刚性承压板中心孔法变形试验设备和方法

肖本职，庞正江

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

刚性承压板中心孔法变形试验设备和方法

肖本职，庞正江

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

传统的刚性承压板变形试验方法无法解决层状岩体的变形特性问题，而分层弹模计算方法则可以通过一次试验求得不同岩层的模量，因此，需在传统的承压板法变形试验基础上发展一种新的与分层弹模计算方法相匹配的层状岩体承压板法变形试验方法，即刚性承压板中心孔法变形试验。刚性承压板中心孔法变形试验设备以传统的刚性承压板法试验设备为基础，通过比选，以承压板直径535 mm，中心孔直径79 mm，多点位移计钻孔直径76 mm，埋设4个锚头为宜。刚性承压板中心孔法变形试验方法及操作步骤应同时满足《水利水电工程岩石试验规程》（SL264-2001）第6.1和第10.2章节相应条款的技术要求。

刚性承压板；中心孔法；设备；试验方法

1 概述

岩体变形参数是工程岩体力学的重要参数之一，也是大坝稳定性设计的关键参数，因此，对岩体变形性质的研究是工程岩体力学性质研究的重要内容。传统的岩体变形试验包括刚性承压板法和柔性承压板法［1～4］，两者都是假定加压面以下岩体为半无限、均匀、连续、各向同性介质，用建立在以半无限均质体受集中力作用下的布辛涅斯克公式为基础推导出的公式计算弹性模量和变形模量。它对于连续介质岩体是合适的，但很多工程实践中遇到的岩体由含有裂隙、断层破碎带、软弱夹层等非均匀、复杂介质组成，有时连续均匀介质岩体还因开挖过程中受到爆破振动而产生松动层，破坏了岩体的连续性。传统的刚性承压板变形试验方法对这些成层状岩体的变形特性试验研究显得无能为力，只能仍然假定其为均质岩体，得到包含了上述软弱夹层带在内的综合变形及其模量。而工程中却很迫切地需要这些软弱夹层带的变形特性及其模量。

岩体现场承压板变形试验分层弹模研究始于上世纪80年代中期［5，6］，长江科学院李迪教授等研究人员自上世纪90年代初就提出了分层弹模计算的理论并在工程中初步应用［7～9］。所谓分层弹模计算就是假定岩体在受力范围内成层，每层介质为均质体，从成层岩体的一次变形试验中，把试验影响范围内不同岩层的模量都分别测定出来。这种方法区别于传统承压板法变形试验，主要有两点，一是它以成层岩体为研究对象；二是以分层弹模计算为理论基础。分层弹模计算方法可以通过一次试验，同时求得不同岩层的模量，则不仅可以避免为求得各层变形（弹性）模量而分层开挖、暴露和扰动岩层，而且可以缩短试验时间、节约经费。分层弹模计算的成败关键是地质岩层能否准确划分和试验能否提供较多较好的变形实测数据，而传统的承压板法变形试验在以上两个方面往往不完全具备。因此，需在传统的承压板法变形试验基础上发展一种新的与分层弹模计算方法相匹配的层状岩体承压板法变形试验方法［10～13］。

适合于分层弹模计算的层状岩体变形试验方法应该是表面变形与深部变形同时进行测量的方法，即中心孔法深部变形试验同时测量表面变形的方法。对于柔性承压板中心孔法，已经有较多经验，其试验设备也基本成熟，然而，刚性承压板中心孔法却一直没有发展起来。柔性承压板法适用于坚硬岩体变形试验，而刚性承压板法适用于各种岩体。且刚性承压板中心孔法变形试验比柔性承压板中心孔法变形试验具有操作简便、刚性板上可以布变形测表、测试过程干扰少、测试结果更精确等优点，在工程实际中应用更普遍。因此，发展刚性承压板中心孔变形试验方法对于解决层状岩体的变形试验问题十分必要。

“工欲善其事，必先利其器”，要发展刚性承压板中心孔变形试验方法，就必须研制相应的试验设备。

2 传统刚性承压板法设备

传统的刚性承压板变形试验方法已经非常成熟，其主要试验设备包括：承压板、加载系统（油泵、千斤顶、高压油管、压力表）、传力系统（传力柱）和测读系统（千分表、百分表、表架等）。通常采用的是圆形刚性承压板。

