原位试验

岩体的原位试验包括变形试验、强度试验和地应力测试3个方面。在变形试验中,有测定岩体各种模量的承压板法和液压枕法，以及测定隧洞围岩抗力系数的经向液压枕法和水压法。强度试验主要为岩体的直剪和抗压试验。抗压试验常与承压板法变形试验结合进行。原位三轴试验也在探索研究中。地应力测试可在钻孔（孔底、孔壁和孔径）中或岩体、地下洞室围岩表面上进行，直接测得岩体的应变，再用岩体变形参数计算地应力。

土体的原位试验主要包括以下项目：①载荷试验，是在试坑或钻孔中模拟天然地基条件施加垂直荷载，观测沉降与荷载的关系。根据荷载与沉降关系曲线确定地基土体的承载力和计算变形模量。②旁压试验，是将旁压器安置在钻孔中，通入高压水使旁压器向孔壁施加水平压力，孔壁土体发生变形，测量压力与孔壁土体的变形，绘出压力-变形曲线,并据以求得地基承载力。③十字板剪切试验,是将十字板头（由4块矩形钢板呈十字形焊接在轴杆上）压入钻孔中，等速转动轴杆带动十字板头，根据对所施加的纯扭矩与土体对十字板头的阻抗力矩相平衡的原理，计算土体的抗剪强度。此种试验仅适用于饱水的粘性土。④触探，是将一定形状的特制探头压入或用重锤击入钻孔孔底，根据土体对探头贯入的阻抗力，求得土体的某些工程地质参数。用静力将锥形探头压入土体中的为静力触探，由试验可直接测得贯入阻力以及锥头阻力和侧壁摩擦力。利用它们可以对土体分层，确定土体的承载力，或者通过经验关系或估算粘性土体的压缩变形指标、饱水粘性土体的抗剪强度以及砂土的密实度等。用一定质量的重锤将锥形探头击入土体中的为动力触探。动力触探以一定落矩将探头击入土体中一定深度所需要的锤击数为主要指标。标准贯入试验实质上是一种管状探头（常称为标准贯入器）的动力触探。根据不同类型动力触探的锤击数，可以确定不同类型土体的地基承载力，或者通过经验关系，估算粘性土和砂土的抗剪强度，以及粘性土的压缩变形指标，判断粘性土的稠度状态以及砂土的密实度和振动液化的可能性。

在工程实践中，关于试验的类型、项目、条件和方法的选定，取决于拟建建筑物的类型和规模，岩、土体的工程地质类型，以及建筑物建成后岩、土体实际的存在条件。2100433B

岩石参数是工程优化设计的基本依据，原位试验是工程岩体参数研究最有效的手段之一。针对我国西部地区复杂条件下岩体的力学特性与参数取值问题，本书在总结我国岩石力学试验研究实践的基础上，研发岩体原位高压变形试验与直剪试验、真三轴试验及流变试验新技术，集成创新岩体结构及微细观破坏过程精细探测技术，对复杂条件下工程岩体变形特性、强度特性、流变特性及微细观破坏机理进行深入研究。本书涵盖作者团队近十年研究成果，旨在推动我国复杂条件下水工岩体原位试验方法的发展，解决我国西部复杂条件下水利水电工程建设中的岩石力学关键技术问题。

