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        巖體表面二次應(yīng)力測試設(shè)備的研究與應(yīng)用

        2021-03-26 08:08:52于新凱徐洪海湯大明
        水電站設(shè)計(jì) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:電站巖體測點(diǎn)

        于新凱,王 旭,徐洪海,湯大明

        (中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

        0 前 言

        在巖體中修筑地下工程中,隨著地下洞室的開挖,洞室周邊圍巖原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,應(yīng)力出現(xiàn)調(diào)整,并進(jìn)行重分布,重分布后的應(yīng)力狀態(tài)即為巖體二次應(yīng)力狀態(tài)[1-2]。近年來,隨著我國水電站、鐵路、公路及礦山等工程的不斷發(fā)展,地下洞室尺寸及隧道埋深也不斷突破,由此引起的巖體應(yīng)力釋放、應(yīng)力重分布等問題也越來越多。特別是在高初始應(yīng)力區(qū),施工開挖過程中局部發(fā)生的強(qiáng)烈?guī)r爆,往往具有很大的破壞性和危險(xiǎn)性;地下洞室邊墻持續(xù)變形,頂拱及其他部位產(chǎn)生的巖面開裂等,這些都給工程建設(shè)者們帶來了很大的困擾[3-7]。因此弄清洞室圍巖二次應(yīng)力及時(shí)狀態(tài)及其分布情況顯得十分重要。

        目前,工程建設(shè)中主要通過在洞室及隧道巖壁埋設(shè)應(yīng)力計(jì)及應(yīng)變計(jì)的方法來了解應(yīng)力情況,但這種方法,只能了解儀器埋設(shè)后圍巖應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況,并不能得到儀器埋設(shè)時(shí)應(yīng)力的及時(shí)量值情況[8-9]。而要知道應(yīng)力的及時(shí)量值大小,只能進(jìn)行現(xiàn)場二次應(yīng)力測試。在二次應(yīng)力測試中,表面應(yīng)力測試法具有簡單、快捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[10-11]介紹了在某隧道內(nèi)進(jìn)行巖體表面二次應(yīng)力測試工作,其方法操作簡單:實(shí)用性較強(qiáng),但是測試只能讀取解除前后的兩個(gè)應(yīng)變值,不能得到解除全過程曲線。受溫度、濕度、光敏及接線焊點(diǎn)大小等因素影響,測試儀器發(fā)生漂移,測值基數(shù)也會(huì)產(chǎn)生變化。同時(shí)由于應(yīng)變花只有3片應(yīng)變片,當(dāng)某一片出現(xiàn)較大誤差或故障時(shí),就降低了該點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的可靠性。文獻(xiàn)[12]中提出了一種能夠記錄解除全過程應(yīng)變的方法,但此種方法的掏槽過程不易控制。針對上述問題,中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入研究,改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備及流程,研制了一整套解除設(shè)備及測試儀器,保證了解除過程中應(yīng)變測值的連續(xù)性,并在試驗(yàn)室進(jìn)行了模擬試驗(yàn)及野外工程應(yīng)用驗(yàn)證,取得了較好的成果。

        1 解除及測試設(shè)備的研制

        為了解決過去采用人工掏槽或風(fēng)鉆進(jìn)行解除時(shí),產(chǎn)生振動(dòng)、不均勻、不連續(xù)切割巖體而帶來的應(yīng)變測值漂移、跳躍、不連續(xù)等不利影響,科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過充分的市場調(diào)研,以及大量試驗(yàn)研究后,在儀器設(shè)備上主要做了以下幾點(diǎn)改進(jìn):

        (1)與廠家合作研制了適用于軟質(zhì)巖的手動(dòng)鉆機(jī)及適用于硬質(zhì)巖的液壓鉆機(jī),并縮短鉆機(jī)的立柱長度至800 mm,加大鉆具的直徑尺寸至200 mm。

        (2)研發(fā)了一體式應(yīng)變計(jì)盒。其中電阻式應(yīng)變片花(4片或8片式)修正了單片柵長,并縮小了基底尺寸;采用輕便、防銹的鋁制材料制作保護(hù)罩,主要作用為屏蔽、固定、防水,便于粘貼,提高了效率。該應(yīng)變計(jì)盒可承受1.5 MPa以上的拉力和剪力,完全能滿足試驗(yàn)要求。

