论文部分内容阅读
1.江苏南京地质工程勘察院 江苏南京 210041；
2.南京坤拓土木工程科技有限公司 江苏南京 210041，
3.江苏省地质工程有限公司 江苏南京 210018
摘要：本文介绍了钻孔弹模测试法在南京牛首山风景区边坡勘察中的应用研究结果。结合工程实例，本文阐述了钻孔弹模法的测试原理与数据分析方法，根据测试结果计算了中风化-强风化岩石的变形模量与弹性模量，并与现场钻孔取芯样在室内试验得到的结果进行了对比分析。结果表明，钻孔弹模测试法能够准确地反映现场岩体的变形特征，尤其在针对强风化岩体时具有避免扰动、更接近岩体真实状态等优势，在工程场地勘查中具有广泛的应用前景。
关键词：钻孔弹模法；弹性模量；变形模量
1 引言
在边坡勘查工程及计算边坡稳定性的过程中，需要对目标岩体的变形指标进行系统性的评价。弹性模量和变形模量作为两个重要的定量评价指标，一般仍采用钻孔取样并通过室内试验的方法进行获取，测得值往往与岩体原位的变形参数有着较大的区别。而现场承压板试验虽保证了测试的原位特征，但其测试深度与费用的高昂依然使其具有较大的局限性。钻孔弹模法作为一种测试岩体原位变形指标的新型测试方法，可以快速测定一定深度岩体的原位变形模量和弹性模量。与其他方法相比其具有着设备轻便易操作、受场地条件限制较小的优势。同时由于其测试周期短、成本低，故可以进行大范围多点测试，使其测得的数据具有较强的代表性。目前，钻孔弹模法已被广泛应用于水电工程岩体力学特性勘察当中。刘元坤等利用钻孔弹模法对三峡水电站坝区岩体的变形模量与弹性模量进行了现场测试，并评价了灌浆前后岩石变形特征的变化情况。尹健民等则借助钻孔弹模法对水电站坝基开挖爆破施工时岩体的卸荷特征进行评价。同时也有景锋等和罗超文等将该方法应用于检测工程基础灌浆处理效果，通过现场原位获取的基岩弹性模量与变形模量的变化情况进行评价。艾凯等指出，钻孔弹模法尤其适用于软弱岩体及风化程度较高的岩体，因为传统钻孔取样往往无法得到理想的测试芯样，这种情况下现场的原位测试无疑能更加准确的反映岩体的力学和变形性能。
本研究结合南京牛首山牛首胜景一期工程地质详勘工程，借助钻孔弹模法对场地内不同风化程度岩块的原位变形模量与弹性模量进行了现场测取，并与对应岩石取样后室内试验测得的值进行了比对与分析。
2 工程地质概况
本研究所处场地为南京市牛首山风景区，地处南京南郊。拟建场地属低山丘陵地貌单元。牛首山原始地形分东西两峰，主峰东高西低，东西两峰的海拔标高为247.5m和201.6m，山顶有东西向山脊，略呈鞍形；南东两面有30m左右的断崖环绕。后因铁矿开采，原始地形地貌已发生变化。场地中央为铁矿开采后形成的矿坑，坑底最低高程在106 m。目前地形呈四周高，中间低的特点，四周山坡高点至坑底的高差在54～141.5 m。场地中岩石类型主要有：强风化-中风化凝灰岩，强风化-中风化蚀变安山质凝灰岩。本研究中针对强风化凝灰岩、中风化凝灰岩及中风化蚀变安山质凝灰岩进行了钻孔弹模测试。
3 钻孔弹模测试原理及试验方法
3.1 测试仪器及测试原理
本研究中采用GY-90孔内弹模测定器。该仪器是在中科院岩土所BJ-110钻孔弹模计基础上改进而成。钻孔弹模法通过弹模仪中千斤顶给钻孔孔壁施加水平向对称的一对压力，并利用自身内置的位移传感器测得孔壁受力后的径向变形。在试验过程中分别对应有加载过程与卸载过程。本研究中，利用加载曲线计算变形模量，并按照卸荷曲线计算弹性模量，计算公式参照公式1：E=A×H×D×T*×△Q/△d （1）
式中：A=0.915（与弹模计长径比有关的系数），H=0.97（压力修正系数），D—钻孔直径（mm），△d—直径增量（mm），△Q—压力增量（MPa）。T*—与岩石泊松比及弹模计接触角有关的系数，根据Hustrulid，
