岩体表面二次应力测试设备的研究与应用

于新凯，王 旭，徐洪海，汤大明

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

在岩体中修筑地下工程中，随着地下洞室的开挖，洞室周边围岩原有的应力状态发生改变，应力出现调整，并进行重分布，重分布后的应力状态即为岩体二次应力状态[1-2]。近年来，随着我国水电站、铁路、公路及矿山等工程的不断发展，地下洞室尺寸及隧道埋深也不断突破，由此引起的岩体应力释放、应力重分布等问题也越来越多。特别是在高初始应力区，施工开挖过程中局部发生的强烈岩爆，往往具有很大的破坏性和危险性；地下洞室边墙持续变形，顶拱及其他部位产生的岩面开裂等，这些都给工程建设者们带来了很大的困扰[3-7]。因此弄清洞室围岩二次应力及时状态及其分布情况显得十分重要。

目前，工程建设中主要通过在洞室及隧道岩壁埋设应力计及应变计的方法来了解应力情况，但这种方法，只能了解仪器埋设后围岩应力随时间的变化情况，并不能得到仪器埋设时应力的及时量值情况[8-9]。而要知道应力的及时量值大小，只能进行现场二次应力测试。在二次应力测试中，表面应力测试法具有简单、快捷、经济的优势。文献[10-11]介绍了在某隧道内进行岩体表面二次应力测试工作，其方法操作简单：实用性较强，但是测试只能读取解除前后的两个应变值，不能得到解除全过程曲线。受温度、湿度、光敏及接线焊点大小等因素影响，测试仪器发生漂移，测值基数也会产生变化。同时由于应变花只有3片应变片，当某一片出现较大误差或故障时，就降低了该点计算结果的可靠性。文献[12]中提出了一种能够记录解除全过程应变的方法，但此种方法的掏槽过程不易控制。针对上述问题，中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司科研团队进行了深入研究，改进试验设备及流程，研制了一整套解除设备及测试仪器，保证了解除过程中应变测值的连续性，并在试验室进行了模拟试验及野外工程应用验证，取得了较好的成果。

1 解除及测试设备的研制

为了解决过去采用人工掏槽或风钻进行解除时，产生振动、不均匀、不连续切割岩体而带来的应变测值漂移、跳跃、不连续等不利影响，科研团队经过充分的市场调研，以及大量试验研究后，在仪器设备上主要做了以下几点改进：

(1)与厂家合作研制了适用于软质岩的手动钻机及适用于硬质岩的液压钻机，并缩短钻机的立柱长度至800 mm，加大钻具的直径尺寸至200 mm。

(2)研发了一体式应变计盒。其中电阻式应变片花(4片或8片式)修正了单片栅长，并缩小了基底尺寸；采用轻便、防锈的铝制材料制作保护罩，主要作用为屏蔽、固定、防水，便于粘贴，提高了效率。该应变计盒可承受1.5 MPa以上的拉力和剪力，完全能满足试验要求。

(3)快速接头可快速连接应变片花与钻具中的传输电缆线，解决了测试过程中传输电缆线难于穿过解除钻具及钻杆的问题。4片式应变片花及保护罩外壳如图1～2所示。

图1 应变花示意

图2 保护罩外壳

2 测试方法及流程

测试方法基于表面应变法，即在岩石表面粘贴上应变计盒，以应变计盒中心为圆心钻孔，逐渐切断应变计盒所在处岩石与周边岩体的联系，形成岩芯，岩芯周边形成均匀的临空面，从而产生应力释放，当钻孔达到一定深度时，释放应力值为钻孔前岩体表面二次应力值，通过在解除过程中测取岩芯的应变，根据弹性力学平面应力问题即可计算出此释放应力，即岩体表面二次应力。

测试时，首先用凿平工具对测点周围岩面进行加工处理，粘贴一体式应变计盒，连接电缆线，再将电缆线穿过钻具及钻杆与应变数据采集仪相连。在整个测试过程中，一体式应变计盒外壳与内部应变片花单独受力，并且应变片一直处于测试状态，这样能够得到整个解除过程的应变曲线，从而实现了对数据的可靠性判别。

选用弹性模量和泊松比相对稳定，试件尺寸为Φ200 mm×300 mm的C45号钢试件对所采用应变片自身的可靠度进行验证试验。在试件中部圆周壁面等分贴上4组片花，对其端面加载、卸载，测取柱面应变，计算柱面应力。试验在室内岩石直剪仪上进行，将最大荷载等分成5级施加，加至最大荷载后，逐级卸压，循环2次。加压采用150 t液压千斤顶，最大加载86.78 t，轴向压应力27.64 MPa，通过4组应变片花测值计算得到的平均应力值为σ1=27.02 MPa(轴向)，与实际施加压应力值仅相差2.2%，σ2=0.15 MPa(径向)，α1=2.37°，方向差异也较小，可见选用的应变片可靠度高。

采用经过测试验证的同厂同型号应变片设计制造一体式应变计盒，为了验证一体式应变计盒的可靠性，在试验室进行单轴加卸载试验。试件尺寸为200 mm×200 mm×300 mm，试件4个侧面都贴上一体式应变计盒(编号为①、②、③、④)，片花单片编号为a、b、c、d，为了弄清应变盒罩壳对测试的影响，在试件的①、②两面上贴单片应变片e、f，其中c、f片方向一致，a、e片方向一致，贴片示意如图3所示。试件加载方式采用轴向加卸载方式，将最大荷载(按试件轴向应力约20 MPa施加)等分成5级施加，加至最大荷载后，逐级卸压，循环3次。