我国的岩石力学试验规程规定，试验面积不得小于2 000 cm2，因此，刚性承压板的直径一般都设计为505 mm。考虑承压板的重量需要适合搬运，承压板厚度通常采用60 mm。由于刚性承压板试验适用于各类岩石的变形试验，而对于坚硬岩石，上述承压板刚度明显不够，故通常又都采用多块钢板宝塔式叠置安装方式。常用的承压板及叠置板参数如表1。试验安装示意图如图1。

图1 传统刚性承压板安装效果Fig.1 Installation diagram of traditional rigid bearing plate

表1 传统刚性承压板法中承压板及叠置板参数Table 1 Parameters of the bearing plate and superposition plate

3 刚性承压板中心孔法设备

刚性承压板中心孔法变形试验设备主要是在传统的刚性承压板试验设备基础上发展起来的，其主要试验设备与传统的刚性承压板试验设备大致相同。但是传统的刚性承压板法只能测到岩体的表面变形，而刚性承压板中心孔法除了测到表面变形外，还可以测到深部的岩体变形，对层状岩体的分层弹模计算提供了更为有利的条件。因此，刚性承压板中心孔法变形试验设备与传统的刚性承压板试验设备的主要差别在于：①承压板中心有孔。②加载系统的千斤顶为空心千斤顶。③测读系统在原有基础上多了一套多点位移计系统。

刚性承压板中心孔法变形试验设备装配效果见图2，钻孔多点位移计孔口套筒安装在空心千斤顶内。

图2 刚性承压板中心孔法设备装配效果Fig.2 Installation diagram of rigid bearing plate centric hole way

3.1 承压板

文献［1］、［3］规定，承压板面积不得小于2 000 cm2，承压板的直径与中心孔的大小有关，而中心孔的直径与多点位移计钻孔直径有关。关于多点位移计钻孔直径问题在3.3节进行讨论。根据意大利ISMES研究成果，中心孔的直径小于承压板直径的0.15倍时，不会显著影响岩体的变形特性。本文以多点位移计钻孔直径Φ76 mm作为设备研究基础。承压板及叠置板参数见表2，中心孔的直径为承压板直径的14.77%，试验面积为2 200 cm2。

表2 刚性承压板中心孔法中承压板及叠置板参数Table 2 Parameters of bearing plate and superposition plate

3.2 千斤顶

刚性承压板中心孔法变形试验对于千斤顶除了根据试验荷载要求千斤顶型号外，并无别的太多额外条件。但是，由于本套设备多点位移计套筒外形尺寸为Φ130 mm，因此，必须要求千斤顶为中空式，且内径必须大于Φ130 mm。以柳州欧维姆建筑机械有限公司生产的YCW250A型空心千斤顶作为试验设备，其主要参数为：公称油压54 MPa；张拉行程200 mm；张拉活塞面积452.38 cm2；张拉力2 450 kN；穿心孔直径Φ136 mm。

根据工程经验，10 MPa能够满足几乎所有工程的最大试验应力，则最大试验荷载约为2 200 kN。

3.3 多点位移计

上世纪70年代末80年代初，钻孔多点位移计在我国水电系统研制成功或引进，它是一种测试钻孔轴向变形的测试手段，目前应用非常成熟［14～16］。钻孔多点位移计的种类和型号很多，按测量点数划分有从单点到多点系列；按钻孔孔径划分有Φ56 mm、Φ76 mm、Φ91 mm等系列，另外，从传感器测量原理、安装技术等来进行划分又可以分出很多种。

总结水利行业岩体变形试验各种边界条件、试验条件及经济条件，决定采用国产多点位移计，主要技术参数为：量程±20 mm；测点数4；测孔深度5 m；钻孔直径Φ76 mm；分辨率0.001 mm；精度1.0%F.S；孔口套筒外形尺寸Φ130 mm。

钻孔与孔口套筒连接金属管尺寸：Φ76 mm×400 mm（不含丝口部分）。

3.4 其它

刚性承压板中心孔法变形试验除了上述3个方面与传统刚性承压板设备的区别外，其它就是传力柱需要有一个小孔，以便多点位移计传感器读数线穿出。而空心千斤顶与上部传力柱之间可以加工一个专用连接件传递，也可以通过一块钢板过渡。

表3 刚性承压板中心孔法及传统刚性承压板法变形试验的方法及操作程序Table 3 The method and operation program for the rigid bearing plate centric hole method and the traditional rigid bearing plate test method