当泊松比γ=0.20，接触角2b =45?时，T*=2.193；
当泊松比γ=0.25，接触角2b=45?时，T*=2.141；
当泊松比γ=0.30，接触角2b=45?时，T*=2.077；
3.2 试验方法
现场测试时钻孔弹模试验方法简述如下：
1.将GY-90探头连接至钻杆，以加载板中心位置为测试点每间隔1 m将油管、电缆捆紧到钻杆上；
2.将弹模仪小心插入孔中，下放至每一测试深度，记录加载方向与测试深度；
3.扳动换向阀，切换至伸缩模式加压至预定压力，当位移读数基本不变时，扳动换向阀进行泄压，并记录此时位移传感器读数，然后施加至下一级荷载，本次试验中加载压力最大为20 MPa；
4. 将探头移至下一测试深度，重复步骤3进行孔压弹模实验。
4 结果分析与讨论
4.1 压力变形曲线分析
本研究所测得的压力变形曲线经统计分析大致分为两类曲线，见图1（a）、（b）。这两类曲线在加载过程中均呈现一定的弹塑性特性，即低压状态下岩体先出现一定的裂隙闭合，在高压阶段才表现出较好的线性特征，处于弹性变形阶段A，B两类曲线不同之处在于，卸荷状态下，A类曲线表现出较好的线性特征，而B类曲线则呈明显的非线性状态。这可能是由于对于具有一定风化特征且具有节理发育的岩石，在回弹的低压阶段会伴随之前闭合的裂隙的二次张开。
（a）A类曲线 （b）B类曲线
图1 钻孔弹模压力-变形曲线
无论是A类曲线还是B类曲线，均存在压力-变形曲线在低压和高压阶段具有不同特性的情况出现。本研究所采用加载曲线计算变形模量，并按照卸荷曲线计算弹性模量，在计算变形模量中都考虑了不同应力量级下岩体的变形参数特征，这种计算方式更符合变形模量与弹性模量的定义。
4.2与室内试验对比分析
本研究借助钻孔取芯，采用室内试验测定了对应钻孔芯样的弹性模量与变形模量，室内试验的结果与现场钻孔弹模法测得的结果对比见表1。表1中可发现，对于中风化类岩石，现场钻孔弹模法测得的弹性模量与室内试验得到的结果较为接近，个别点位测得的弹性模量要小于室内试验测得的结果。经分析，原因在于室内试验选取的试样均为完整岩石块体，本身即具有较高的完整性，而现场测试时则会遭遇岩石裂隙、破碎等自然现象，因此导致测得值较低。而对于强风化岩石，室内试验测得的结果则显著低于钻孔弹模试验结果，这表明钻孔弹模试验较于取样后进行室内测试，具有对待测岩体扰动低、结果符合原位条件等优势。
表1 室内测试结果与钻孔弹模结果对比表
岩石种类 弹性模量（GPa）
室内试验结果 现场弹模试验
中风化凝灰岩 2.121 1.41-4.17
强风化凝灰岩 0.123 0.24-0.3
中风化蚀变安山岩 3.720 2.08-4.79
5 结论
牛首胜景一期工程场地详勘中采用的钻孔弹模测试结果表明，相较于钻孔取样后利用岩石块体在室内测得的岩体变形参数，钻孔弹模测试能够提供岩体在原位条件上的变形参数，包括岩体的变形模量与弹性模量。
尤其针对强风化类岩体，钻孔弹模法有效避免了取样过程中对岩体的扰动，直接在原位条件下对岩块的变形参数进行测试，更好的反映出实际情况下岩体在受力条件下的变形特征，为进一步的设计与施工方案制定可以提供更加精确的现场数据。
参考文献：
[1] 邓伟杰，路新景，房后国，等. 钻孔弹模测试技术的应用研究[J]. 长江科学院院报，2012，29（08）：67-71.
[2] 刘元坤，尹健民，艾凯，等. 钻孔弹模法在三峡工程岩体力学特性中的应用研究[J]. 长江科学院院报，2008，25（05）：29-31.
[3] 景锋，余美万，边智华，等. 钻孔弹模计检测坝基固结灌浆试验效果[C]// 第四届中国岩石锚固与注浆学术会议. 2007.
