張幼振 ，劉焱杰 ，鐘自成

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

巖體力學(xué)參數(shù)是礦山巖體工程設(shè)計和穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取可靠的力學(xué)參數(shù)并解決工程實際問題，一直是礦山巖石力學(xué)工作者的主要研究內(nèi)容[1-2]。其中，抗剪強度作為重要的巖體力學(xué)參數(shù)，當前主要的獲取方法大致分為室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗、經(jīng)驗準則以及數(shù)值模擬。室內(nèi)試驗受樣品尺寸大小以及巖體分離影響，測試條件與實際環(huán)境存在一定差異。經(jīng)驗準則和數(shù)值模擬受到巖體中節(jié)理裂隙、地下水和尺寸效應(yīng)的影響，與巖體的實際力學(xué)參數(shù)存在差異，在確定復(fù)雜節(jié)理巖體強度時并不理想，難以對工程設(shè)計參數(shù)準確把握[3-5]?，F(xiàn)場試驗可直接確定巖體的力學(xué)參數(shù)，數(shù)據(jù)相對可靠，但受到巖土體性質(zhì)約束，一般所需周期長、操作復(fù)雜。如何快速、簡易和可靠地進行巖體原位測試成為巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題之一。

20 世紀60 年代后期，R.L.Handy[6]等提出了一種采用鉆孔剪切試驗(Borehole Shear Test，BST)測定巖土體抗剪強度參數(shù)的原位測試方法與相關(guān)設(shè)備。R.M.Sbroglia 等[7]利用鉆孔剪切試驗與直剪試驗將花崗巖、混合巖、麻粒巖等多種巖體的抗剪強度參數(shù)進行比較，認為原位鉆孔剪切試驗與室內(nèi)直剪試驗結(jié)果具有良好的相關(guān)性。D.G.Fredlund 等[8]利用鉆孔剪切試驗對非飽和土的抗剪強度進行了研究。Huang Xiaowei 等[9]利用改進的鉆孔剪切儀器，證明原位鉆孔測試對黃土坡的適用性，并揭示了原位測試中正常應(yīng)力和鞏固時間的影響因素。A.STEFANO 等[10]利用鉆孔剪切試驗方法繪制了滑坡危險區(qū)巖土工程圖。2009 年中國水利水電科學(xué)研究院從美國引進了一套RBST 巖石鉆孔剪切儀，賈志欣等[11]、王玉杰等[12]在混凝土空心圓柱體和向家壩水電站壩基巖體中進行了試驗，并對相關(guān)儀器進行了改進。于永堂等[13-14]采用美國Iowa 鉆孔剪切儀在黃土中進行了嘗試。馮文凱等[15-16]介紹了法國Phicometre 鉆孔剪切儀的工作原理、試驗過程和數(shù)據(jù)處理方法，并分別在邊坡穩(wěn)定及碎裂巖體中進行了試驗應(yīng)用。張建經(jīng)等[17]應(yīng)用研制的新型便攜式鉆孔剪切儀開展了測試分析。

目前，抗剪強度原位測試技術(shù)應(yīng)用范圍主要集中在土體，且測試設(shè)備相對單一，尤其在礦山巖體中測試應(yīng)用較少。筆者通過創(chuàng)新研發(fā)的預(yù)鉆式原位巖體剪切測量系統(tǒng)，在混凝土平臺開展了巖體侵入試驗以及剪切試驗，并將剪切結(jié)果與室內(nèi)直剪進行了對比分析，以期為礦山原位巖體抗剪強度測試應(yīng)用提供借鑒。

1 剪切測量系統(tǒng)研制

1.1 總體設(shè)計

原位巖體剪切測量系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1 所示，由巖體侵入模塊、剪切強度測量模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊構(gòu)成，可以對不同類型的巖體進行剪切測試，并記錄結(jié)果，方便后期數(shù)據(jù)分析和處理。其中，巖體侵入模塊主要是手動液壓泵對剪切儀加壓，楔形刀具徑向侵入巖體；剪切強度測量模塊可由液壓鉆機提供軸向力，帶動剪切儀對孔壁巖體軸向剪切；數(shù)據(jù)采集存儲模塊主要利用剪切儀內(nèi)置磁致伸縮傳感器對位移進行測量，經(jīng)過數(shù)字顯示表傳遞至計算機軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、顯示以及曲線分析等功能。