4 试验操作方法

刚性承压板中心孔法变形试验是在传统的刚性承压板变形试验基础上发展而来的，因此，其试验方法及操作程序仍与传统刚性承压板变形试验接近。但由于设备及测试内容的差别，刚性承压板中心孔法变形试验的主要方法和操作程序与传统刚性承压板法变形试验还是存在一定的差异。表3介绍了刚性承压板中心孔法变形试验的方法及主要操作程序，并与传统刚性承压板法进行比较。

表3中所列刚性承压板中心孔法变形试验的基本操作程序主要有10个步骤，但它并不是绝对不变的，对于（1）-（4）条的工作内容其先后次序是可以根据具体情况进行调整的，调整的目的是为了提高工作效率和利于成果质量。而对于每道工序的要求均应满足相应规程规范之规定。

5 结语

（1）刚性承压板中心孔法变形试验配合分层弹模计算方法可以很好地解决传统的刚性承压板变形试验方法无法解决的关于层状岩体各层岩体的变形特性试验问题。虽然柔性承压板中心孔法也具有相同的功能，但柔性承压板中心孔法更适用于坚硬岩体，且安装较为复杂，而刚性承压板中心孔法适用于各类岩体且安装相对简单，操作更简便。

（2）以承压板直径535 mm，中心孔直径79 mm，多点位移计钻孔直径76 mm，埋设4个锚头，全部采用国产设备的刚性承压板中心孔法变形试验成套设备既能够满足科研生产需要，成本又相对较低，便于在工程应用及科研工作中推广。

（3）刚性承压板中心孔法变形试验的方法和操作程序与传统刚性承压板法有一定区别。在试验操作过程中，除应满足规程中关于岩体变形试验的各项技术要求外，还应满足规程中关于岩体钻孔轴向变形（多点位移计）观测的各项技术要求。

（4）边界条件和加卸荷条件是直接影响岩体变形试验成果精准度的两个重要条件。相关规范已对传统刚性承压板变形试验的边界条件和加卸荷条件作出了明确的规定。刚性承压板中心孔法变形试验方法虽然是在传统的刚性承压板变形试验方法基础上发展起来的，但两者在方法和原理上还是存在一定差别，刚性承压板中心孔法变形试验在边界条件和加卸荷条件等方面是否需要在传统的刚性承压板变形试验方法基础上进行调整或修改，还有待进行更深入细致的研究。

［1］ DLJ204-81 SLJ 2-81，水利水电工程岩石试验规程［S］.北京：水利出版社，1982.

［2］DL5006-92，水利水电工程岩石试验规程（补充部分）［S］.北京：水利电力出版社，1993.

［3］SL264-2001，水利水电工程岩石试验规程［S］.北京：中国水利电力出版社，2001.

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［6］ 王 凯.N层弹性连续体系在圆形均布荷载作用下的力学计算［J］.土木工程学报，1982，15（2）：65-76.

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［11］李 迪，张 漫，王志旺，等.柔性承压板法变形试验分层弹模的联合计算［J］.固体力学学报（计算力学专辑），2003，24：204-208.

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Deformability Test Equipments and Rigid Bearing Plate Centric Hole Method

XIAO Ben-zhi，PANG Zheng-jiang

（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources（Chongqing Center），Yangtze River Scientific Research Institute，Chongqing 430010，China）

The method of traditional rigid bearing plate test for rockmass deformability can't resolve the deformability characteristics problems of layered rockmass.But the elastic modulus of every layer of rockmass can be determined from one test using layered modulus calculation method.Hence，the new method of deformability test for layered rockmass，namely the rigid bearing plate centric hole method，must be developed based on the traditional rigid bearing plate test method，which matches with the layered modulus calculation.The test equipments have been improved based on the traditional rigid bearing plate test equipments.Through the comparison，the following data will be suitable，namely the diameter of bearing plate is 535 mm，the diameter of centric hole is 79 mm，the hole diameter of multi-point extensometer is 76 mm，and 4 gauging points should be set.The test method and operation program for the centric hole rigid bearing plate deformability test must satisfy the technology claims of the chapter-sections 6.1 and 10.2 for the Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering（SL264-2001）simultaneously.

rigid bearing plate；centric hole method；equipments；test method

TV223.1

A

1001-5485（2009）07-0025-04

2008-07-02；

2009-03-16

水利部岩土力学与工程实验室开放基金资助项目（G07-17）

肖本职（1966-），男，重庆垫江人，高级工程师，主要从事岩石力学试验与地应力测试等方面的工作，（电话）023-63600884（电子信箱）benzhi xiao＠163.com。

（编辑：刘运飞）