2.南京坤拓土木工程科技有限公司 江苏南京 210041，
3.江苏省地质工程有限公司 江苏南京 210018
摘要：本文介绍了钻孔弹模测试法在南京牛首山风景区边坡勘察中的应用研究结果。结合工程实例，本文阐述了钻孔弹模法的测试原理与数据分析方法，根据测试结果计算了中风化-强风化岩石的变形模量与弹性模量，并与现场钻孔取芯样在室内试验得到的结果进行了对比分析。结果表明，钻孔弹模测试法能够准确地反映现场岩体的变形特征，尤其在针对强风化岩体时具有避免扰动、更接近岩体真实状态等优势，在工程场地勘查中具有广泛的应用前景。
关键词：钻孔弹模法；弹性模量；变形模量
1 引言
在边坡勘查工程及计算边坡稳定性的过程中，需要对目标岩体的变形指标进行系统性的评价。弹性模量和变形模量作为两个重要的定量评价指标，一般仍采用钻孔取样并通过室内试验的方法进行获取，测得值往往与岩体原位的变形参数有着较大的区别。而现场承压板试验虽保证了测试的原位特征，但其测试深度与费用的高昂依然使其具有较大的局限性。钻孔弹模法作为一种测试岩体原位变形指标的新型测试方法，可以快速测定一定深度岩体的原位变形模量和弹性模量。与其他方法相比其具有着设备轻便易操作、受场地条件限制较小的优势。同时由于其测试周期短、成本低，故可以进行大范围多点测试，使其测得的数据具有较强的代表性。目前，钻孔弹模法已被广泛应用于水电工程岩体力学特性勘察当中。刘元坤等利用钻孔弹模法对三峡水电站坝区岩体的变形模量与弹性模量进行了现场测试，并评价了灌浆前后岩石变形特征的变化情况。尹健民等则借助钻孔弹模法对水电站坝基开挖爆破施工时岩体的卸荷特征进行评价。同时也有景锋等和罗超文等将该方法应用于检测工程基础灌浆处理效果，通过现场原位获取的基岩弹性模量与变形模量的变化情况进行评价。艾凯等指出，钻孔弹模法尤其适用于软弱岩体及风化程度较高的岩体，因为传统钻孔取样往往无法得到理想的测试芯样，这种情况下现场的原位测试无疑能更加准确的反映岩体的力学和变形性能。
本研究结合南京牛首山牛首胜景一期工程地质详勘工程，借助钻孔弹模法对场地内不同风化程度岩块的原位变形模量与弹性模量进行了现场测取，并与对应岩石取样后室内试验测得的值进行了比对与分析。
2 工程地质概况
本研究所处场地为南京市牛首山风景区，地处南京南郊。拟建场地属低山丘陵地貌单元。牛首山原始地形分东西两峰，主峰东高西低，东西两峰的海拔标高为247.5m和201.6m，山顶有东西向山脊，略呈鞍形；南东两面有30m左右的断崖环绕。后因铁矿开采，原始地形地貌已发生变化。场地中央为铁矿开采后形成的矿坑，坑底最低高程在106 m。目前地形呈四周高，中间低的特点，四周山坡高点至坑底的高差在54～141.5 m。场地中岩石类型主要有：强风化-中风化凝灰岩，强风化-中风化蚀变安山质凝灰岩。本研究中针对强风化凝灰岩、中风化凝灰岩及中风化蚀变安山质凝灰岩进行了钻孔弹模测试。
3 钻孔弹模测试原理及试验方法
3.1 测试仪器及测试原理
本研究中采用GY-90孔内弹模测定器。该仪器是在中科院岩土所BJ-110钻孔弹模计基础上改进而成。钻孔弹模法通过弹模仪中千斤顶给钻孔孔壁施加水平向对称的一对压力，并利用自身内置的位移传感器测得孔壁受力后的径向变形。在试验过程中分别对应有加载过程与卸载过程。本研究中，利用加载曲线计算变形模量，并按照卸荷曲线计算弹性模量，计算公式参照公式1：E=A×H×D×T*×△Q/△d （1）
式中：A=0.915（与弹模计长径比有关的系数），H=0.97（压力修正系数），D—钻孔直径（mm），△d—直径增量（mm），△Q—压力增量（MPa）。T*—与岩石泊松比及弹模计接触角有关的系数，根据Hustrulid，
