钻孔弹模法在某核岛岩体结构特征及变形参数研究中的应用

赵理政

摘要：本文结合某核岛工程，介绍了钻孔弹模法在岩体中的工程应用。研究表明： 该方法能够反映岩体结构特征，可测试深部岩体力学参数（变形模量或弹性模量），测试获得的压力变形曲线符合实际，规律性良好。最终，本文还给出了微风化花岗岩变形模量值NS向标准值为31.61±2.25GPa，弹性模量值NS向标准值为49.12±4.53GPa；变形模量值EW向标准值为35.08±2.22GPa，弹性模量值EW向标准值为59.07±3.38GPa；微风化花岗岩综合变形模量值标准值为33.00±1.69GPa，综合弹性模量值标准值为53.39±3.13GPa。

关键词：岩体 结构特征 钻孔弹模法 变形参数

1. 引言

核电站的反应堆等重要设备都座落在核岛的岩土地基上，为了确保核电站安全稳定的运行，在核电站选址和设计时，需要对核岛岩体的结构特征和各种物理力学性质进行全面试验研究。钻孔弹模法因具备对测点处岩体扰动小；测试周期短、成本低；可测深部岩体力学参数（变形模量或弹性模量）等特点[1-2]而被应用于核岛岩体的原位测试[3-4]。本文结合某核岛地基工程，介绍钻孔弹模法在岩体结构特征及变形参数中的应用研究。

2. 工程地质条件

某核电厂址附近侵入岩发育，分布广泛，若揭开第四纪堆积层，全区大部分都属于侵入岩分布区。按侵入岩形成秩序及区域岩性对比，可分为燕山早期第三阶段花岗岩（ ）、燕山晚期第一阶段花岗岩（ ）和第二阶段花岗斑岩（ ）。还有一些岩脉出现。

3. 钻孔弹模试验原理

3.1 试验原理

钻孔弹模试验采用BJE系列钻孔弹模计进行，通过试验不同压力下的变形，根据式（1）计算试验部位岩体的变形模量或弹性模量E（GPa）值：

（1）

式中：A—三维问题的影响系数；H—压力修正系数；D—钻孔直径（mm）； ΔQ—压力增量（MPa）；ΔD—变形增量（mm）；T*（，）—与承压板宽度（接触孔壁时圆周角大小）和岩体泊松比有关的系数，T*（0.25，150）=2.547 。

一般计算钻孔岩体的弹性模量时，式中的ΔQ、ΔD取压力变形曲线高压部分的线性段增量值。计算变形模量时，式中的ΔQ、ΔD取压力变形曲线中的低压部分变化量值。

3.2 试验仪器

试验采用BJE110钻孔弹模计，该仪器克服了出力低及承压面受力不均等缺陷。它具有以下优点：承压块与孔壁耦合更好、作用在孔壁上的压力更加均匀、出力更高、位移传感器的灵敏度及精度更高。

3.3 试验安排

选取核岛处4个钻孔，钻孔编号为A1、A3、A5、A6，本次试验孔孔径为Φ110mm，实际孔径在Φ111～115mm之间。各测试孔所有测段岩體均为微风化花岗岩。每个钻孔实验数量（点）为12个，合计共48个。

4. 试验成果与分析

4.1 数据处理方法

数据处理按照以下原则进行：小于3MPa的压力段定义为E1，数据处理中不予考虑；3～23MPa压力段的割线模量定义为变形模量（E2）；18MPa以上压力段的割线模量定义为弹性模量（E3）。

4.2 试验成果分析

根据压力与变形关系曲线，在低压力段（8MPa以下），压力与变形呈非线性关系，且变形增加很快；在中压阶段（8～20MPa），钻孔弹模计的承压板与钻孔孔壁达到完全接触须有一定的压力，随着压力的增加，裂隙逐渐闭合，承压板与孔壁达到全接触，压力与变形接近线性关系；在高压阶段（20MPa）以上，压力与变形呈线性关系。

4.2.1 A1孔

NS向6个测试点变形模量平均值为26.20Gpa；EW向平均值为30.27GPa。NS向弹性模量平均值为40.24GPa；EW向平均值为49.37GPa。

NS向与EW向变形模量比值平均值为0.87；NS向与EW向弹性模量比值平均值为0.81。因此，两个方向岩体模量值差异较小，可以认为A1测试孔岩体的存在各向异性，A1测试孔岩体的各向异性是由于测试点岩体的节理及裂隙引起。

