剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)設(shè)備和方法

肖本職，龐正江

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)設(shè)備和方法

肖本職，龐正江

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

傳統(tǒng)的剛性承壓板變形試驗(yàn)方法無法解決層狀巖體的變形特性問題，而分層彈模計(jì)算方法則可以通過一次試驗(yàn)求得不同巖層的模量，因此，需在傳統(tǒng)的承壓板法變形試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展一種新的與分層彈模計(jì)算方法相匹配的層狀巖體承壓板法變形試驗(yàn)方法，即剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)。剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)設(shè)備以傳統(tǒng)的剛性承壓板法試驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，通過比選，以承壓板直徑535 mm，中心孔直徑79 mm，多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔直徑76 mm，埋設(shè)4個(gè)錨頭為宜。剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)方法及操作步驟應(yīng)同時(shí)滿足《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL264-2001）第6.1和第10.2章節(jié)相應(yīng)條款的技術(shù)要求。

剛性承壓板；中心孔法；設(shè)備；試驗(yàn)方法

1 概述

巖體變形參數(shù)是工程巖體力學(xué)的重要參數(shù)之一，也是大壩穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此，對巖體變形性質(zhì)的研究是工程巖體力學(xué)性質(zhì)研究的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的巖體變形試驗(yàn)包括剛性承壓板法和柔性承壓板法［1～4］，兩者都是假定加壓面以下巖體為半無限、均勻、連續(xù)、各向同性介質(zhì)，用建立在以半無限均質(zhì)體受集中力作用下的布辛涅斯克公式為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的公式計(jì)算彈性模量和變形模量。它對于連續(xù)介質(zhì)巖體是合適的，但很多工程實(shí)踐中遇到的巖體由含有裂隙、斷層破碎帶、軟弱夾層等非均勻、復(fù)雜介質(zhì)組成，有時(shí)連續(xù)均勻介質(zhì)巖體還因開挖過程中受到爆破振動(dòng)而產(chǎn)生松動(dòng)層，破壞了巖體的連續(xù)性。傳統(tǒng)的剛性承壓板變形試驗(yàn)方法對這些成層狀巖體的變形特性試驗(yàn)研究顯得無能為力，只能仍然假定其為均質(zhì)巖體，得到包含了上述軟弱夾層帶在內(nèi)的綜合變形及其模量。而工程中卻很迫切地需要這些軟弱夾層帶的變形特性及其模量。

巖體現(xiàn)場承壓板變形試驗(yàn)分層彈模研究始于上世紀(jì)80年代中期［5，6］，長江科學(xué)院李迪教授等研究人員自上世紀(jì)90年代初就提出了分層彈模計(jì)算的理論并在工程中初步應(yīng)用［7～9］。所謂分層彈模計(jì)算就是假定巖體在受力范圍內(nèi)成層，每層介質(zhì)為均質(zhì)體，從成層巖體的一次變形試驗(yàn)中，把試驗(yàn)影響范圍內(nèi)不同巖層的模量都分別測定出來。這種方法區(qū)別于傳統(tǒng)承壓板法變形試驗(yàn)，主要有兩點(diǎn)，一是它以成層巖體為研究對象；二是以分層彈模計(jì)算為理論基礎(chǔ)。分層彈模計(jì)算方法可以通過一次試驗(yàn)，同時(shí)求得不同巖層的模量，則不僅可以避免為求得各層變形（彈性）模量而分層開挖、暴露和擾動(dòng)巖層，而且可以縮短試驗(yàn)時(shí)間、節(jié)約經(jīng)費(fèi)。分層彈模計(jì)算的成敗關(guān)鍵是地質(zhì)巖層能否準(zhǔn)確劃分和試驗(yàn)?zāi)芊裉峁┹^多較好的變形實(shí)測數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的承壓板法變形試驗(yàn)在以上兩個(gè)方面往往不完全具備。因此，需在傳統(tǒng)的承壓板法變形試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展一種新的與分層彈模計(jì)算方法相匹配的層狀巖體承壓板法變形試驗(yàn)方法［10～13］。

適合于分層彈模計(jì)算的層狀巖體變形試驗(yàn)方法應(yīng)該是表面變形與深部變形同時(shí)進(jìn)行測量的方法，即中心孔法深部變形試驗(yàn)同時(shí)測量表面變形的方法。對于柔性承壓板中心孔法，已經(jīng)有較多經(jīng)驗(yàn)，其試驗(yàn)設(shè)備也基本成熟，然而，剛性承壓板中心孔法卻一直沒有發(fā)展起來。柔性承壓板法適用于堅(jiān)硬巖體變形試驗(yàn)，而剛性承壓板法適用于各種巖體。且剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)比柔性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)具有操作簡便、剛性板上可以布變形測表、測試過程干擾少、測試結(jié)果更精確等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際中應(yīng)用更普遍。因此，發(fā)展剛性承壓板中心孔變形試驗(yàn)方法對于解決層狀巖體的變形試驗(yàn)問題十分必要。

