岩体工程特性现场测试方法及其成果相关性研究

陈文强，赵宇飞，赵发辉，曾祥喜，王玉杰，林兴超

（1.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京 100048；2.云南省牛栏江－滇池补水工程建设指挥部，云南 昆明 650051；3.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014）

岩体是由结构面与其切割的岩块组成的赋存于一定地质环境中的地质体，其工程力学特性主要由结构面和岩块的力学特性共同决定［1～2］。在岩土工程中，岩体抗剪强度参数的确定是制约工程设计与施工的关键。实际工程中，由现场大尺寸岩体力学试验得到的岩体强度参数可以较好地反映岩体工程力学特性，但限于试验中岩体尺寸、时间以及试验经费等方面原因，实际工程中所进行的现场以及室内力学试验数量都非常有限，因此仅靠这些有限的试验数据很难得到能够真实反映岩体工程特性的设计参数。

在实际工程中，岩体强度参数的确定通常在一定数量的室内外试验基础上，结合地质勘察以及工程经验来确定岩体抗剪强度参数。随着岩体质量评价的现场测试手段的不断发展，以及在工程中广泛应用，利用这些测试方法对岩体进行检测得到的成果，可以为工程中岩体强度参数的确定提供重要的参考与借鉴。施建新［3］通过现场岩体声波波速测试快速评判了坝基岩体质量。王法刚［4］结合现场钻孔声波测试和钻孔弹性模量测试，建立了基岩体变形模量值与其声波波速值的相关关系，为快速计算岩体弹性模量提供了依据。但在实际工程中，鲜有岩体测试设备能直接在工程现场快捷地得到岩体抗剪强度参数。20世纪末，美国爱荷华州立大学的Handy教授提出了岩体钻孔剪切试验方法，并研制了适用于软—中等硬度岩体的岩石钻孔剪切仪(Rock Borehole Shear Test，简称RBST)，已在美国、日本等国家得到了初步应用［5～6］。我国在2006年修订的《工程地质手册》上也明确提到了土体钻孔剪切仪，并指出:“其最大的优点是操作简单，可重复性较高，钻孔剪切试验目前在我国还尚未见有实用报道”［7］。因此，可以结合现场岩体钻孔剪切试验、岩体钻孔声波测试以及岩体钻孔弹性模量测试，对测试成果进行相关性分析，可以为实际工程中的岩体工程力学参数的确定提供重要的参考与借鉴。

本文结合向家坝水电站坝基岩体质量评价工作，利用引进的岩体钻孔剪切试验设备，与目前工程中常见的岩体钻孔声波测试以及岩体钻孔弹性模量测试手段相结合，开展坝基岩体工程质量评价，并对同一钻孔中相同孔深处的三种测试成果进行相关性研究，得到三者相关关系的经验公式。最后利用已建立的经验公式估算岩体的力学特性参数，分别与《水利水电工程地质勘察规范》和向家坝相关岩体力学参数建议值进行比较分析，为岩体工程中设计、施工与运行阶段中的力学强度参数的确定提供重要的参考与借鉴。

1 三种现场测试方法简介

1.1 钻孔剪切试验

岩石钻孔剪切仪和其核心器件——剪切头的结构如图1所示。与室内和现场的直剪试验原理类似，岩石钻孔剪切仪是在钻孔内某一深度将两块对称的带有齿状突起的剪切板压入钻孔孔壁内，使剪切板两平行的齿状凸起间形成一薄层岩片，然后通过提拉与剪切板连接的钢杆，实现嵌入齿状凸起的岩片与孔周围岩体的直接剪切破坏。该试验可以看作沿着这一薄层岩片(图1b中虚线部分)的强制直剪破坏试验。在岩石钻孔剪切试验中，如嵌于齿状凸起间岩片的面积为A，作用于岩片上的法向力和连杆的提拉力分别为P和T，则作用在岩片上的正应力和剪应力分别为:

图1 岩石钻孔剪切仪结构示意图Fig.1 Structural diagram of a rock bore shear test meter

岩石钻孔剪切仪主要由剪切头、法向力和剪切力(提拉力)的液压控制装置、提供应力的液压千斤顶和连杆以及油管等附属部分组成。

剪切头是钻孔剪切仪的核心部位，由2块有平行齿状凸起的弧形剪切板和可以带动剪切板扩张和回缩的活塞组成。剪切板大小为2.5cm×2.0cm，其中沿钻孔轴向长2.5cm。剪切板上的齿状凸起呈“∧”型，高1mm，角度为60°。两齿状凸起沿钻孔轴向平行，且相距2.2cm。这意味着两齿状凸起间可嵌入的岩片(或单片剪切面积)的面积为(2.2×2.0)cm2。

液压千斤顶主要用于给连接剪切头的连杆施加拉力，一般放置在孔口处。由于剪切头被封装在带孔的框架内，通过孔口提拉与这一框架相连的连杆使框架底部的基座向上推压剪切头从而施加剪应力。