        (3)快速接頭可快速連接應(yīng)變片花與鉆具中的傳輸電纜線,解決了測試過程中傳輸電纜線難于穿過解除鉆具及鉆桿的問題。4片式應(yīng)變片花及保護(hù)罩外殼如圖1~2所示。

        圖1 應(yīng)變花示意

        圖2 保護(hù)罩外殼

        2 測試方法及流程

        測試方法基于表面應(yīng)變法,即在巖石表面粘貼上應(yīng)變計(jì)盒,以應(yīng)變計(jì)盒中心為圓心鉆孔,逐漸切斷應(yīng)變計(jì)盒所在處巖石與周邊巖體的聯(lián)系,形成巖芯,巖芯周邊形成均勻的臨空面,從而產(chǎn)生應(yīng)力釋放,當(dāng)鉆孔達(dá)到一定深度時(shí),釋放應(yīng)力值為鉆孔前巖體表面二次應(yīng)力值,通過在解除過程中測取巖芯的應(yīng)變,根據(jù)彈性力學(xué)平面應(yīng)力問題即可計(jì)算出此釋放應(yīng)力,即巖體表面二次應(yīng)力。

        測試時(shí),首先用鑿平工具對測點(diǎn)周圍巖面進(jìn)行加工處理,粘貼一體式應(yīng)變計(jì)盒,連接電纜線,再將電纜線穿過鉆具及鉆桿與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀相連。在整個(gè)測試過程中,一體式應(yīng)變計(jì)盒外殼與內(nèi)部應(yīng)變片花單獨(dú)受力,并且應(yīng)變片一直處于測試狀態(tài),這樣能夠得到整個(gè)解除過程的應(yīng)變曲線,從而實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的可靠性判別。

        選用彈性模量和泊松比相對穩(wěn)定,試件尺寸為Φ200 mm×300 mm的C45號(hào)鋼試件對所采用應(yīng)變片自身的可靠度進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。在試件中部圓周壁面等分貼上4組片花,對其端面加載、卸載,測取柱面應(yīng)變,計(jì)算柱面應(yīng)力。試驗(yàn)在室內(nèi)巖石直剪儀上進(jìn)行,將最大荷載等分成5級施加,加至最大荷載后,逐級卸壓,循環(huán)2次。加壓采用150 t液壓千斤頂,最大加載86.78 t,軸向壓應(yīng)力27.64 MPa,通過4組應(yīng)變片花測值計(jì)算得到的平均應(yīng)力值為σ1=27.02 MPa(軸向),與實(shí)際施加壓應(yīng)力值僅相差2.2%,σ2=0.15 MPa(徑向),α1=2.37°,方向差異也較小,可見選用的應(yīng)變片可靠度高。

        采用經(jīng)過測試驗(yàn)證的同廠同型號(hào)應(yīng)變片設(shè)計(jì)制造一體式應(yīng)變計(jì)盒,為了驗(yàn)證一體式應(yīng)變計(jì)盒的可靠性,在試驗(yàn)室進(jìn)行單軸加卸載試驗(yàn)。試件尺寸為200 mm×200 mm×300 mm,試件4個(gè)側(cè)面都貼上一體式應(yīng)變計(jì)盒(編號(hào)為①、②、③、④),片花單片編號(hào)為a、b、c、d,為了弄清應(yīng)變盒罩殼對測試的影響,在試件的①、②兩面上貼單片應(yīng)變片e、f,其中c、f片方向一致,a、e片方向一致,貼片示意如圖3所示。試件加載方式采用軸向加卸載方式,將最大荷載(按試件軸向應(yīng)力約20 MPa施加)等分成5級施加,加至最大荷載后,逐級卸壓,循環(huán)3次。