第1章 绪论 1

1.1 岩体变形及强度性质常规原位试验技术 1

1.1.1 承压板法岩体变形试验 1

1.1.2 隧洞径向加压法岩体变形试验 5

1.1.3 岩体强度特性原位直剪试验 6

1.2 岩体原位三轴试验技术现状 7

1.3 岩体原位流变试验现状 7

1.4 裂隙岩体破坏过程精细测试研究现状 8

1.4.1 岩体结构螺旋CT扫描成像 8

1.4.2 岩石试验红外热成像 9

1.4.3 岩石破坏过程声发射测试技术 10

1.5 岩体力学参数取值现状 11

1.5.1 岩体变形模量取值方法 11

1.5.2 岩体强度参数取值方法 12

1.5.3 软弱结构面抗剪强度参数取值方法 12

1.5.4 工程岩体力学参数取值存在的问题 13

第2章 岩体原位抗剪试验新技术 14

2.1 坝基软岩大型抗力体试验 15

2.1.1 试验概况 15

2.1.2 岩体变形特征 15

2.1.3 岩体变形破坏机制分析 20

2.1.4 岩体抗剪强度及允许抗力 20

2.2 边坡岩体拉剪强度试验 21

2.2.1 试验概况 21

2.2.2 试验成果 21

2.2.3 岩体拉剪强度准则 22

2.3 岩体高压直剪试验 24

2.3.1 试验设备 24

2.3.2 试验方案 25

2.3.3 试验成果 25

2.3.4 岩体强度参数分析 26

2.3.5 试样直剪破坏特征 31

第3章 高应力条件下岩体原位变性试验 32

3.1 岩体原位高压变形试验技术研发 33

3.1.1 刚性承压板中心孔法岩体高压变形试验技术 33

3.1.2 中心孔法岩体变形模量分层反演取值方法 36

3.1.3 岩体原位试验微机伺服控制试验技术 39

3.2 深埋隧洞岩体刚性承压板中心孔法高压变形试验 41

3.2.1 高应力环境岩体松弛及试样制备 41

3.2.2 中心孔岩体波速测试及高精度钻孔电视摄像 42

3.2.3 刚性承压板中心孔法变形试验 44

3.2.4 高地应力环境下不同深度岩体的变形参数 46

3.2.5 应力水平对岩体变形参数的影响 49

3.3 柱状节理玄武岩变形模量分层反演分析 52

3.3.1 试验研究目的 52

3.3.2 柔性板中心孔法岩体变形试验 52

3.3.3 柱状节理玄武岩变形模量分层反演 56

3.3.4 柱状节理玄武岩变形模量综合分析 57

3.4 石英云母片岩伺服控制原位变形试验 58

3.4.1 试验研究目的 58

3.4.2 伺服控制承压板变形试验 58

3.4.3 石英云母片岩变形特性各向异性特征 60

第4章 复杂应力路径岩体原位真三轴试验 62

4.1 YXSW-12岩体原位真三轴试验系统 63

4.1.1 试验系统组成 63

4.1.2 工作原理 66

4.1.3 系统功能 67

4.1.4 试样制备 67

4.1.5 试验方法 68

4.1.6 成果处理 70

4.2 柱状节理岩体力学特性原位真三轴试验 73

4.2.1 岩体原位真三轴试验应力路径 73

4.2.2 三向应力作用下柱状节理玄武岩变形特性 74

4.2.3 柱状节理玄武岩三轴强度特性 79

4.2.4 柱状节理玄武岩卸侧压破坏特征 80

4.3 深埋岩体原位高压真三轴卸侧压破坏试验.81

4.3.1 试样制备及试验方案 81

4.3.2 深埋大理岩原位真三轴应力-应变曲线特征 83

4.3.3 深埋大理岩原位真三轴强度特性 85

4.3.4 深埋大理岩原位真三轴破坏特征 91

4.4 薄层大理岩化白云岩力学特性原位真三轴试验 92

4.4.1 试验布置及试验方案 92

4.4.2 薄层大理岩化白云岩各向异性变形特征 94

4.4.3 薄层大理岩化白云岩卸侧压破坏强度特性 98

4.4.4 薄层大理岩化白云岩卸侧压破坏模式 100

4.5 石英云母片岩变形破坏特性原位真三轴试验.100

4.5.1 试样制备及试验方案 100

4.5.2 石英云母片岩各向异性变形特性 102

4.5.3 石英云母片岩真三轴强度特性 105

4.5.4 石英云母片岩原位真三轴试验破坏特征 110

第5章 岩体原位流变试验 111

5.1 岩体原位流变试验新技术 112

5.1.1 岩体原位载荷流变试验技术 112

5.1.2 岩体原位真三轴流变试验技术 117

5.2 三峡永久船闸花岗岩原位单轴、三轴压缩流变试验 124

5.2.1 单轴压缩流变试验 124

5.2.2 常规三轴压缩流变试验 126

5.2.3 流变模型及流变参数 126