“工欲善其事，必先利其器”，要發(fā)展剛性承壓板中心孔變形試驗(yàn)方法，就必須研制相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備。

2 傳統(tǒng)剛性承壓板法設(shè)備

傳統(tǒng)的剛性承壓板變形試驗(yàn)方法已經(jīng)非常成熟，其主要試驗(yàn)設(shè)備包括：承壓板、加載系統(tǒng)（油泵、千斤頂、高壓油管、壓力表）、傳力系統(tǒng)（傳力柱）和測讀系統(tǒng)（千分表、百分表、表架等）。通常采用的是圓形剛性承壓板。

我國的巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，試驗(yàn)面積不得小于2 000 cm2，因此，剛性承壓板的直徑一般都設(shè)計(jì)為505 mm?？紤]承壓板的重量需要適合搬運(yùn)，承壓板厚度通常采用60 mm。由于剛性承壓板試驗(yàn)適用于各類巖石的變形試驗(yàn)，而對于堅(jiān)硬巖石，上述承壓板剛度明顯不夠，故通常又都采用多塊鋼板寶塔式疊置安裝方式。常用的承壓板及疊置板參數(shù)如表1。試驗(yàn)安裝示意圖如圖1。

圖1 傳統(tǒng)剛性承壓板安裝效果Fig.1 Installation diagram of traditional rigid bearing plate

表1 傳統(tǒng)剛性承壓板法中承壓板及疊置板參數(shù)Table 1 Parameters of the bearing plate and superposition plate

3 剛性承壓板中心孔法設(shè)備

剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)設(shè)備主要是在傳統(tǒng)的剛性承壓板試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其主要試驗(yàn)設(shè)備與傳統(tǒng)的剛性承壓板試驗(yàn)設(shè)備大致相同。但是傳統(tǒng)的剛性承壓板法只能測到巖體的表面變形，而剛性承壓板中心孔法除了測到表面變形外，還可以測到深部的巖體變形，對層狀巖體的分層彈模計(jì)算提供了更為有利的條件。因此，剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)設(shè)備與傳統(tǒng)的剛性承壓板試驗(yàn)設(shè)備的主要差別在于：①承壓板中心有孔。②加載系統(tǒng)的千斤頂為空心千斤頂。③測讀系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上多了一套多點(diǎn)位移計(jì)系統(tǒng)。

剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)設(shè)備裝配效果見圖2，鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)孔口套筒安裝在空心千斤頂內(nèi)。

圖2 剛性承壓板中心孔法設(shè)備裝配效果Fig.2 Installation diagram of rigid bearing plate centric hole way

3.1 承壓板

文獻(xiàn)［1］、［3］規(guī)定，承壓板面積不得小于2 000 cm2，承壓板的直徑與中心孔的大小有關(guān)，而中心孔的直徑與多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔直徑有關(guān)。關(guān)于多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔直徑問題在3.3節(jié)進(jìn)行討論。根據(jù)意大利ISMES研究成果，中心孔的直徑小于承壓板直徑的0.15倍時(shí)，不會顯著影響巖體的變形特性。本文以多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔直徑Φ76 mm作為設(shè)備研究基礎(chǔ)。承壓板及疊置板參數(shù)見表2，中心孔的直徑為承壓板直徑的14.77%，試驗(yàn)面積為2 200 cm2。

表2 剛性承壓板中心孔法中承壓板及疊置板參數(shù)Table 2 Parameters of bearing plate and superposition plate

3.2 千斤頂

剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)對于千斤頂除了根據(jù)試驗(yàn)荷載要求千斤頂型號外，并無別的太多額外條件。但是，由于本套設(shè)備多點(diǎn)位移計(jì)套筒外形尺寸為Φ130 mm，因此，必須要求千斤頂為中空式，且內(nèi)徑必須大于Φ130 mm。以柳州歐維姆建筑機(jī)械有限公司生產(chǎn)的YCW250A型空心千斤頂作為試驗(yàn)設(shè)備，其主要參數(shù)為：公稱油壓54 MPa；張拉行程200 mm；張拉活塞面積452.38 cm2；張拉力2 450 kN；穿心孔直徑Φ136 mm。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，10 MPa能夠滿足幾乎所有工程的最大試驗(yàn)應(yīng)力，則最大試驗(yàn)荷載約為2 200 kN。

3.3 多點(diǎn)位移計(jì)

上世紀(jì)70年代末80年代初，鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)在我國水電系統(tǒng)研制成功或引進(jìn)，它是一種測試鉆孔軸向變形的測試手段，目前應(yīng)用非常成熟［14～16］。鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)的種類和型號很多，按測量點(diǎn)數(shù)劃分有從單點(diǎn)到多點(diǎn)系列；按鉆孔孔徑劃分有Φ56 mm、Φ76 mm、Φ91 mm等系列，另外，從傳感器測量原理、安裝技術(shù)等來進(jìn)行劃分又可以分出很多種。