        圖3 貼片示意

        試件側(cè)面應(yīng)力以平面應(yīng)力問題考慮,各組片花有4個(gè)測值,而根據(jù)彈性力學(xué)公式,只需要3個(gè)測值就可以計(jì)算出各點(diǎn)的主應(yīng)力,為了綜合評價(jià)測值,以片花中相鄰單片進(jìn)行組合,計(jì)算試件側(cè)面應(yīng)力最后取其平均值,計(jì)算結(jié)果為:σ1=17.00~17.65 MPa(軸向),與加載應(yīng)力相差9.1%~12.2%,σ2=-0.06~0.6 MPa(橫向),方向相差1.74°~3.31°,誤差較小。一體式應(yīng)變計(jì)盒測值與單片應(yīng)變片相比:軸向片相差8.9%;橫向片應(yīng)變值相差4.5%,考慮到應(yīng)變片個(gè)體之間差異性,10%以下的誤差對于應(yīng)力測試已達(dá)到較高精度,因此加盒式罩殼對試驗(yàn)成果影響較小,能應(yīng)用于表面應(yīng)力測試中。

        3 室內(nèi)模擬解除試驗(yàn)

        3.1 解除口徑的確定

        《水電水利工程巖體應(yīng)力測試規(guī)程》 (DL/T 5367-2007)中規(guī)定:表面應(yīng)變法解除巖芯直徑宜為20~30 cm[13],這是基于表面應(yīng)力解除大多采用風(fēng)鉆和人工掏槽,存在擾動(dòng)影響面積較大的情況。有關(guān)文獻(xiàn)[12]指出:被解除巖芯尺寸取決于測量元件基長,一般巖芯以圓形為主,直徑約為測量元件基長的3倍左右。按此計(jì)算的解除巖芯最小直徑為15.1 cm。由于還處于研究驗(yàn)證階段,為減少解除擾動(dòng)、提高可靠度,測試對鉆孔口徑進(jìn)行了適當(dāng)加大,選取解除口徑為20 cm的金剛石鉆頭,解除后實(shí)際巖芯直徑為19 cm。

        3.2 解除深度的研究

        制取加工三個(gè)尺寸為400 mm×400 mm×400 mm的巖石試件,編號(hào)分別為RR1號(hào)、RR2號(hào)、RR3號(hào),每個(gè)試件在其對稱的兩個(gè)側(cè)面(①、②面)上進(jìn)行了模擬解除。RR1號(hào)試件及RR2號(hào)試件每面貼3片式應(yīng)變計(jì)盒,編號(hào)a、b、c。RR3號(hào)試件每面貼8片式應(yīng)變計(jì)盒,編號(hào)a、b、c、d、e、f、g、h。貼片示意如圖4所示。

        圖4 貼片示意

        文獻(xiàn)[15]認(rèn)為解除深度不應(yīng)小于解除巖芯直徑的0.5倍,文獻(xiàn)[12]中提出當(dāng)H/D=0.4~0.6時(shí),即可滿足。因此,研究之初試件設(shè)計(jì)解除深度只有11 cm(H/D=0.58),解除曲線(RR1號(hào)-①、RR1號(hào)-②、RR2號(hào)-①)表明,測試數(shù)據(jù)沒有穩(wěn)定,應(yīng)力釋放沒有充分完成,重新加工鉆具后再次進(jìn)行試驗(yàn),解除深度達(dá)到18 cm,從解除曲線(RR2號(hào)試件②面及RR3號(hào)試件①、②兩面)可以看出,解除曲線較好,數(shù)據(jù)已達(dá)到穩(wěn)定,說明應(yīng)力已基本釋放完成。試件RR1號(hào)、RR2號(hào)、RR3號(hào)①面與②面解除曲線如圖5~7所示。各試件解除深度統(tǒng)計(jì)情況見表1。

        表1 各試件解除深度統(tǒng)計(jì)

        通過計(jì)算得到RR3號(hào)試件的②面應(yīng)力值σ1=3.37~4.43 MPa,平均3.92 MPa,與加載應(yīng)力4.36 MPa相差0.44 MPa;σ2=1.69~3.01 MPa,平均2.48 MPa,與加載應(yīng)力3.49 MPa相差1.01 MPa,方向相差-6.29°~13.02°,平均4.71°??紤]到加載應(yīng)力值較小,加載及量測系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差及試件平整度等因素影響,這種誤差在允許范圍之內(nèi)。