5.2.4 三峡永久船闸边坡岩体长期变形分析 127

5.3 薄层大理岩化白云岩真三轴流变试验 129

5.3.1 试验布置与加载方案 129

5.3.2 岩体流变曲线与流变特征 130

5.3.3 流变模型及流变参数 131

5.3.4 长期强度 134

5.4 高应力条件下大理岩原位真三轴流变试验 136

5.4.1 试验布置 137

5.4.2 高应力下大理岩流变特征 137

5.4.3 深埋大理岩流变模型及流变参数 139

5.4.4 深埋大理岩流变破坏特征 141

5.5 石英云母片岩真三轴卸侧压流变试验 143

5.5.1 试样制备与加载方案 143

5.5.2 石英云母片岩真三轴卸侧压流变特征 144

5.5.3 石英云母片岩真三轴卸侧压流变模型及流变参数 146

5.5.4 石英云母片岩长期强度 148

5.6 柱状节理玄武岩原位载荷流变试验 150

5.6.1 试验目的与加载方案 150

5.6.2 流变曲线与流变特征 151

5.6.3 流变模型及流变参数 152

5.7 软岩地基载荷流变试验 153

5.7.1 试验目的与试验方案 153

5.7.2 页岩地基流变特征与流变模型 156

5.7.3 桩-页岩复合地基流变特征与流变模型 159

5.7.4 桩-页岩复合地基流变机理分析 160

第6章 裂隙岩体变形破坏过程精细测试 162

6.1 精细测试综合集成技术 163

6.1.1 岩体结构超声CT成像 163

6.1.2 SCT扫描成像 164

6.1.3 声发射定位技术 166

6.1.4 红外热成像 171

6.2 岩体破坏过程波速-应力-应变关系及特征强度判断 173

6.2.1 岩体单轴压缩全过程波速-应力-应变关系 174

6.2.2 岩体真三轴加载破坏全过程波速-应力-应变关系 175

6.2.3 岩体真三轴卸侧压破坏波速-应力-应变关系 177

6.2.4 基于波速-应力-应变关系的岩体强度特征值判定 178

6.3 含裂纹岩块单轴压缩破裂过程精细探测 180

6.3.1 含裂纹岩块渐进破坏过程的红外热成像 180

6.3.2 岩块破裂过程微裂纹空间形态CT扫描重建 183

6.3.3 基于声发射技术的含裂纹岩块渐进破坏过程的精细描述 185

6.3.4 含裂纹岩块渐进破坏过程的断裂机制分析 190

6.4 岩体直剪破坏声发射特征及微裂纹平面定位 192

6.4.1 原位直剪试验过程声发射测试 192

6.4.2 岩体直剪破坏声发射信号时序特征 192

6.4.3 岩体直剪破坏声发射信号频谱特性 193

6.4.4 岩体直剪破坏声发射平面定位分析 194

6.5 岩体真三轴破坏微裂纹三维空间定位 195

6.5.1 岩体真三轴试验过程声发射测试 195

6.5.2 柱状节理玄武岩卸侧压破坏过程声发射特征及空间定位 196

6.5.3 深埋大理岩卸侧压破坏过程声发射特征及空间定位 203

6.5.4 石英云母片岩真三轴卸侧压破坏试验过程声发射特征 208

6.6 岩体开挖松弛过程声发射监测及锚固效果评价 211

6.6.1 洞室开挖围岩声发射监测及松弛圈划分 211

6.6.2 洞室底板松弛特性声发射精细监测 214

6.6.3 基于声发射精细监测的岩体锚固效果评价 218

第7章 工程岩体力学参数取值 222

7.1 工程岩体力学参数取值方法 223

7.1.1 工程岩体力学参数值常用方法 223

7.1.2 工程岩体力学参数取值规范要求 224

7.1.3 工程岩体力学参数取值存在的问题 225

7.2 岩体力学参数取值影响因素 226

7.2.1 开挖松弛效应 226

7.2.2 尺寸效应 228

7.2.3 应力水平效应 229

7.2.4 复杂应力路径效应 232

7.2.5 中间主应力效应 233

7.2.6 不同试验方法对岩体强度参数取值的影响 236

7.3 岩体变形强度参数统计分析与经验取值 238

7.3.1 岩体变形模量统计 238

7.3.2 岩体抗剪强度参数统计 241

7.3.3 结构面抗剪强度参数地质建议值统计 243

7.3.4 岩体抗压强度和抗拉强度取值 245

7.4 典型工程岩体力学参数取值 246

7.4.1 葛洲坝202号泥化夹层剪切强度参数取值 246

7.4.2 三峡永久船闸边坡岩体变形强度参数取值 249

7.4.3 清江水布垭地下厂房岩体变形强度参数取值 251

7.4.4 锦屏二级深埋引水隧洞围岩力学参数取值 257

7.5 岩体力学参数取值研究展望 266 2100433B