一种水平成层岩体变形参数综合确定方法技术

本发明专利技术涉及一种水平成层岩体变形参数综合确定方法,属于岩体变形参数测试技术领域。所述方法在施工现场的试验洞内进行，包括以下步骤，1)、准备测试部件，在试验洞内选定测试位置，为现场试验做准备；2)、在试验洞内进行层状岩样的单轴压缩试验，确定水平层状岩体的竖向弹性模量及泊松比；3)、在试验洞内进行竖向承压板试验和水平承压板试验并进行数据的记录和压力～变形曲线的绘制；4)、根据层状岩体单轴试验结果和竖向承压板试验和水平承压板试验的压力～变形曲线，利用商业有限元计算程序进行数值反分析，最终确定反应水平层状岩体横观各向同性的5个变形指标；5)、结合现场岩体结构调查结果和经验公式确定层状岩体弹性模量，以印证前面确定的岩体变形指标。本发明专利技术是一种水平层状岩体变形参数综合确定方法。

A comprehensive determination method for deformation parameters of horizontally stratified rock mass

The invention relates to a comprehensive determination method for deformation parameters of horizontally stratified rock mass, belonging to the technical field of rock mass deformation parameters measurement. The method is carried out in the test tunnel of the construction site, including the following steps: 1) preparing test components, selecting test location in the test tunnel to prepare for field test; 2) uniaxial compression test of layered rock samples in the test tunnel to determine the vertical elastic modulus and Poisson's ratio of horizontal layered rock mass; 3) testing in the test tunnel; Vertical compression plate test and horizontal compression plate test were carried out in the tunnel, and the data were recorded and the pressure-deformation curves were drawn. 4) According to the uniaxial test results of layered rock mass and the pressure-deformation curves of vertical compression plate test and horizontal compression plate test, the commercial finite element calculation program was used to carry out numerical back analysis, and finally the results were confirmed. Five deformation indices of transverse isotropy of layered rock mass with definite response level; 5) Elastic modulus of layered rock mass is determined by combining the results of in-situ investigation of rock mass structure and empirical formula to confirm the deformation indices of rock mass. The invention is a comprehensive method for determining the deformation parameters of horizontal layered rock mass.