圖1 原位巖體剪切測量系統(tǒng)總體模塊Fig.1 The overall module design of the in-situ rock mass shear measurement system

1.2 預(yù)鉆式原位巖體剪切儀

預(yù)鉆式原位巖體剪切儀[18]為中腔式圓柱形設(shè)計，儀器總長約為940 mm，外部套有6 個彈性片和2 層平行楔形刀具。如圖2 所示，儀器主要由剪切裝置、加壓裝置、位移裝置、轉(zhuǎn)換接頭等4 部分組成。剪切裝置利用彈性片中部焊接刀具徑向移動侵入巖體，刀具外徑75 mm，彈性片完全擴張時，最大侵入范圍約為10 mm；加壓裝置主要將手動液壓泵提供的液壓動力轉(zhuǎn)換為楔形滑塊的軸向力；位移裝置利用楔形滑塊的軸向移動使彈性剪切片發(fā)生弓形變形，滑塊軸向最大位移約為210 mm，為剪切裝置的1/2；轉(zhuǎn)換接頭主要用于剪切儀從鉆孔下位、提取，及后續(xù)巖體剪切軸向拉力的承載傳遞。

圖2 預(yù)鉆式原位巖體剪切儀結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of the pre-drilled in-situ rock shear apparatus

剪切儀內(nèi)置直流24 V 磁致伸縮傳感器，刀具徑向侵入巖體時，利用磁場相交產(chǎn)生的應(yīng)變脈沖信號準確換算出侵入巖體位置。儀器遵從MODBUS 協(xié)議，RS485 差分接收信號，抑制了共模干擾。同時，由于傳感器是非接觸式，避免巖體侵入中造成磨損，使剪切儀具有高分辨率、高可靠性和響應(yīng)時間快等優(yōu)點。

1.3 數(shù)據(jù)采集存儲軟件平臺

數(shù)據(jù)采集存儲軟件平臺的設(shè)計思想是搭建一套擴展性強、復(fù)用性高、可靈活控制的軟件系統(tǒng)。在Windows 操作平臺運行時，軟件系統(tǒng)以侵入位移作為核心參數(shù)，對傳感器轉(zhuǎn)換后形成的信號進行同步采集與處理。

為提高系統(tǒng)的可操作性和便捷性，建立M400 數(shù)據(jù)采集存儲軟件。界面采用數(shù)據(jù)和曲線相結(jié)合的顯示方式，以時間為橫坐標，位移為縱坐標實時顯示位移曲線；曲線右側(cè)以毫米為單位，精確顯示位移數(shù)據(jù)。上方設(shè)有數(shù)據(jù)報表、打印、保存圖片按鈕，實時記錄生成數(shù)據(jù)。界面下方設(shè)有各種功能鍵，如曲線自動刷新時間，可根據(jù)不同巖性侵入時間差異相應(yīng)調(diào)整；設(shè)置位移上/下線報警值，及時發(fā)現(xiàn)巖石侵入異常值，提高測試的準確性。

2 剪切測量原理及試驗方法

2.1 剪切測量原理

巖石原位鉆孔剪切試驗與室內(nèi)和現(xiàn)場直剪原理類似，是在鉆孔內(nèi)某一深度將剪切儀2 個平行楔形刀具壓入鉆孔孔壁內(nèi)，通過提拉剪切儀變徑接頭，實現(xiàn)嵌入巖體的刀具與周圍巖體的直接剪切破壞。在原位鉆孔剪切試驗中，對于每一級法向荷載，如果侵入巖體的面積為A，作用于巖體上的法向力和剪切儀的提拉力大小分別為p和T，則作用在巖體上的正應(yīng)力σi為法向力p與2 個刀具有效侵入面積A的比值，剪應(yīng)力τi為提拉力T與2 個刀具有效侵入面積A的比值。

根據(jù)常規(guī)巖體直剪試驗的數(shù)據(jù)整理方法，將各剪切階段特征點的剪應(yīng)力與正應(yīng)力值，采用圖解法或者最小二乘法繪制剪應(yīng)力與正應(yīng)力的關(guān)系曲線。當采用回歸分析得到相應(yīng)的抗剪強度參數(shù)時，內(nèi)摩擦因數(shù)f和黏聚力c分別為：

