深部岩体变形原位测试—钻孔弹模测试

   钻孔弹模是国内外已发展起来的一种在岩体深部和地下水位以下进行分段量测用来确定深部岩体的变形特性及其弹性参数的一种对岩体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，用于对岩体进行分类评价以及与工程物探检测一起检查建筑物基础灌浆效果等。使用的仪器有钻孔压力仪、钻孔膨胀仪、钻孔弹模计等，本文以CJBE75-Ⅱ钻孔弹模计为例介绍其测试原理及工程应用实例。

2 仪器结构和测试原理

    CJBE75-Ⅱ型钻孔弹模计是根据Goodman钻孔千斤顶的原理设计而成，主要由加压系统和位移测试系统组成。试验时通过加压使探头内四个千斤顶活塞推动两块刚性承压板对钻孔壁岩体施加一对称的条带荷载，承压板上装有位移传感器用来测量钻孔孔壁岩体在加载时不同压力下的径向变形量。
    岩体变形参数按国际岩石力学学会测试方法专委会推荐公式计算：
        E＝K1•K2•r(ν•β)•H•D•ΔP/ΔD
式中
        E： 弹性模量Ee或变形模量E0(MPa)；
        K1： 变形标定系数；
        K2： 三维效应系数；
        r(ν•β)：与泊松比ν及接触角β有关的函数；
        H ： 油压系数；
        D ： 钻孔直径(cm)；
        ΔP： 计算压力，为测试压力与初始压力量之差(MPa)；
        ΔD: 钻孔岩体径向变形(cm)。
    测试要求：钻孔孔壁应平直光滑；相邻两加压段边缘之间的距离应大于1倍加压段长。试验最大压力应根据岩体强度和工程设计要求确定。分级按最大压力等分7～10级加压，加压方式为逐级一次循环法。测试方法和技术按《岩石试验规程》(SL264—2001)执行。

3 工程应用实例

    钻孔变形测试在紫坪埔水利枢纽工程确定趾板基础建基面和导流洞固结灌浆效果检测中共进行了24个钻孔的测试。

3.1 右岸趾板K5孔
    紫坪埔工程坝区基岩为三叠系上统须家河组的一套湖相含煤砂页岩地层，趾板横跨向斜核部。右岸J－K－L段岩性为中粒砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩局部夹煤质页岩，L12节理带从中穿过。岩层为高倾角且层面裂隙发育，风化卸荷等物理作用十分强烈。
在趾板基准线共进行了9个孔的钻孔变形测试，弹模测试钻孔为垂直方向，孔径为78mm,采用金刚石双层岩芯管钻进、取芯。K5孔测试结果见表3-1，典型的测试曲线、波速—孔深曲线见图3-1。

趾板基准线K5钻孔弹模测试成果表 表3-1

孔深(m) E(GPa)	8.2	8.9	9.5	16.8	17.8	18.8	19.4	20.8	21.6	22.6	23.1
变模E0	5.4	8.9	3.0	9.2	4.6	1.8	1.5	2.4	7.8	3.0	1.7
弹模Ee	6.2	9.8	3.4	12.4	4.8	2.3	2.1	2.7	10.6	3.5	2.6

    (1)压力-变形曲线反映了具有层理、裂隙等结构面的非均质岩体的特征。低压段的压力与变形不呈线性关系，随着压力的增大，岩石中微裂隙闭合，承压板与钻孔孔壁完全接触，曲线渐渐线性化。在卸压段的高压部分，曲线回弹较小，原因是岩壁回弹力很小，不足以抵抗弹模计的机械阻力，并且岩体可能存在蠕变现象，因而各测点的回弹曲线残余变形较大。
    (2)从波速-孔深曲线可以看出，按波速K5孔分三层：孔深0~8.7m纵波速度1600~2800m/s的强风化、强卸荷的泥质粉砂岩，孔深8.7~18.8m纵波速度2000~4000m/s的弱风化砂岩夹泥质粉砂岩、孔深18.8~25.8m纵波速度1600~2200m/s的破碎的泥质粉砂岩、煤质页岩。从测试结果看，岩体纵波波速与变形模量具有相关性，即：声速值高且均匀的测段，变模值高；反之，波速低，变模低。但也有相近波速值的不同测段，变模值差异较大的情况，这主要是因超声波测试是沿孔深方向，变模测试是沿孔径方向，而岩石是具有各向异性的。

3.2 导流洞固结灌浆效果检测
    紫坪铺水利枢纽两条导流洞布置在右岸单薄的条形山脊中，穿过沙金坝倾伏向斜一套砂页岩地层，在不同洞段和不同高程穿越了L9层间剪切破碎带、F3断层破碎带、向斜轴部和旧煤洞采空区地段，洞室围岩十分破碎，地下水丰富，围岩稳定性差，施工期对不同地质地段其进行了固结灌浆处理。为检查固结灌浆效果及了解围岩质量，对不同地质地段进行了声波测试和钻孔变形测试。

紫坪铺水利枢纽导流洞固结灌浆声波和钻孔变形测试成果

    表中可见，Ⅲ~Ⅳ岩体灌后声波速度均大于4000 m/s，弹性模量大于12 GPa，满足设计要求。对Ⅳ、Ⅴ类围岩灌前弹性模量较低，这是由于I单元是F3断层影响带，岩体较破碎。G6单元是洞进口，岩体风化卸荷严重。

4 结语

    (1)使用钻孔弹模仪在紫坪铺趾板及导流洞进行了变形原位测试得到了相关岩体参数，用于岩体分类及指导基岩灌浆处理程序和优化施工设计。
    (2)该方法试验压力范围大、传感器灵敏度高，适用于坚硬完整和较完整的岩体。承压板面积较大(承压板长30cm)取得的测试数据具有代表性，尤其是对具有节理裂隙发育的非均质岩体。
    (3)钻孔变形测试具有设备轻便、试验简易、快速、费用低等特点。
    (4)洞室内测试可依据需要而定钻孔方向。而对于勘探钻孔大多是垂直地面钻进的，所测量的变形模量也多是水平向的。