水利樞紐壩址巖體變形試驗(yàn)研究

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現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)加壓系統(tǒng)采用具有良好穩(wěn)壓效果的液壓荷載系統(tǒng)，加壓及傳力系統(tǒng)主要包括300t液壓千斤頂和高壓油泵、鋼質(zhì)承壓板、鋼墊板、傳力柱等。測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)量支架、磁性表架、測(cè)量標(biāo)點(diǎn)、壓力表、百分表、千分表等。

進(jìn)場(chǎng)前對(duì)所有試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保試驗(yàn)設(shè)備能正常運(yùn)行。測(cè)量?jī)x器按照計(jì)量認(rèn)證的要求進(jìn)行檢定，液壓千斤頂按照巖石規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行率定。加壓系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)安裝見圖1、圖2。（1）試點(diǎn)表面清洗干凈，鋪墊一層水泥漿，放置承壓板并擠壓出多余的水泥漿，使承壓板與承壓面之間緊密接觸，且承壓板粘貼牢固，在試驗(yàn)完成前不得移動(dòng)?？刂扑酀{厚度小于承壓板直徑的1％，盡量減少水泥漿對(duì)巖體變形的影響。（2）為了滿足試驗(yàn)對(duì)承壓板剛度的要求，在承壓板上疊加一塊直徑為40cm、厚為6cm的鋼質(zhì)墊板。（3）在承壓板上依次放置墊板、千斤頂、傳力柱、墊板，墊板和巖體間填筑砂漿。（4）整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，所有承壓部件中心保持在同一軸線上，軸線與加壓方向一致。（5）用高壓油管連通千斤頂、高壓油泵以及壓力表，施加接觸壓力使整個(gè)系統(tǒng)接觸緊密。（6）在承壓板兩側(cè)各放置簡(jiǎn)支測(cè)量支架一根，測(cè)量支架滿足剛度要求。支點(diǎn)設(shè)置在距試點(diǎn)中心4倍承壓板直徑以外。（7）對(duì)于垂直方向加壓試驗(yàn)，在承壓板兩側(cè)，通過承壓板中心沿硐室軸線方向，距承壓板邊緣0．1D（5cm）、0．5D（25cm）、1．5D（75cm）對(duì)稱埋設(shè)測(cè)量標(biāo)點(diǎn)（D為承壓板直徑），用于觀測(cè)和研究巖體的影響范圍。

根據(jù)千斤頂率定曲線及承壓板面積，計(jì)算每級(jí)荷載下的壓力表示值，編制試驗(yàn)加壓表。在開始試驗(yàn)前，必須進(jìn)行全面檢查，確保加載系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，所有測(cè)表工作狀態(tài)正常，油管連接無誤。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒后，進(jìn)行穩(wěn)定觀測(cè)，每隔10min讀數(shù)1次，連續(xù)3次讀數(shù)不變后開始加壓。試驗(yàn)最大應(yīng)力為7．5MPa，等分5級(jí)施加，加壓方式采用逐級(jí)1次循環(huán)法。每級(jí)壓力加壓或退壓后立即讀數(shù)，以后每隔10min讀數(shù)1次，當(dāng)承壓板上所有測(cè)表相鄰2次讀數(shù)差與同級(jí)壓力下第1次讀數(shù)和前一級(jí)壓力下最后1次讀數(shù)差之比小于5％時(shí)，即可認(rèn)為變形相對(duì)穩(wěn)定，可以退至或施加下一級(jí)壓力。

將承壓板上4個(gè)測(cè)表所測(cè)變形的算術(shù)平均值作為巖體在各級(jí)壓力作用下的變形量，繪制壓力p與變形W的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線類型確定變形值，計(jì)算巖體變形參數(shù)。當(dāng)存在失靈測(cè)表或讀數(shù)異常時(shí)，采用另外3個(gè)測(cè)表（變形均勻時(shí)）或另一對(duì)稱的測(cè)表（變形不均勻時(shí)）計(jì)算變形值。巖石規(guī)程將p—W關(guān)系曲線劃分為5種類型，即直線型（a）、近似直線型（d、e）、上凸型（c）、下凹型（b）。a、d、e呈線性關(guān)系，采用取直線段計(jì)算巖體全變形量W0和彈性變形量We，b、c呈非線性關(guān)系，逐級(jí)分別計(jì)算W0和We。根據(jù)各個(gè)試點(diǎn)的整理計(jì)算結(jié)果，古賢水利樞紐巖體變形試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