式中：m為直剪試驗組數(shù)；σi、τi分別為各直剪試驗正應(yīng)力與剪應(yīng)力；i=1,2,···,m。

2.2 試驗方法

鉆孔剪切測量系統(tǒng)總體布局如圖3 所示，剪切儀在鉆孔內(nèi)移動時，可利用鉆機下放、起拔至指定位置。位置確定后，千斤頂通過卡鉗與剪切儀相連。千斤頂通常放置在孔口，提供平行于鉆孔中心軸線的剪切力。底部放置調(diào)平底座，調(diào)整千斤頂合適方位。手動液壓泵1 主要對剪切儀加壓，使彈性片延展，刀具侵入巖體，壓力表1 用于讀取剪切儀的侵入壓力。手動液壓泵2主要對千斤頂加壓，提升剪切儀實現(xiàn)巖體剪切，并由壓力表2 讀取巖體的剪切壓力。

圖3 剪切測量系統(tǒng)總體布局Fig.3 General layout of the shear measurement system

數(shù)字顯示表同時與剪切儀內(nèi)部磁致伸縮傳感器、計算機以及電源相連。傳感器位移數(shù)據(jù)經(jīng)過顯示表傳遞至計算機接口，進入數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)。鉆孔內(nèi)部侵入位移相對較小時，為提高顯示精度，應(yīng)用濾波算法進行修正計算。

2.3 試驗步驟

巖體鉆孔剪切試驗可分為7 個主要步驟，各步驟依次進行，試驗流程如圖4 所示。

圖4 巖體鉆孔剪切試驗流程Fig.4 Flow chart of the rock drilling shear test

①儀器檢查與標定。試驗前應(yīng)詳細檢查所有儀器設(shè)備和連接線路是否正常，并進行剪切儀刀具壓力和位移原始標定，得出剪切儀未侵入巖體膨脹后刀具展開與施加壓力的關(guān)系曲線。

② 鉆孔準備。原位巖體剪切儀刀具的初始外徑為75 mm，刀具徑向最大侵入位移10 mm 左右，用于鉆孔剪切試驗的鉆孔直徑為75～85 mm，以便剪切儀上的環(huán)形刀具能侵入鉆孔孔壁。

③儀器下放。測量剪切儀長度以及刀具位置，根據(jù)計算結(jié)果，將安裝好壓力管線和數(shù)據(jù)測量線路的剪切儀下放到孔內(nèi)指定深度。

④ 施加侵入應(yīng)力。通過手動液壓泵對剪切儀施加侵入正應(yīng)力，壓力間隔可根據(jù)不同巖石硬度合適選擇，施加過程中應(yīng)保持勻速緩慢施加到指定應(yīng)力值，并在徑向位移數(shù)值保持相對穩(wěn)定時進行記錄。

⑤ 施加軸向剪切應(yīng)力。通過千斤頂施加軸向剪切應(yīng)力，按照分級多次緩慢施加，直至剪切位置巖樣發(fā)生破壞，記錄下此過程中的最大剪應(yīng)力。

⑥ 剪切儀器提升。剪切試驗結(jié)束后卸掉施加在剪切儀上的法向應(yīng)力使環(huán)形刀具收縮，向孔口提升剪切儀并清理刀具上殘留的巖碴。

⑦ 重復(fù)以上③?⑥步驟，進行同一鉆孔不同深度或同一深度不同鉆孔剪切試驗。

3 現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析

3.1 標定試驗

試驗前對剪切儀進行初始標定，各階段分級壓力增量見表1。初期階段，剪切儀對手動液壓泵壓力改變明顯，以0.1 MPa 作為分級壓力增量，記錄剪切儀刀具徑向位移變化；中期階段，徑向位移增量較為穩(wěn)定，以0.1～0.5 MPa 作為壓力增量記錄位移變化；末期階段，剪切儀變化相對緩慢，提高分級增量，以1 MPa 作為壓力增量值進行記錄。

表1 原位鉆孔剪切儀各階段分級壓力增量Table 1 Graded pressure increments for each stage of the in-situ borehole shear

根據(jù)表1 繪制剪切儀壓力標定變化曲線如圖5 所示。由圖可知，儀器標定曲線分為兩段，在液壓泵壓力小于4.3 MPa 時，壓力與徑向位移存在線性關(guān)系，且線性度良好，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.992 7 和0.995 0；在液壓泵壓力大于4.3 MPa 時，隨著液壓泵壓力的增大，徑向位移變化較小，因此可認為此階段彈性片充分延展，楔形刀具徑向位移保持相對穩(wěn)定。