图3 贴片示意

试件侧面应力以平面应力问题考虑，各组片花有4个测值，而根据弹性力学公式，只需要3个测值就可以计算出各点的主应力，为了综合评价测值，以片花中相邻单片进行组合，计算试件侧面应力最后取其平均值，计算结果为：σ1=17.00～17.65 MPa(轴向)，与加载应力相差9.1%～12.2%，σ2=-0.06～0.6 MPa(横向)，方向相差1.74°～3.31°，误差较小。一体式应变计盒测值与单片应变片相比：轴向片相差8.9%；横向片应变值相差4.5%，考虑到应变片个体之间差异性，10%以下的误差对于应力测试已达到较高精度，因此加盒式罩壳对试验成果影响较小，能应用于表面应力测试中。

3 室内模拟解除试验

3.1 解除口径的确定

《水电水利工程岩体应力测试规程》 (DL/T 5367-2007)中规定：表面应变法解除岩芯直径宜为20～30 cm[13]，这是基于表面应力解除大多采用风钻和人工掏槽，存在扰动影响面积较大的情况。有关文献[12]指出：被解除岩芯尺寸取决于测量元件基长，一般岩芯以圆形为主，直径约为测量元件基长的3倍左右。按此计算的解除岩芯最小直径为15.1 cm。由于还处于研究验证阶段，为减少解除扰动、提高可靠度，测试对钻孔口径进行了适当加大，选取解除口径为20 cm的金刚石钻头，解除后实际岩芯直径为19 cm。

3.2 解除深度的研究

制取加工三个尺寸为400 mm×400 mm×400 mm的岩石试件，编号分别为RR1号、RR2号、RR3号，每个试件在其对称的两个侧面(①、②面)上进行了模拟解除。RR1号试件及RR2号试件每面贴3片式应变计盒，编号a、b、c。RR3号试件每面贴8片式应变计盒，编号a、b、c、d、e、f、g、h。贴片示意如图4所示。

图4 贴片示意

文献[15]认为解除深度不应小于解除岩芯直径的0.5倍，文献[12]中提出当H/D=0.4～0.6时，即可满足。因此，研究之初试件设计解除深度只有11 cm(H/D=0.58)，解除曲线(RR1号-①、RR1号-②、RR2号-①)表明，测试数据没有稳定，应力释放没有充分完成，重新加工钻具后再次进行试验，解除深度达到18 cm，从解除曲线(RR2号试件②面及RR3号试件①、②两面)可以看出，解除曲线较好，数据已达到稳定，说明应力已基本释放完成。试件RR1号、RR2号、RR3号①面与②面解除曲线如图5～7所示。各试件解除深度统计情况见表1。

表1 各试件解除深度统计

通过计算得到RR3号试件的②面应力值σ1=3.37～4.43 MPa，平均3.92 MPa，与加载应力4.36 MPa相差0.44 MPa；σ2=1.69～3.01 MPa，平均2.48 MPa，与加载应力3.49 MPa相差1.01 MPa，方向相差-6.29°～13.02°，平均4.71°。考虑到加载应力值较小，加载及量测系统存在系统误差及试件平整度等因素影响，这种误差在允许范围之内。

(a)RR1号-①面

(a)RR2号-①面

(a)RR3号-①面

4 现场试验

4.1 某电站施工洞现场试验

某电站现场试验测点布置于压力管道施工洞洞壁，洞壁距洞底板1.6 m以上基本进行了喷锚，测点位于底板以上1.0～1.2 m处，共进行了4点测试，钻头直径为200 mm，测点布置如图8所示，应变(力)解除曲线如图9所示。测点处岩性为花岗岩，整体完整。

图8 某电站测点布置示意

(a)测点L1号

得到应力解除曲线后，利用小型的反力装置进行测试岩体的弹性模量E及泊松比μ[14]，通过计算求出弹性模量E及泊松比μ，再代入相关公式计算出应力，成果如表2所示。

表2 某电站岩体表面二次应力测试成果

由图9可以看出4个测点的应力解除曲线规律性均较好，数据最终达到稳定。4个测点的σ1=17.25～21.53 MPa，量值上属中偏高应力。4个测点统计最小H/D为0.53～0.79。

4.2 某电站交通洞现场试验

某电站交通洞选择了4个测点位置进行试验，钻头直径为200 mm，测点布置如图10所示，应力解除曲线如图11所示。

图10 测点布置

由测点的解除曲线可以看出，各测点的解除曲线均达到稳定值，利用小型的反力装置进行测试岩体的弹性模量E及泊松比μ[16]，通过计算求出弹性模量E及泊松比μ，再代入相关公式计算出应力，成果如表3所示。

(a)测点1号

表3 某电站岩体表面二次应力测试成果

由表3可以看出，4个测点主应力值较高，与现场洞壁出现片帮现象相符。4个测点最小H/D为0.53～0.63。

上述两个电站的现场解除试验结果表明，此套表面二次应力测试运用的解除设备及测试仪器能够得到完整的解除全过程曲线，从而提高测试成果的可靠性。

5 结 语

表面应变法测试是岩体应力测试的基本方法之一，也可应用于岩体表面二次应力测试，但现有的测试方法在解除过程中需进行掏槽或不能获得连续的应变解除曲线，仅能得到解除前后的两个应变值，由于测值不连续、仪器产生漂移等因素导致无法对测试应变值进行可靠性判别，从而对测试成果可靠度带来影响。基于原有测试方法，对其测试设备进行了改进，研制了一体式应变计盒(应变传感器)、新的解除设备，可连续测读应变计数值，从而获得应力解除全过程曲线。该套设备经室内对比试验、室内模拟解除试验以及现场试验证明是可靠的，测试精度能够满足要求。