1.2 钻孔声波测试

钻孔声波测试技术主要是根据岩体介质的声学性质所开展的现场测试手段，不同岩体的物理特性、岩性、结构特征、力学性能等都对其声学性质有密切关系。因此，利用可检测到的声学信息(包括声速、振幅、频率等)并加以处理与解释，可以判断岩体的物理力学特性以及构造(或缺陷)特征，从而进行岩体质量分级、工程应力分析及稳定性评价等［8］。

利用波速对岩体进行质量综合评价的优点主要有以下几个方面［8］:(1)试验所得的岩体声波速度指标，可以反映岩石性质、岩体的结构特点以及岩体风化程度等性状，能够较好地反应岩体综合特性；(2)岩体的波速与其他岩体力学指标有较好的相关性；(3)岩体波速测试简便快速，便于工程应用。

由上所述，可知实际工程中岩石声波测试应用广泛。许多国家、行业标准中相关岩体质量分类方面的内容，都将岩石声波波速作为一个重要的岩体质量评价指标［9～11］。

1.3 钻孔弹性模量测试

钻孔弹性模量测试是一种在岩体深部或地下水位以下岩体进行分段量测深部岩体变形特性及弹性参数的一种扰动很小的原位测试方法。这种方法的基本原理是:通过可移动的探头，对钻孔孔壁施加径向压力，测出岩体在压力作用下产生的变形量，根据岩体压力与变形关系曲线求出岩体的弹性模量、变形模量及各向异性参数等，主要用于岩体分类评价，或与工程物探检测设备一起检测建筑物基础灌浆效果等。钻孔弹性模量测试验仪器主要由钻孔压力仪、钻孔膨胀仪、钻孔弹性模量计等组成。

2 三种测试手段的相关分析

2.1 向家坝水电站坝基岩体现场测试成果

向家坝水电站厂房坝段基岩现场试验主要布置在厂房一坝段的JC2-5软弱夹层影响带内的较软岩体中。利用岩石钻孔剪切仪对厂房坝段和泄水坝段的泥质粉砂岩、砂岩和黑色泥岩共进行了17个孔近50余组的钻孔剪切试验，其中黑色条带状泥质粉砂岩中进行了3组钻孔剪切试验，黑色泥岩进行了43组钻孔剪切试验，试验数据散点图见图2。

图2 向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验数据散点图Fig.2 Results of the bore hole shear tests in the Xiangjiaba dam site

在向家坝水电站的前期勘探以及施工期中，进行了大量的钻孔声波测试。表1中为向家坝水电站坝基不同类别岩体中相同钻孔同一深度处钻孔剪切试验得到f值与现场声波测试得到的声波特征值［12］。

在向家坝水电站二期工程中，也进行了岩体钻孔弹性模量测试，表2为测试得到的不同类别的岩体变形模量［13］。

2.2 钻孔剪切测试与钻孔声波测试相关性分析

在向家坝水电站坝基岩体现场试验中，由于钻孔剪切试验与声波测试设备及工作条件的差异性，仅有11对钻孔剪切试验数据与钻孔声波测试数据是完全在同一岩体钻孔深度上试验得到的，试验数据如表1所示。由于通过试验得到的岩体抗剪强度参数中c离散型较大，因此仅对钻孔剪切试验所得的岩体抗剪强度参数f与岩体声波波速Vp的相关关系进行了分析。

表1 向家坝水电站坝基RBST和声波测试试验数据Table 1 Results of RBST and wave velocity tests in the Xiangjiaba dam site

表2 向家坝水电站坝基岩体钻孔变形模量试验成果表Table 2 Results of bore hole deformation module tests in the Xiangjiaba dam site

考虑到钻孔孔口位置处的岩体受扰动较大，试验所得的数据代表性差，经过去除表1中试验点扰动较大位置所得数据，绘制由钻孔剪切试验得到的岩体抗剪强度参数与岩体声波波速的相关关系回归曲线，如图3所示。

图3 f～Vp线性拟合图Fig.3 Correlation between the shear strength parameter(f)and the wave velocity(Vp)

由图3可见，钻孔剪切试验所得的岩体抗剪强度参数f与钻孔声波测试所得的VP具有明显的线性相关关系，通过最小二乘法分析得到二者关系式见式(3)，并通过相关分析，得到岩体抗剪强度参数f与岩体声波波速的拟合优度系数为0.7977，两者相关系数为0.8653:

式中:f——由岩体钻孔剪切试验得到的岩体内摩擦系数；

VP——由钻孔声波测试得到的岩体声波纵波波速(km/s)。

2.3 钻孔声波测试与弹性模量测试相关性分析

在向家坝水电站坝基岩体工程特性研究中，在同一钻孔深度进行声波测试与钻孔弹性模量测试得到的试验资料共130组，将岩体声波测试和钻孔弹性模量测试结果按照“岩体声波波速—岩体变形模量”以及“岩体声波波速—岩体弹性模量”进行整理，其散点分布图如图4所示。