        (a)RR1號(hào)-①面

        (a)RR2號(hào)-①面

        (a)RR3號(hào)-①面

        4 現(xiàn)場試驗(yàn)

        4.1 某電站施工洞現(xiàn)場試驗(yàn)

        某電站現(xiàn)場試驗(yàn)測點(diǎn)布置于壓力管道施工洞洞壁,洞壁距洞底板1.6 m以上基本進(jìn)行了噴錨,測點(diǎn)位于底板以上1.0~1.2 m處,共進(jìn)行了4點(diǎn)測試,鉆頭直徑為200 mm,測點(diǎn)布置如圖8所示,應(yīng)變(力)解除曲線如圖9所示。測點(diǎn)處巖性為花崗巖,整體完整。

        圖8 某電站測點(diǎn)布置示意

        (a)測點(diǎn)L1號(hào)

        得到應(yīng)力解除曲線后,利用小型的反力裝置進(jìn)行測試巖體的彈性模量E及泊松比μ[14],通過計(jì)算求出彈性模量E及泊松比μ,再代入相關(guān)公式計(jì)算出應(yīng)力,成果如表2所示。

        表2 某電站巖體表面二次應(yīng)力測試成果

        由圖9可以看出4個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力解除曲線規(guī)律性均較好,數(shù)據(jù)最終達(dá)到穩(wěn)定。4個(gè)測點(diǎn)的σ1=17.25~21.53 MPa,量值上屬中偏高應(yīng)力。4個(gè)測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)最小H/D為0.53~0.79。

        4.2 某電站交通洞現(xiàn)場試驗(yàn)

        某電站交通洞選擇了4個(gè)測點(diǎn)位置進(jìn)行試驗(yàn),鉆頭直徑為200 mm,測點(diǎn)布置如圖10所示,應(yīng)力解除曲線如圖11所示。

        圖10 測點(diǎn)布置

        由測點(diǎn)的解除曲線可以看出,各測點(diǎn)的解除曲線均達(dá)到穩(wěn)定值,利用小型的反力裝置進(jìn)行測試巖體的彈性模量E及泊松比μ[16],通過計(jì)算求出彈性模量E及泊松比μ,再代入相關(guān)公式計(jì)算出應(yīng)力,成果如表3所示。

        (a)測點(diǎn)1號(hào)

        表3 某電站巖體表面二次應(yīng)力測試成果

        由表3可以看出,4個(gè)測點(diǎn)主應(yīng)力值較高,與現(xiàn)場洞壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象相符。4個(gè)測點(diǎn)最小H/D為0.53~0.63。

        上述兩個(gè)電站的現(xiàn)場解除試驗(yàn)結(jié)果表明,此套表面二次應(yīng)力測試運(yùn)用的解除設(shè)備及測試儀器能夠得到完整的解除全過程曲線,從而提高測試成果的可靠性。

        5 結(jié) 語

        表面應(yīng)變法測試是巖體應(yīng)力測試的基本方法之一,也可應(yīng)用于巖體表面二次應(yīng)力測試,但現(xiàn)有的測試方法在解除過程中需進(jìn)行掏槽或不能獲得連續(xù)的應(yīng)變解除曲線,僅能得到解除前后的兩個(gè)應(yīng)變值,由于測值不連續(xù)、儀器產(chǎn)生漂移等因素導(dǎo)致無法對測試應(yīng)變值進(jìn)行可靠性判別,從而對測試成果可靠度帶來影響。基于原有測試方法,對其測試設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn),研制了一體式應(yīng)變計(jì)盒(應(yīng)變傳感器)、新的解除設(shè)備,可連續(xù)測讀應(yīng)變計(jì)數(shù)值,從而獲得應(yīng)力解除全過程曲線。該套設(shè)備經(jīng)室內(nèi)對比試驗(yàn)、室內(nèi)模擬解除試驗(yàn)以及現(xiàn)場試驗(yàn)證明是可靠的,測試精度能夠滿足要求。

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