当泊松比γ=0.20，接触角2b =45?时，T*=2.193；
当泊松比γ=0.25，接触角2b=45?时，T*=2.141；
当泊松比γ=0.30，接触角2b=45?时，T*=2.077；
3.2 试验方法
现场测试时钻孔弹模试验方法简述如下：
1.将GY-90探头连接至钻杆，以加载板中心位置为测试点每间隔1 m将油管、电缆捆紧到钻杆上；
2.将弹模仪小心插入孔中，下放至每一测试深度，记录加载方向与测试深度；
3.扳动换向阀，切换至伸缩模式加压至预定压力，当位移读数基本不变时，扳动换向阀进行泄压，并记录此时位移传感器读数，然后施加至下一级荷载，本次试验中加载压力最大为20 MPa；
4. 将探头移至下一测试深度，重复步骤3进行孔压弹模实验。
4 结果分析与讨论
4.1 压力变形曲线分析
本研究所测得的压力变形曲线经统计分析大致分为两类曲线，见图1（a）、（b）。这两类曲线在加载过程中均呈现一定的弹塑性特性，即低压状态下岩体先出现一定的裂隙闭合，在高压阶段才表现出较好的线性特征，处于弹性变形阶段A，B两类曲线不同之处在于，卸荷状态下，A类曲线表现出较好的线性特征，而B类曲线则呈明显的非线性状态。这可能是由于对于具有一定风化特征且具有节理发育的岩石，在回弹的低压阶段会伴随之前闭合的裂隙的二次张开。
（a）A类曲线 （b）B类曲线
图1 钻孔弹模压力-变形曲线
无论是A类曲线还是B类曲线，均存在压力-变形曲线在低压和高压阶段具有不同特性的情况出现。本研究所采用加载曲线计算变形模量，并按照卸荷曲线计算弹性模量，在计算变形模量中都考虑了不同应力量级下岩体的变形参数特征，这种计算方式更符合变形模量与弹性模量的定义。
4.2与室内试验对比分析
本研究借助钻孔取芯，采用室内试验测定了对应钻孔芯样的弹性模量与变形模量，室内试验的结果与现场钻孔弹模法测得的结果对比见表1。表1中可发现，对于中风化类岩石，现场钻孔弹模法测得的弹性模量与室内试验得到的结果较为接近，个别点位测得的弹性模量要小于室内试验测得的结果。经分析，原因在于室内试验选取的试样均为完整岩石块体，本身即具有较高的完整性，而现场测试时则会遭遇岩石裂隙、破碎等自然现象，因此导致测得值较低。而对于强风化岩石，室内试验测得的结果则显著低于钻孔弹模试验结果，这表明钻孔弹模试验较于取样后进行室内测试，具有对待测岩体扰动低、结果符合原位条件等优势。
表1 室内测试结果与钻孔弹模结果对比表
岩石种类 弹性模量（GPa）
室内试验结果 现场弹模试验
中风化凝灰岩 2.121 1.41-4.17
强风化凝灰岩 0.123 0.24-0.3
中风化蚀变安山岩 3.720 2.08-4.79
5 结论
牛首胜景一期工程场地详勘中采用的钻孔弹模测试结果表明，相较于钻孔取样后利用岩石块体在室内测得的岩体变形参数，钻孔弹模测试能够提供岩体在原位条件上的变形参数，包括岩体的变形模量与弹性模量。
尤其针对强风化类岩体，钻孔弹模法有效避免了取样过程中对岩体的扰动，直接在原位条件下对岩块的变形参数进行测试，更好的反映出实际情况下岩体在受力条件下的变形特征，为进一步的设计与施工方案制定可以提供更加精确的现场数据。
参考文献：
[1] 邓伟杰，路新景，房后国，等. 钻孔弹模测试技术的应用研究[J]. 长江科学院院报，2012，29（08）：67-71.
[2] 刘元坤，尹健民，艾凯，等. 钻孔弹模法在三峡工程岩体力学特性中的应用研究[J]. 长江科学院院报，2008，25（05）：29-31.
[3] 景锋，余美万，边智华，等. 钻孔弹模计检测坝基固结灌浆试验效果[C]// 第四届中国岩石锚固与注浆学术会议. 2007.