承壓板法的原理是基于半無限體平面局部受力的布西涅斯克公式。從理論上講，它除了要求巖體是均勻、各向同性的彈性體外，還要求試驗(yàn)點(diǎn)加荷表面以下的巖體在尺寸上是無限的。顯然，這些條件實(shí)際上是不可能滿足的，只能達(dá)到某種近似。其原因是，巖體既有彈性又有塑性、黏滯性；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)往往在硐室內(nèi)進(jìn)行，受硐室尺寸和測(cè)試技術(shù)條件等限制，試驗(yàn)加荷表面總是有限的；加荷表面以下的巖體，理論上也要求無限大，但實(shí)際上人們只能看到加荷表面的地質(zhì)情況，而看不到深部巖體情況的變化。影響巖體變形試驗(yàn)的主要因素包括承壓板的大小、剛度，試點(diǎn)的邊界條件、穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、加壓方式、溫度，測(cè)量系統(tǒng)的剛度等，因此巖體在荷載作用下，壓力與變形關(guān)系是比較復(fù)雜的非線性問題。結(jié)晶點(diǎn)陣構(gòu)造的巖石微粒、結(jié)構(gòu)面和充填物變形的總和構(gòu)成巖體的變形量，而對(duì)巖體變形起決定和控制作用的是結(jié)構(gòu)面和充填物變形。

當(dāng)巖體受到外荷載作用時(shí)，從宏觀上看，變形至少表現(xiàn)出如下幾種現(xiàn)象：①加荷后，有一部分變形立即發(fā)生，這是主要的；少部分變形需要一定時(shí)間方能逐漸完成，但變形的速度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減慢。②當(dāng)外荷載卸載后，大部分變形能夠很快恢復(fù)，少部分不能恢復(fù)，即使在壓力不大時(shí)卸荷也不例外。一般來講，殘余變形在低壓階段所占變形的百分比較高壓階段的大；風(fēng)化或破碎巖體比新鮮完整巖體變形大。③變形有時(shí)是突變的，反映在測(cè)表上的指針呈現(xiàn)突然跳動(dòng)，這是巖體內(nèi)部發(fā)生局部破裂的一種表現(xiàn)。

采用剛性承壓板法進(jìn)行巖體變形試驗(yàn)，經(jīng)常使用的加壓方式為逐級(jí)1次循環(huán)法，其壓力p與變形W關(guān)系曲線分為直線型（a）、近似直線型（d、e）、上凸型（c）、下凹型（b）。一般來說，上凸型曲線說明巖體具有層理、裂隙，且隨深度加深巖體剛度減弱，當(dāng)在垂直結(jié)構(gòu)面上加壓時(shí)可出現(xiàn)此類曲線。此外，隨著壓力增大，巖體的裂隙張開或產(chǎn)生新的裂隙，也常出現(xiàn)這類曲線。下凹型曲線說明巖體具有層理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，且具有非均質(zhì)特性。在軟硬巖層互層、含夾層、裂隙等結(jié)構(gòu)面的巖體中，在垂直結(jié)構(gòu)面上加壓時(shí)可出現(xiàn)這種類型的曲線，有時(shí)在靠近加壓面處為一較軟的夾層，或在下臥層較堅(jiān)硬、裂隙較少，但上覆巖層裂隙較發(fā)育或較疏松的巖體中，在垂直結(jié)構(gòu)面上加壓時(shí)，也可能出現(xiàn)這類曲線。它反映出隨著壓力的增大，結(jié)構(gòu)面逐漸被壓密，模量逐漸增大。直線型曲線反映巖體有較好的均質(zhì)性，在完整、致密，被多組不定向裂隙切割而破碎的巖體中，或成層巖體，平行于層理加壓時(shí)，均有可能出現(xiàn)這種形狀的曲線。（本文作者：隨裕華 單位：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）