圖5 鉆孔剪切儀壓力標定曲線Fig.5 Calibration curves of the drilling shear apparatus

3.2 侵入試驗

試驗場地建有3 000 mm×3 000 mm×100 mm 的混凝土臺面，其下以砂礫石、黏土為主。在混凝土臺面，鉆機預(yù)先鉆進2 個?75 mm 鉆孔，為確保楔形刀具具備充足空間剪切混凝土臺面，孔深大于600 mm，將儀器下放到孔內(nèi)130 mm 深處，進行2 組巖體侵入試驗，分級壓力設(shè)為1 MPa，侵入位移–正應(yīng)力曲線如圖6 所示。

圖6 巖體正應(yīng)力–侵入位移的n 次方曲線Fig.6 Rock body positive stress-intrusion displacement curves

通過研究巖石在外載作用下破碎發(fā)展過程，可以認為載荷和侵入位移的n次方成正比，即：

式中：p為外部載荷，h為侵入位移；k是為反映侵入難易的系數(shù)，稱侵入系數(shù)；指數(shù)n值一般取0.5～2.0，取決于巖石的堅固性和工具的形狀尺寸，對于楔形壓頭，n值近于1[19]。

由應(yīng)力–位移曲線可知，侵入位移的n次方與正向應(yīng)力存在線性關(guān)系，且線性度較好，1 孔擬合曲線相關(guān)性系數(shù)為0.997 4，2 孔擬合曲線相關(guān)性系數(shù)為0.995 0。侵入混凝土體的k值大約在36.5 附近。同時，當法向正應(yīng)力高于20 MPa 時，刀具侵入混凝土體位移超過1 mm，巖體侵入效果較好。

3.3 原位剪切試驗

在混凝土臺面，進行了2 組14 次鉆孔剪切試驗?，F(xiàn)場試驗概況如圖7 所示，左圖表示在鉆機動力頭作用下，剪切儀緩慢向上提升；右圖為剪切儀局部放大圖，可以明顯觀察到在壓力作用下，中部尺寸變大，彈性片延展產(chǎn)生縫隙，剪切刀具存在徑向位移。

圖7 現(xiàn)場試驗概況Fig.7 The overview of the field test

原位剪切試驗正應(yīng)力應(yīng)除去儀器標定試驗中相對應(yīng)的侵入位移下的液壓泵壓力，即為楔形刀具與巖體作用的正壓力。試驗應(yīng)保證巖體侵入效果，修正后的初始壓力設(shè)置20 MPa，分級壓力增量取1 MPa，當數(shù)字顯示表顯示侵入位移保持相對穩(wěn)定時測定每級法向應(yīng)力作用下巖體的抗剪強度。根據(jù)鉆孔剪切試驗數(shù)據(jù)繪制不同正應(yīng)力作用下巖體剪切應(yīng)力趨勢線如圖8所示。

由圖8 可知，1 孔趨勢線明顯高于2 孔，抗剪強度較大，但離散性也較小。由擬合曲線可得，1 孔內(nèi)摩擦因數(shù)為0.210 7，內(nèi)摩擦角為11.91°，黏聚力為5.739 3 MPa，試驗數(shù)據(jù)線性擬合度符合要求，相關(guān)性較好。2 孔內(nèi)摩擦因數(shù)為0.182 1，內(nèi)摩擦角為10.32°，黏聚力為4.839 3 MPa。

圖8 1 孔和2 孔鉆孔剪切應(yīng)力趨勢線Fig.8 Drilling shear curves of hole 1 and hole 2

3.4 室內(nèi)直剪試驗

為驗證室外原位巖體剪切測試結(jié)果有效性，在鉆孔剪切試驗點采集原狀混凝土樣品，進行室內(nèi)直剪試驗。直剪試驗前，首先進行單軸抗壓試驗確定試件強度，兩試驗均遵從GB/T 50266?2013《工程巖體試驗方法標準》。直剪試驗中，每組試驗試件的數(shù)量為5 個，試件直徑為50 mm，高度與直徑相等。將試件置于直剪儀的剪切盒內(nèi)，間隙用填料填實，使試件與剪切盒成為一個整體，預(yù)定剪切面位于試件中部，采用平推法進行試驗。直剪試驗結(jié)果及擬合曲線如圖9 所示。