總結(jié)水利行業(yè)巖體變形試驗(yàn)各種邊界條件、試驗(yàn)條件及經(jīng)濟(jì)條件，決定采用國產(chǎn)多點(diǎn)位移計(jì)，主要技術(shù)參數(shù)為：量程±20 mm；測點(diǎn)數(shù)4；測孔深度5 m；鉆孔直徑Φ76 mm；分辨率0.001 mm；精度1.0%F.S；孔口套筒外形尺寸Φ130 mm。

鉆孔與孔口套筒連接金屬管尺寸：Φ76 mm×400 mm（不含絲口部分）。

3.4 其它

剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)除了上述3個(gè)方面與傳統(tǒng)剛性承壓板設(shè)備的區(qū)別外，其它就是傳力柱需要有一個(gè)小孔，以便多點(diǎn)位移計(jì)傳感器讀數(shù)線穿出。而空心千斤頂與上部傳力柱之間可以加工一個(gè)專用連接件傳遞，也可以通過一塊鋼板過渡。

表3 剛性承壓板中心孔法及傳統(tǒng)剛性承壓板法變形試驗(yàn)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 試驗(yàn)操作方法

剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)是在傳統(tǒng)的剛性承壓板變形試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，因此，其試驗(yàn)方法及操作程序仍與傳統(tǒng)剛性承壓板變形試驗(yàn)接近。但由于設(shè)備及測試內(nèi)容的差別，剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)的主要方法和操作程序與傳統(tǒng)剛性承壓板法變形試驗(yàn)還是存在一定的差異。表3介紹了剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)的方法及主要操作程序，并與傳統(tǒng)剛性承壓板法進(jìn)行比較。

表3中所列剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)的基本操作程序主要有10個(gè)步驟，但它并不是絕對不變的，對于（1）-（4）條的工作內(nèi)容其先后次序是可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整的，調(diào)整的目的是為了提高工作效率和利于成果質(zhì)量。而對于每道工序的要求均應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)程規(guī)范之規(guī)定。

5 結(jié)語

（1）剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)配合分層彈模計(jì)算方法可以很好地解決傳統(tǒng)的剛性承壓板變形試驗(yàn)方法無法解決的關(guān)于層狀巖體各層巖體的變形特性試驗(yàn)問題。雖然柔性承壓板中心孔法也具有相同的功能，但柔性承壓板中心孔法更適用于堅(jiān)硬巖體，且安裝較為復(fù)雜，而剛性承壓板中心孔法適用于各類巖體且安裝相對簡單，操作更簡便。

（2）以承壓板直徑535 mm，中心孔直徑79 mm，多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔直徑76 mm，埋設(shè)4個(gè)錨頭，全部采用國產(chǎn)設(shè)備的剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)成套設(shè)備既能夠滿足科研生產(chǎn)需要，成本又相對較低，便于在工程應(yīng)用及科研工作中推廣。

（3）剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)的方法和操作程序與傳統(tǒng)剛性承壓板法有一定區(qū)別。在試驗(yàn)操作過程中，除應(yīng)滿足規(guī)程中關(guān)于巖體變形試驗(yàn)的各項(xiàng)技術(shù)要求外，還應(yīng)滿足規(guī)程中關(guān)于巖體鉆孔軸向變形（多點(diǎn)位移計(jì)）觀測的各項(xiàng)技術(shù)要求。

（4）邊界條件和加卸荷條件是直接影響巖體變形試驗(yàn)成果精準(zhǔn)度的兩個(gè)重要條件。相關(guān)規(guī)范已對傳統(tǒng)剛性承壓板變形試驗(yàn)的邊界條件和加卸荷條件作出了明確的規(guī)定。剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)方法雖然是在傳統(tǒng)的剛性承壓板變形試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但兩者在方法和原理上還是存在一定差別，剛性承壓板中心孔法變形試驗(yàn)在邊界條件和加卸荷條件等方面是否需要在傳統(tǒng)的剛性承壓板變形試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整或修改，還有待進(jìn)行更深入細(xì)致的研究。

［1］ DLJ204-81 SLJ 2-81，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：水利出版社，1982.

［2］DL5006-92，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程（補(bǔ)充部分）［S］.北京：水利電力出版社，1993.

［3］SL264-2001，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：中國水利電力出版社，2001.

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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

水利部巖土力學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（G07-17）

肖本職（1966-），男，重慶墊江人，高級工程師，主要從事巖石力學(xué)試驗(yàn)與地應(yīng)力測試等方面的工作，（電話）023-63600884（電子信箱）benzhi xiao＠163.com。

（編輯：劉運(yùn)飛）