钻孔弹模测试技术的应用研究

邓伟杰，路新景，房后国，于立新

(黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003)

1 研究背景

水利工程建基面的确定，需要对岩体的质量进行评价，其中岩体的变形指标是关键参数之一。同时在计算地基变形和边坡稳定时，也需要明确岩体的弹性模量及变形模量。而室内试验得到的只是岩块的参数，与岩体原位的变形参数相差较大。现场承压板法试验由于试验洞的限制，一般很难在岩体深部测试，同时费用也较高［1－2］。

钻孔弹模测试与其他方法相比，有其自身优点:①设备轻便、操作简便;②不受地下水条件的影响;③能了解岩体深部的变形特征。钻孔试验法的试点可以远离开挖面，因而可减小开挖和试件制备时对岩体的破坏及暴露面的松弛影响，试点处岩体基本上可以保持原状;同时因试验周期短、经济，故可以广泛开展钻孔试验，使结果更具有代表性［3］。

目前钻孔弹模法主要用于测试岩体变形特性、评价岩体卸荷特征［4］、检测岩体质量［5］、检测固结灌浆效果［6］等。

古德曼千斤顶为国际岩石力学委员会建议的岩体变形测试设备，但在国内实际工程中的运用并不多。目前还存在一些问题:

(1)对于测试点位置及方向的选择没有规范或约定方法。同一场地，测试点位不同将得到不同的数据;同一点位不同方向的模量值也不尽相同，各向异性明显的岩体更是差别明显。

(2)出现多种曲线特征的根本原因不甚明确。

(3)结果计算中选取哪个区间段没有统一的认识。对于试验数据的处理，计算弹性模量和变形模量时曲线区间的选取不同会得到不同的计算结果。

(4)利用钻孔弹模计自身特点，结合工程项目的实际需要，更好地解决实际问题。

本文针对以上存在的问题，结合云南某拱坝水电站工程展开分析讨论。

2 测试原理

本研究采用BJ系列钻孔弹模计［7］(见图1)，该设备主要由二路加压系统、位移量测系统及压力量测系统组成。试验时利用仪器内部的4个千斤顶活塞推动2块刚性承压板对钻孔壁岩体施加对称的条带载荷。在承压板上装有LVDT线性差动变压器式位移传感器，用来测量钻孔孔壁岩体在加载时的径向变形，用安装在活塞上的测力计直接测定出力。对于水平孔可以进行岩体模量值的双向试验(平行水平面和垂直水平面)，而对垂直孔只能做岩体模量值的水平向试验。

图1 BJ系列钻孔弹模计构造图Fig.1 Structure of borehole jack of BJ Series

弹性模量理论计算公式为

式中:E为弹性模量;p为试验压力;d为钻孔直径;ud为孔径变形;T*(ν，β)为与泊松比ν和半接触角β有关的系数。

公式(1)为理论计算公式，而每种具体的钻孔弹模计因为设计参数不同，弹模计算公式不尽相同，同时实际应用中要考虑其它因数的影响，而非理论解的边界条件，所以计算公式因仪器而异［8］。

本研究利用的钻孔弹模计根据式(2)计算试验部位岩体的变形模量或弹性模量E(GPa)值，

式中:A为三维问题的影响系数;H为压力修正系数;D为钻孔直径(mm);ΔQ为压力增量(MPa);ΔD为变形增量(mm);T*(ν，β)为与岩体泊松比和承压板宽度(接触孔壁时圆周角大小)有关的系数。

3 测试方案

测试点位置应结合工程实际，考虑整个工区情况和可能工况，同时注重关键部位。由于大坝蓄水后坝肩是主要受力部位之一，因此坝肩测试点的位置应选在坝肩槽范围内。测试点的深度直接影响测试数据，由于开挖表面受爆破及卸荷的影响，模量值会降低。坝肩槽位置各级高程测试点预设在2 m处，经深度研究和工程认可后也可适当调整。同时为了研究弹模沿坡面垂直方向上随深度的变化，左右坝肩各设置了2个18 m的深孔，使测试孔能够穿过爆破及卸荷的影响带，每孔设置3个测试点。

原设计建议建基面为642 m高程，为了节省投资、缩短工期，开挖到650 m后进行了岩体质量初步评价，但缺少数据的支撑。鉴于以上原因，在650 m高程处设置了少量2 m钻孔，其它为8 m深的钻孔，每孔4个测试点。得到了模量随深度的变化关系。测试点大致均匀在各种岩性的岩体上。

