岩体原位变形模量测试

孔内岩体原位变形模量试验

岩体原位变形模量试验系统示意图

   岩体的变形特性尤其是变形模量或弹性模量是岩体工程设计的重要参数。为了获得接近工程岩体模量的“真值”，长期以来世界各国发展了大量的研究方法和相应的测试技术。这些方法和技术可以归纳为动测法和静测法两大类。由于岩体结构的复杂性和岩块矿物成分不一致，使得由试验测得同一类岩体的模量值，即便在同一区段采用同一方法也可能相差很大，更不用说采用不同方法了。动测法是通过研究地震波或声波在岩体中的传播规律并建立运动参数与岩体模量的关系。静测法可分为承压板法、钻孔法等。动测方法具有测量迅速、耗资较少，但实测值大大高于静力法测值并且与真实值也无数值关联关系。

   由于动测法与真实值差异很大，而静态法目前认为测值最为可靠的测试方法。承压板法，必须有勘探巷道，测试设备笨重、试验周期长、费用很高。并且钻孔变形法也是国际岩石力学协会（ISRM）推荐的两种试验方法之一。基于上述原因越来越多的项目愿意采用钻孔变形法来获取岩体的变形模量。目前最为成熟的两种设备为钻孔膨胀计及钻孔弹模计。

1、钻孔膨胀计

   钻孔膨胀计是利用柔性的橡胶囊向钻孔孔壁全面加压，测定体积变化或钻孔径向位移变化（一般为6向）来计算变形或弹性模量。优点是测试接触面积大且不会出现局部接触的问题，测值比较准确。缺点无法测得岩体的各项异性，设备昂贵需要特殊改造才能适应超过100米的钻孔。

2、钻孔弹模计

   钻孔弹模计的原理是利用活塞、楔形块或小型柔性压力枕等部件，给钻孔壁施加一对径向压力，并同时测量出相应的孔径变化，据此计算岩体的变形模量。缺点会因为钻孔成孔原因造成局部接触影响测值的准确性。

   钻孔弹模计‌：适用于‌硬岩、完整或弱风化岩体‌，需较高承载力维持孔壁稳定的钻孔。钻孔膨胀计用于‌软岩、孔径变化较大的钻孔。为了适应两种钻孔我公司配置有改进型的加拿大Roctest钻孔膨胀计及自生产的SIGEO-50型钻孔弹模计。加拿大Roctest公司PROBEX系类钻孔膨胀计原厂设计结构的传感器部分超过2MPa水压很容易发生传感器透水失效问题，且维修周期非常长。SIGEO-50型钻孔弹模计是在美国古德曼千斤顶（Goodman Jack）的基础上改进而成的。Goodman Jack是国际上有代表性的钻孔弹模计，作为国际岩石力学委员会（ISRM）的建议方法，用于钻孔中测定现场原位岩体变形模量或弹性模量。由于该设备在设计上的缺陷，其测定值必须经过修正，才能得到真实的变模值或弹模值。修正系数与岩体弹模的高低有关，当真实弹模（Etrue）为70GPa时，实测值（Ecalc）只有约24GPa。经过改进后的SIGEO-50型钻孔弹模计则不需修正。

SIGEO-50型钻孔弹模计具体改进部分如下：

1、承压角度更小2β=45°。

2、在狭小的空间里高精度加工了4个双向作用高压活塞，既能保证最大压力大于70MPa又能实现活塞最大为10mm的行程。由于回程也为液压活塞驱动而非靠弹簧回拉，可测试大深度钻孔。

3、采用双位移传感器既保证了精度也能实时获取探头工作状态。

4、能测得方位角，可进行各项异性测试。

   不管是采用钻孔膨胀计还是钻孔弹模计，当送压油管超过150米后由于管路自身膨胀及压力传递迟滞效应，使每级加压稳定时间变的非常漫长。一个试验点的测试往往要几个小时。而深孔的测试，仪器下到测试点又要很长时间。这使测试变成了一个非常痛苦的事情。

为了改善这个问题，我公司独家研发了前端加压系统。加压部分及压力传感器都置于探头前端。通过一根凯夫拉铠装电缆用RS485通讯把压力、位移数据实时传递至孔口采集平板上。目前这两套设备在引大济岷、压缩空气储能、招商396、大桥水库二期等一大批国家重点项目中取得良好的测试数据，为设计提供了有利的支持数据。