4.2.2 A3孔

NS向6个测试点变形模量平均值为35.75GPa；EW向平均值为34.98GPa。NS向弹性模量平均值为57.19GPa；EW向平均值为57.12GPa。

NS向与EW向变形模量比值平均值为1.02；NS向与EW向弹性模量比值平均值为1.00。因此，两个方向岩体模量差值不显著，可以认为A3测试孔岩体的各向异性不明显。

4.2.3 A5孔

6个测试点变形模量NS向平均值为29.63GPa；EW向平均值为39.11GPa。弹性模量NS向平均值为51.07GPa；EW向平均值为66.27GPa。

NS向与EW向变形模量比值平均值为0.76；NS向与EW向弹性模量比值平均值为0.77。岩体两个方向模量值的比值有差异，岩体各向异性明显，这是由于测点处岩体有节理、裂隙。

4.2.4 A6孔

6个测试点变形模量NS向平均值为31.95GPa，EW向平均值为32.97GPa；弹性模量NS向平均值为47.98GPa，EW向平均值为52.08GPa。

NS向与EW向变形模量比值平均值为0.97；NS向与EW向弹性模量比值平均值为0.92。两个方向模量值的比值表明，A6孔岩体存在各向异性，岩体局部的各向异性是由岩体裂隙及结构面切割引起。

4.2.5 试验区成果的综合分析

根据表1，24个测试点变形模量NS向平均值为31.61GPa，标准值31.61±2.25GPa；EW向平均值为34.08GPa，标准值35.08±2.22GPa。弹性模量NS向平均值为49.12GPa，标准值49.12±4.53GPa；EW向平均值为59.07GPa，标准值59.07±3.38GPa；NS向和EW向综合变形模量值平均值为33GPa，标准值33.00±1.69GPa；NS向和EW向综合弹性模量值平均值为53.39GPa，标准值53.39±3.13GPa。

表1 核岛区微风化花岗岩模量统计结果

项目 测点方向NS 测点方向EW 综合值

E2（GPa） E3（GPa） E2（GPa） E3（GPa） E2（GPa） E3（GPa）

最大值 44.32 67.79 45.37 74.23 45.37 74.23

最小值 21.84 24.10 21.93 45.19 21.84 24.10

平均值（?m ） 31.61 49.12 35.08 59.07 33.00 53.39

标准差（σ） 6.18 12.72 6.10 9.05 6.73 12.49

变异系数δ 0.20 0.26 0.17 0.15 0.20 0.23

统计数 23 23 23 22 47 47

標准值（Фm） 31.61±2.25 49.12±4.53 35.08±2.22 59.07±3.38 33.00±1.69 53.39±3.13

5. 结论

（1）利用钻孔弹模测试成果能够反映岩体结构特征及获取变形参数，压力变形曲线具有良好的规律性；

（2）微风化花岗岩变形模量值NS向E2标准值为31.61±2.25GPa，弹性模量值NS向E3标准值为49.12±4.53GPa；变形模量值EW向E2标准值为35.08±2.22GPa，弹性模量值EW向E3标准值为59.07±3.38GPa；微风化花岗岩综合变形模量值E2标准值为33.00±1.69GPa，综合弹性模量值E3标准值为53.39±3.13GPa；

（3）微风化花岗岩岩体各向异性主要是岩体节理、裂隙引起。

参考文献

[1] 张永兴. 岩石力学[M]. 北京： 中国建筑工业出版社，2004.

[2] 张志刚，乔春生. 改进的节理岩体变形模量经验确定方法及其工程应用[J]. 工程地质学报，2006，14（ 2） ： 233 ～ 238.

[3] 王玉玲. 钻孔弹模法在某核岛岩体力学特性中的应用研究[J].工程地质学报，2013，21（1） ： 148 ～ 157.

[4] 安光明，杨球玉，杨立建，邓小宁. 某核电厂岩体动静弹性模量的对比研究[J].岩土力学，2011，32（1） ： 565 ～ 569.