由于坝基为高倾角层状岩体，加荷方向的选择是要根据工程完工投入使用后岩体受力方向进行确定。由于岩体具有一定的各向异性，合适测试点方向得到的模量值才具针对性和适用性。对于坝肩槽范围内的测试点，方向分别为坝弧线的切线方向和垂直方向。坝基测试点的方向分别为与坝轴线平行和垂直方向。

4 压力变形曲线特性分析

本次测试的压力变形曲线总体上符合典型曲线的一般规律(见图2、图3)。大部分曲线与图2(a)、(b)类似，我们可称之为A类曲线。该类曲线低压段的压力与变形不呈线弹性关系，表现为弹塑性关系。这是由于岩体存在裂隙，初始压力时期岩体裂隙在外力作用下而开始闭合，表现出塑性特征。在高压段基本成线性关系，这是由于裂隙已经基本闭合，表现出弹性特征。回弹曲线同样表现非线性关系。对于该类曲线，选用曲线前段计算变形模量值一般较低。选取加压段中的高压段计算弹性模量值与选用回弹曲线计算弹性模量值基本一致。

图2(c)、(d)为另一类型曲线，我们可称之为B类曲线。该类曲线加压段压力与变形近似线弹性关系，回弹时表现为非线性关系。

图2 压力－变形曲线Fig.2 Pressure-deformation curves

图3 岩芯图Fig.3 Images of the core

5 数据处理原则

水利水电工程岩石试验规程(SL264—2001)中规定，以径向全变形求解的为变形模量。以径向弹性变形求解的为弹性模量。在岩体的实际变形过程中，弹性变形与塑性变形是同时发生的，不易区分出弹性变形。如果认为回弹曲线不包括塑性变形，利用回弹曲线计算弹性模量不失为一种方法。而实际上对于裂隙节理较发育的岩体，在低压时都会伴随有一定程度的裂隙闭合与张开。同时径向的全变形包括了初始加压段中由于岩体裂隙的闭合造成的变形，这部分变形在计算变形模量中要予以去除。

从变形图(图2)中可以看出，对于B类曲线，选取变形曲线加压段任一段来计算变形模量与弹性模量，其结果差别不大，但若选取回弹曲线计算弹性模量，二者差别较大。对于A类压力变形曲线，其加压段可大致分成两段。一种方法是利用低压段求解变形模量，利用高压段求解弹性模量;另一种方法是利用整个加压段求解变形模量，利用整个回弹段求解弹性模量。后一种方法更符合变形模量与弹性模量的定义，但该种计算方法受测试中所施加最大压力的影响较明显。

对于不同岩性、不同质量的岩体、不同的工程，如果没有一个统一的选取原则和计算方法，会使同一工程不同点位的试验结果没有可比性，也会使不同工程之间的试验结果没有了可比性。我们建议利用加压段计算变形模量，利用回弹曲线计算弹性模量，必要时可以分级计算。

6 钻孔弹模法测试成果分析

首先可以从表1中看出，坝肩测试点岩体的模量值大部分1 m测试点的模量值比3 m测试点的模量值要小很多，因此可以初步确定爆破影响深度为1～3 m。坝基测试点2个方向的模量不同，说明岩体具有一定的各向异性，大多数测试点垂直方向与切线方向变形(弹性)模量比值都在1附近，总体来讲各向异性并不明显。只有个别点差别较大，具有较明显的各向异性。

从图4中可以看出5 m与7 m测试点的模量值相差不大，同时可以看出1 m和3 m测试点的模量值要小于5 m测试点模量值，因此可以认为卸荷影响深度超过3 m，但应在5 m以内。

从表1可见1 m测试点虽然在爆破影响深度和卸荷深度内，但是弹性模量都大于3 GPa，满足设计要求。有少数点的变形模量小于3 GPa，建议对这些部位进行处理。另外爆破影响范围以外岩体的变形特性基本一致，在进行变形计算时可以近似认为是均一介质。

表1 钻孔弹模测试成果Table 1 Measured borehole elastic moduli

图4 同一测试孔中模量随深度变化图Fig.4 Curves of elastic and deformation modulus vs.depth in the same borehole

