单纯依靠室内试验是很难真实模拟的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种大尺度脆性岩体特征强度测试装置及方法，以实现在现场进行特征强度测量。
本发明所采用的技术方案是：一种大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：在现场岩体内开挖有辅助洞，辅助洞一侧的边墙上往岩体内开挖有测试洞和围压洞，测试洞内向围压洞方向布设有若干监测孔，监测孔内设置监测仪器；
所述围压洞内由外向内依次设有回填混凝土层、缓冲材料层和高强度钢筒，围压洞洞口处设置封闭门；所述辅助洞内设有连通围压洞的充水装置和排水装置。
所述测试洞内向围压洞方向布设有用于在不同围压阶段对岩体进行声波测试和钻孔电视扫描的长观孔。
所述充水装置包括设置于辅助洞内、含有阀门和压力表的压水装置，压水装置经充水管连通所述围压洞内；所述排水装置包括设置于辅助洞内的排水竖井和从围压洞内延伸至排水竖井的排水管。
所述监测仪器包括空心包体应力计、多点位移计和声发射探头。
所述围压洞与测试洞之间间距为介于2～3倍测试洞洞径，所述测试洞的长度大于3倍所述辅助洞洞径。
所述围压洞洞径为1m，测试洞洞径为2m，辅助洞洞径为4～6m。
所述高强度钢筒的强度大于20MPa。
所述监测孔与围压洞洞壁之间间隔距离大于1倍围压洞洞径，监测孔分别对应围压洞上部、中部和下部布置。
所述测试洞洞型为圆型；所述围压洞洞型为圆型。
一种大尺度脆性岩体特征强度测试方法，其特征在于步骤如下：
1、开挖辅助洞；
2、在辅助洞一侧边墙上往岩体内开挖测试洞，并在测试洞内向拟开挖的围压洞方向布设长观孔和若干监测孔，监测孔内布置监测仪器，监测仪器包括空心包体应力计、多点位移计和声发射探头；
3、在辅助洞与测试洞同侧的边墙上往岩体内开挖围压洞，待开挖至指定长度后，停止开挖并保持1周时间，确保围岩时效破裂基本完成；
4、在围压洞洞壁上依次施工回填混凝土层、缓冲材料层和高强度钢筒；
5、在辅助洞内设置连通围压洞内的充水装置和排水装置，并在辅助洞洞口设置封闭门；
6、通过充水装置向封闭门和围压洞形成的封闭腔室内充水，每次向封闭腔室内增加1MPa的水压力并保持一段时间；
若首次监测到声发射事件出现明显的增长、声波出现明显降低，则对应于岩体超过了启裂强度，记录下此时的水压、空心包体应力计、多点位移计读数；
继续向封闭腔室内增加水压力，当声发射事件出现第二次明显的增长时，对应于岩体超过了损伤强度，记录下此时的水压、空心包体应力计、多点位移计读数。
本发明的有益效果是：本发明通过在现场岩体内设置围压洞和通过测试洞朝向围压洞设置的监测孔，以及设置于监测孔内的监测仪器，能够直接在现场进行特征强度测量，并且通过认为控制围压洞内的水压，改变围压条件，激发岩体在不同应力条件下的开挖响应，通过系统监测仪器，捕获岩体的开挖响应，揭示岩体中破裂损伤的演化过程，确定大尺度岩体的特征强度，为地下工程周边岩体的损伤程度判断和支护设计提供依据。
附图说明
图1为实施例的平面布置示意图。
图2为实施例的剖面布置示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实施例为一种大尺度脆性岩体特征强度测试装置，具有辅助洞5、围压洞6、测试洞7和监测孔8等。
本例中在现场岩体中开挖辅助洞5，辅助洞5的作用是用来施工测试洞7和围压洞6，并兼做地质超前探洞，确保试验场地的岩体具有代表性，并且没有大型结构面或者断层带的影响，辅助洞5洞径一般为4～6m。
在辅助洞5的一侧边墙上往岩体内开挖形成多个测试洞7和围压洞6，测试洞7与围压洞6交替布置。
为了消除洞室形状的影响，测试洞7洞型为圆型。测试洞7洞径大约为2m，长度要求超过3倍辅助洞5洞径，预选20～30m。在测试洞7内向围压洞6方向布设有若干监测孔8，监测孔8与围压洞6洞壁之间的距离超过1倍围压洞6洞径，并且监测孔8分别对应向围压洞6上部、中部和下部布置，以确保能够真实地监测围岩洞6的开挖响应。在监测孔8内布置空心包体应力计、多点位移计、声发射探头等监测仪器，并布置长观孔9，在不同围压阶段对岩体进行声波测试和钻孔电视扫描。
为了消除洞室形状的影响，围压洞6洞型为圆型，围压洞6洞径大约为1m，围压洞6与测试洞7之间的间距要求介于2～3倍测试洞7洞径，一般为4～5m。在围压洞6内设置密闭结构，密闭结构主要由外向内依次设置于围压洞6内的回填混凝土层601、缓冲材料层602(缓冲材料层采用聚乙烯泡沫塑料或者聚苯乙烯泡沫塑料)和高强度钢筒603，以确保围压洞6内的压力能够传递到岩体，其中高强度钢筒603的强度要求超过20MPa，以保证围压洞6内能够保持较高的水压，对于测试洞7周边的岩体围压具有较高的调整幅度，激发岩体裂纹扩展，出现不同的损伤破裂阶段，以获得相应的特征强度。本例在围压洞6的洞口处设置封闭门2，关闭封闭门2可在围压洞6内形成封闭腔室。
本实施例中在辅助洞5内设置充水装置和排水装置，充水装置包括含有阀门11和压力表10的压水装置12和充水管4，压水装置位于辅助洞5内，通过充水管4连通围压洞6内；排水装置包括排水竖井3和排水管1，围压洞6内经排水管1连通位于辅助洞5内的排水竖井3。
本实施例的具体施工方法如下：
1、开挖辅助洞5。
2、辅助洞5开挖完成后，在辅助洞5一侧的边墙首先开挖测试洞7，并在测试洞7内向拟开挖的围压洞6方向布设若干监测孔8，在监测孔8内布置空心包体应力计、多点位移计、声发射探头等监测仪器，并布置长观孔9，在不同围压阶段对岩体进行声波测试和钻孔电视扫描。