利用常用的线性函数、对数函数、指数函数以及幂函数，对岩体变性模量、弹性模量与声波波速的相关关系进行了拟合研究，通过对这些拟合函数的对比，选取拟合效果最好的函数对两者相关关系进行描述。对岩体变形模量与单孔声波波速进行拟合研究得到的拟合结果见表3，可见采用幂函数对两组数据进行拟合可靠性较高。

图4 岩体单孔声波测试与弹性模量测试数据散点图Fig.4 Relationship between the wave velocity and the result of borehole elastic module tests

表3 向家坝坝址岩体钻孔剪切试验数据与岩体波波速拟合结果表Table 3 Results of RBST and wave velocity tests in the Xiangjiaba dam site

为了保证拟合到的岩体钻孔声波分别与钻孔变形模量和弹性模量试验结果有较好的相关关系，采用90%的概率保证率对试验数据中的粗差进行剔除，在剔除粗差后再进行拟合回归分析，见图5所示。

对于岩体变性模量E0与岩体声波波速VP进行幂函数回归得到的相关关系式如式(4)所示，其回归拟合优度为0.8055，两者相关系数为0.8930。

式中:E0——由钻孔弹性模量试验得到的岩体变形模量(GPa)。

对于岩体弹性模量E与岩体声波波速VP进行幂函数回归得到的相关关系式如式(5)所示，其回归拟合优度为0.6976，两者相关系数为0.7892。

式中:E——由钻孔弹性模量试验得到的岩体弹性模量(GPa)。

对比锦屏一级水电站中所进行的岩体钻孔声波与岩体钻孔弹性模量测试结果的相关性分析结果［14］，本次试验中得到的岩体钻孔声波与岩体钻孔弹性模量测试结果是合理可信的，两个工程中得到的关系式中参数较为相近，二者之间存在的差异主要是因为岩体特性不同导致的。

2.4 钻孔剪切测试与弹性模量测试相关性分析

结合分析得到的岩体声波波速与钻孔剪切试验得到的岩体摩擦系数的相关关系，可以得到向家坝水电站钻孔岩石变形模量E0和弹性模量E与钻孔剪切试验得到的岩体摩擦系数f之间的相关关系:

图5 岩体单孔声波波速与岩体变形参数拟合回归曲线Fig.5 Correlation between the wave velocity and the deformation modulus

2.5 讨论

利用《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487－2008)中给出的不同类型坝基岩体的声波特征值和向家坝岩体分类中的声波特征值，通过式(3)～(5)，可以估算不同坝基岩体的抗剪强度参数f、岩体变形模量E0与岩体弹性模量E的取值范围，见表4和表5。

表4 不同类别坝基岩体工程特性参数估算表(《水利水电工程地质勘察规范》)Table 4 Mechanical parameters of rock mass estimated with the values of wave velocity in the code for water resources and hydropower engineering geological investigation

分析表4和表5可知:

(1)岩体强度参数抗剪强度参数f估算值与规范建议值以及向家坝相关岩体建议值相差较多，这主要是在同一钻孔中同一位置处进行的岩体剪切试验与岩体声波测试比较少，且都是利用了黑色泥岩中钻孔进行的试验，泥岩属于软岩，因此回归得到的声波与岩体抗剪强度参数值f的相关关系式适用范围有局限性；

表5 不同类别坝基岩体工程特性参数估算表(向家坝试验资料)Table 5 Mechanical parameters of rock mass estimated with the values of wave velocity in the Xiangjiaba dam site

(2)利用声波与岩体变性模量相关关系估算的岩体变形模量，与规范中建议的岩体变性模量取值范围比较接近，但是对于Ⅳ2类岩体来说，相差相对较大。另外，与向家坝水电站坝基岩体变形模量与弹性模量建议值相比，对于Ⅰ类岩体，变形模量与弹性模量皆较高，而对于Ⅲ2类以下岩体，变形模量与弹性模量皆较低，造成以上现象的原因可能是向家坝水电站坝基的岩体特性以及试验数据较少导致的。

3 结论

(1)钻孔剪切试验方法可以在工程现场方便快捷地得到岩体抗剪强度参数，随着工程应用的不断反馈与完善，可以逐渐成为弥补室内外岩体试验不足的一种重要手段。

(2)三种工程岩体现场测试方法得到的结果具有较好的相关性，通过更多的试验数据以及更多的工程应用经验积累，逐步对得到的岩体工程力学特性参数的相关关系式进行修正与完善，可以较好地利用简单的现场测试方法对岩体工程质量进行快速而合理地评价。利用三者的相关关系，并结合部分实测数据，可以相互配合在水利水电工程中的岩体质量评价中使用，所得到的测试成果，将会为工程建设中岩体抗剪强度参数与变形特性参数的选取提供重要的参考。

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