圖9 1 孔和2 孔室內(nèi)直剪應(yīng)力趨勢線Fig.9 Straight shear curves in hole 1 and hole 2

由圖9 可知，試件2 的抗剪強度趨勢線高于試件1，抗剪強度參數(shù)較大，同時離散性也較大，由趨勢線可以看出，1 孔內(nèi)摩擦因數(shù)為0.283 5，黏聚力為6.605 6 MPa，線性擬合度為0.992 3。2 孔內(nèi)摩擦因數(shù)為0.317，黏聚力為7.205 4 MPa，線性擬合度為0.990 9。

3.5 原位剪切與室內(nèi)直剪試驗數(shù)據(jù)對比

根據(jù)圖8 鉆孔剪切試驗和圖9 室內(nèi)直剪試驗所得的抗剪強度線，得到巖體的黏聚力與內(nèi)摩擦角結(jié)果見表2。

由表2 可知，鉆孔剪切試驗數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性均滿足R2大于0.98 的要求[14-15]，且鉆孔剪切試驗的離散性小于室內(nèi)直剪試驗。4 組試驗中，鉆孔剪切試驗測得的混凝土體內(nèi)摩擦角比室內(nèi)直剪試驗結(jié)果小24.77%～41.33%，測得的黏聚力比室內(nèi)直剪試驗結(jié)果小13.11%～32.84%。對原位鉆孔剪切試驗及室內(nèi)直剪試驗結(jié)果分別求取平均值可得，鉆孔剪切試驗測得的混凝土體內(nèi)摩擦角平均值比室內(nèi)直剪試驗結(jié)果小33.48%，測得的黏聚力平均值是直剪試驗所得黏聚力的76.60%。

表2 原位鉆孔剪切儀各階段分級壓力增量Table 2 Graded pressure increments for each stage of the in-situ borehole shear

造成原位鉆孔與室內(nèi)直剪所得黏聚力結(jié)果差異性的主要原因。

(1) 剪切方式不同。分級剪切是在某一級正應(yīng)力下剪切后，卸除剪應(yīng)力，持續(xù)施加下一級正應(yīng)力；分別剪切是在孔內(nèi)不同位置分別施加不同級別正應(yīng)力剪切。本文原位鉆孔試驗采取分級剪切，但室內(nèi)直剪試驗和分別剪切更加類似。同時，試驗過程中，巖體侵入壓力的加載速率、剪切過程中提升速率，都會產(chǎn)生一定影響。

(2) 巖體性質(zhì)存在差異。鉆孔剪切試驗是在天然狀態(tài)下進行剪切測試，不存在試樣應(yīng)力擾動、封裝保存等一系列問題。并且?guī)r體本身具有各向異性，兩種測試的加載方向并非完全一致，原位鉆孔試驗是沿著鉆孔豎直方向剪切，室內(nèi)直剪試驗是對巖樣水平剪切。

(3) 室內(nèi)直剪試驗需要將標準巖樣放入夾具內(nèi)剪切，夾具剛性較大巖樣受到明顯約束，導(dǎo)致直剪試驗測試結(jié)果偏大，作為對比試驗，原位鉆孔剪切試驗結(jié)果偏小。

4 結(jié)論

a.預(yù)鉆孔原位巖體剪切為礦山巖體力學(xué)參數(shù)確定提供了一種新的思路和方法。與傳統(tǒng)的常規(guī)試驗相比，無需取樣，快速簡便，并考慮了地下巖體賦存環(huán)境的影響因素，具有很大的工程應(yīng)用前景。

b.巖體剪切測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕、體積小，對巖體擾動小，可以多次快速測量巖體抗剪強度。與室內(nèi)直剪測試相比，內(nèi)摩擦角小24.77%～41.33%，黏聚力小13.11%～32.84%，并分析了原位鉆孔與室內(nèi)直剪試驗結(jié)果差異的原因，為現(xiàn)場測試提供參考。

c.針對現(xiàn)有測量系統(tǒng)存在的不足，原位巖體剪切儀器設(shè)計與測試方法正在改進與優(yōu)化，與室內(nèi)測試相對準確的關(guān)系尚需通過大量實踐進一步研究。并且，可通過多孔徑改進設(shè)計，增設(shè)窺孔裝置等措施，提高鉆孔利用率，為巖體工程特性的確定提供更為可靠的參考依據(jù)。