3、所有监测仪器调试完成后，在辅助洞5与测试洞7同侧的边墙上采用机械方式开挖围压洞6，并保持低开挖速率，避免对周边岩体造成损伤，待开挖至指定长度后，停止开挖，并保持1周时间，确保围岩时效破裂基本完成。
4、围压洞6施工完毕后，在围压洞6内由外向内依次设置回填混凝土层601、缓冲材料层602和高强度钢筒603，缓冲材料层602设置于围压洞6洞壁上，确保水压能够传递到周边岩体。
5、在辅助洞5内设置连通围压洞6内的充水装置和排水装置，并在辅助洞5洞口设置封闭门2；
6、关闭封闭门2，在围压洞6内形成以高强度钢筒603为内壁的封闭腔室，通过充水装置向封闭腔室内充水，每次向封闭腔室内增加1MPa的水压力并保持一段时间，确保施加的压力能够传递给围岩，并密切关注监测仪器的变化；
如果首次声发射事件出现明显的增长、声波出现明显降低，则对应于岩体超过了启裂强度，记录下此时的水压、空心包体应力计、多点位移计读数；
继续向围压洞6内增加水压力，当声发射事件出现第二次明显的增长时，对应于岩体超过了损伤强度，记录下此时的水压、空心包体应力计、多点位移计读数。
Claims (10)
1.一种大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：在现场岩体内开挖有辅助洞(5)，辅助洞(5)一侧的边墙上往岩体内开挖有测试洞(7)和围压洞(6)，测试洞(7)内向围压洞(6)方向布设有若干监测孔(8)，监测孔(8)内设置监测仪器；
所述围压洞(6)内由外向内依次设有回填混凝土层(601)、缓冲材料层(602)和高强度钢筒(603)，围压洞(6)洞口处设置封闭门(2)；所述辅助洞(5)内设有连通围压洞(6)的充水装置和排水装置。
2.根据权利要求1所述的大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：所述测试洞(7)内向围压洞(6)方向布设有用于在不同围压阶段对岩体进行声波测试和钻孔电视扫描的长观孔(9)。
3.根据权利要求1所述的大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：所述充水装置包括设置于辅助洞(5)内、含有阀门(11)和压力表(10)的压水装置(12)，压水装置(12)经充水管(4)连通所述围压洞(6)内；所述排水装置包括设置于辅助洞(5)内的排水竖井(3)和从围压洞(6)内延伸至排水竖井(3)的排水管(1)。
4.根据权利要求1所述的大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：所述监测仪器包括空心包体应力计、多点位移计和声发射探头。
5.根据权利要求1所述的大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：所述围压洞(6)与测试洞(7)之间间距为介于2～3倍测试洞(7)洞径，所述测试洞(7)的长度大于3倍所述辅助洞(5)洞径。
6.根据权利要求5所述的大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：所述围压洞(6)洞径为1m，测试洞(7)洞径为2m，辅助洞(5)洞径为4～6m。
7.根据权利要求1所述的大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：所述高强度钢筒(603)的强度大于20MPa。
8.根据权利要求1所述的大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：所述监测孔(8)与围压洞(6)洞壁之间间隔距离大于1倍围压洞(6)洞径，监测孔(8)分别对应围压洞(6)上部、中部和下部布置。
9.根据权利要求1所述的大尺度脆性岩体特征强度测试装置，其特征在于：所述测试洞(7)洞型为圆型；所述围压洞(6)洞型为圆型。
10.一种大尺度脆性岩体特征强度测试方法，其特征在于步骤如下：
10.1、开挖辅助洞(5)；
10.2、在辅助洞(5)一侧边墙上往岩体内开挖测试洞(7)，并在测试洞(7)内向拟开挖的围压洞(6)方向布设长观孔(9)和若干监测孔(8)，监测孔(8)内布置监测仪器，监测仪器包括空心包体应力计、多点位移计和声发射探头；
10.3、在辅助洞(5)与测试洞(7)同侧的边墙上往岩体内开挖围压洞(6)，待开挖至指定长度后，停止开挖并保持1周时间，确保围岩时效破裂基本完成；
10.4、在围压洞(6)洞壁上依次施工回填混凝土层(601)、缓冲材料层(602)和高强度钢筒(603)；
10.5、在辅助洞(5)内设置连通围压洞(6)内的充水装置和排水装置，并在辅助洞(5)洞口设置封闭门(2)；
10.6、通过充水装置向封闭门(2)和围压洞(6)形成的封闭腔室内充水，每次向封闭腔室内增加1MPa的水压力并保持一段时间；
若首次监测到声发射事件出现明显的增长、声波出现明显降低，则对应于岩体超过了启裂强度，记录下此时的水压、空心包体应力计、多点位移计读数；
继续向封闭腔室内增加水压力，当声发射事件出现第二次明显的增长时，对应于岩体超过了损伤强度，记录下此时的水压、空心包体应力计、多点位移计读数。
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