爆破及卸荷会使表层岩体的变形模量和弹性模量降低。在根据变形曲线进行测试数据处理时，可不考虑低压段，选用中高压段来计算变形模量和弹性模量，从而消除爆破及卸荷对岩体变形模量与弹性模量的影响，较准确地反应爆破及卸荷前岩体的变形模量和弹性模量。

对1 m和3 m处测试点选用上述方法计算变形模量和弹性模量，结果见表2。消除影响后，变形模量和弹性模量都有增大，但增大程度不尽相同。对比表1中5 m测试点的模量值和表2中测试点模量值，可以看出:1 m测试点在消除影响后仍比5 m测试点模量值小，3 m测试点模量值在扣除影响后与5 m测试点模量值基本一致。

表2 扣除爆破及卸荷影响前后对比Table 2 Impact of blasting and unloading on elastic modulus

7 不同方法测试结果对比分析

表3为钻孔弹模测试点对应岩芯变形模量的室内试验成果的一部分。试验方法为单轴压缩变形试验。对比表1与表3可以发现，室内试验结果远大于利用钻孔弹模计在原位测得的变形模量。原因是原位测试对象为岩体，而室内试验对象是岩石试件，试件本身的完整性较好。

表3 岩芯室内试验成果Table 3 Results of lab test on rock core

同时根据承压板法测试成果，即变形模量在0.76 ～9.17 GPa，弹性模量在2.03 ～ 21.47 GPa，可见承压板法与钻孔弹模法测试结果较接近。

8 结论

(1)钻孔弹模测试点的布设位置应结合工程实际工况，考虑对工程的关键部位进行重点测试。测试方向根据工程投入运行后的实际受力方向确定，可能时需多方向测试。

(2)钻孔弹模测试压力变形曲线一般分A，B两类，表现出不同变形特性。A类曲线低压段的压力与变形不呈线弹性关系，表现为弹塑性关系;在高压段基本成线性关系，回弹曲线同样表现为非线性关系。B类曲线加压段压力与变形近似线弹性关系，回弹时表现为非线性关系。

(3)在进行数据处理时有2种方法:一种为采用压力变形曲线低压段计算变形模量，高压段计算弹性模量;另一种方法为利用整个加压段计算变形模量，利用整个回弹曲线计算弹性模量，必要时可以分级计算。笔者建议结合工程情况采用后一种计算方法，必要时可按实际工程荷载考虑。

(4)在坝肩及坝基变形分析时，可依据不同岩性和部位的弹性模量值来判定岩体是否可以作为单一介质考虑。同时不同部位和岩体的弹性模量值可为数值分析提供更为具体的参数。

(5)可依据不同方向的弹性模量值判定岩土的各向异性。本工区地基岩体的各向异性特征不明显，垂直方向的模量略大于切线方向的模量，地基可近似为各向同性介质。

(6)可根据弹性模量值随深度的变化规律确定爆破和卸荷影响深度。

(7)通过对比不同变形试验方法测试结果发现:钻孔弹模测试方法与承压板法结果比较接近，后者测试数据略小;而室内试验结果远大于前2种现场测试手段的测试结果。

［1］SL264—2001，岩石试验规范［S］.北京:中华人民共和国水利部，2001.(SL264—2001，Rock Test Specification［S］.Beijing:Ministry of Water Resource of the People’s Republic of China，2001.(in Chinese))

［2］GB/T50266—99，工程岩体试验标准［S］.北京:中华人民共和国建设部，1999.(GB/T50266—99，Engineering Rock Mass Test Standards［S］.Beijing:Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China，1999.(in Chinese))

［3］石林珂，孙文怀，郝小红.岩土工程原位测试［M］.郑州:郑州大学出版社，2003.(SHI Lin-ke，SUN Wenhuai，HAO Xiao-hong.Geotechnical Engineering In-situ Testing［M］.Zhengzhou:Zhengzhou University Press，2003.(in Chinese))

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［8］章 光，闵 弘.陈静曦.某核电站核岛地基钻孔弹模试验研究［J］.岩土工程界，2000，(3):38－42.(ZHANG Guang，MIN Hong，CHEN Jing-xi.Borehole Jack Test in a Nuclear Island Ground Base［J］.Geotechnical Engineering World，2000，(3):38 －42.(in Chinese ))