【技术实现步骤摘要】
一种水平成层岩体变形参数综合确定方法
本专利技术涉及一种水平成层岩体变形参数综合确定方法,属于岩体变形参数测试

技术介绍
在隧道或者巷道施工中经常会遇到层状岩体，有别于均质岩体，层状岩体力学性质各向异性特征显著，岩体变形参数独立变量多、且难以测量。目前并没有能准确测量层状岩体变形参数的方法，给层状岩体工程设计与施工提供可靠的基础资料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于岩体单轴压缩试验、现场刚性承压板试验和数值反演相结合的水平层状岩体变形参数综合确定方法，为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，所述方法在施工现场的试验洞内进行，包括以下步骤，1)、准备测试部件，在试验洞内选定测试位置，为现场试验做准备；2)、在试验洞内进行层状岩样的单轴压缩试验，记录轴向压力～变形曲线、轴向变形～侧向变形曲线，确定水平层状岩体的竖向弹性模量及泊松比；3)、在试验洞内竖向承压板试验和水平承压板试验并进行数据的记录和压力-变形曲线的绘制；4)、根据层状岩体单轴试验结果和竖向承压板试验和水平承压板试验的压力～变形曲线，利用有限元计算程序进行数值反分析，最终综合确定反应水平层状岩体横观各向同性的5个变形指标；5)、结合现场岩体结构调查结果和经验公式确定层状岩体弹性模量，以印证前面确定的岩体变形指标。本专利技术技术方案的进一步改进在于：岩体单轴压缩试验与承压板试验使用的测试系统包括加系统、传力系统和量测系统3个部分；加压系统包括高压油泵、液压稳压器、液压千斤顶、电动或手摇式油泵、高压油管及高压快速接头若干和量程为10～50Mpa的压力表；传力系统包括承压板、传力柱及钢垫板；量测系统包括测表支架、磁性表架或万能表架和千分表、岩体侧向变形测线。本专利技术技术方案的进一步改进在于：液压千斤顶为2～3台，电动或手摇式油泵为2～3台，压力表为2～3个；测表支架2～4根，磁性表架或万能表架5～7个，千分表5～7只；承压板的厚度为3cm～4cm，钢垫板的厚度为2cm～3cm。本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤2中岩体单轴压缩试验的具体操作为，在加工好的立方体岩样上部由下到上依次叠放承压板、千斤顶、钢垫板、传力柱及钢垫板，最上方的钢垫板使用锚杆锚固在试验洞的顶壁；然后在承压板两侧分别设置用于安放测表支架的支座并且在支座上固定设置用于安放千分表的测表支架，千分表通过磁性表架或万能表架固定在测表支架上，在承压板四角布设4个千分表用于测量试件表面的竖向变形；利用环向测线测试岩样在轴向压缩下侧向变形。本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤4中竖向承压板试验的具体操作为，选定测试位置后再在测试位置处由下到上依次叠放承压板、千斤顶、钢垫板、传力柱及钢垫板，最上方的钢垫板使用锚杆锚固在试验洞的顶壁；然后在承压板两侧分别设置用于安放测表支架的支座并且在支座上固定设置用于安放千分表的测表支架，千分表通过磁性表架或万能表架固定在测表支架上，在承压板四角布设4个千分表用于测量试件表面的竖向变形；测试系统安装调试并经一定时间的养护后进行测试试验及数据处理。本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤4中水平承压板试验的具体操作为，在试验洞内制作水平承载平台并选定测试位置，在测试位置处水平方向依次依次设置与测试位置的岩壁相接触的承压板、千斤顶、钢垫板、传力柱及与另一侧的岩壁接触的钢垫板；然后在承压板两侧各竖直安放两端分别固定于试验洞的顶部和底部的测表支架，在两根竖向的测表支架之间焊接2根水平的测表支架；在承压板四角布设4个千分表，测试试验过程中试件表面水平变形；测试系统安装调试并经一定时间的养护后进行测试试验。本专利技术技术方案的进一步改进在于：测试系统安装调试并经一定时间的养护后进行测试试验的具体步骤为，(1)、准备工作按设计压力的1.2倍确定最大试验压力；测读各测表的初始读数，加压前每10min读数一次，连续三次读数不变，即可开始加压；(2)、岩体单轴压缩试验岩体预压阶段，对岩体施加一定的压力对岩体进行前期预压，使岩体内微裂隙闭合；对试验岩样进行分级加载试验，记录轴向压力～变形曲线、轴向变形～侧向变形曲线，求取水平层状岩体的竖向弹性模量Ey和泊松比μy。(2)、承压板试验首次加卸载将确定的最大压力分为6级并分级施加压力；加压方式采用逐级多次小循环加卸载；对于竖向加载试验，除最后一级压力卸至零外，其他各级压力均应保留接触压力0.1MPa，以保证安全操作，避免传力柱倾倒。(3)、承压板试验重复加卸载过程第一级压力卸完后，接着施加下一级压力，如此反复直至最后一级压力，各级压力下的读数要求相同(4)、承压板试验记录与观察在试验过程中，边读数、边记录，并观察试件变形破坏情况；分别绘制竖向与水平承压板试验中6级循环加卸载压力-变形曲线。本专利技术技术方案的进一步改进在于：水平成层岩体变形参数综合确定方法的步骤4中确定反应水平层状岩体横观各向同性的5个变形指标的具体步骤如下：1)、建立三维数值模型三维数值模型尺寸按3～5倍试验洞大小确定，模型顶面为测试现场实际地面形态；借助有限元程序中各向异性中节理岩体本构模型输入层状岩体横观各向同性力学指标，包括根据单轴压缩试验测定的竖向弹性模量Ey、泊松比μy，假定的水平向弹性模量Ex、泊松比μx和剪切模量G；根据水平及竖向承压板位置、形状与尺寸在模型中建立承压板模型，并赋予密度、弹性模型及泊松比三个物理力学参数；2)、按照竖向承压板试验加载方案，在数值模型试验中进行竖向承压板的分级加卸载模拟试验。3)、按照水平承压板试验加载方案，在数值模型试验中进行水平承压板的分级加卸载模拟试验。4)、记录并提取竖向、水平承压板数值模拟试验中压力与变形数据，绘制压力～变形曲线图。5)、与现场实测的压力～变形曲线对比，根据数据偏差修改数值模型中岩体变形参数，重新进行数值加载试验，并进行结果比对；一直重复数值试验，直至误差小于10％；6)、根据数值模型中输入的岩体各向同性参数，最终确定水平层状岩体的变形指标Ex、Ey、μx、μy和G；本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤5中是根据现场测定水平层状岩体竖向与水平向的RQD值和经验公式，估算水平层状岩体的弹性模量Ex、Ey值，印证数值反分析确定的弹性模量值。由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术效果有：本专利技术的方法结合岩体单轴压缩试验、现场承压板试验数据和有限元计算程序的数值反分析，能够最终确定反应水平层状岩体横观各向同性的5个变形指标。其中，岩体单轴压缩试验主要确定层状岩体竖向弹性模量Ey和泊松比μy，数值反演模型主要用于确定岩体的水平向弹性模量Ex、泊松比μx和剪切模量G。岩体RQD值统计和经验公式估算的岩体竖向弹性模量Ey和水平向弹性模量Ex，印证数值反分析结果。本专利技术提出了一种基于岩体单轴压缩试验、现场刚性承压板试验和数值反演相结合的水平层状岩体变形参数综合确定方法，为层状岩体工程设计与施工提供基础资料。附图说明图1是本专利技术竖向承压板试验立体示意图；图2是本专利技术竖向承压板试验主视图图3是本专利技术水平承压板试验立体示意图；图4是本专利技术水平承压板试验主视图；图5是本专利技术单轴压缩试验示意图；其中，1、承压板，2、千斤顶，3、钢垫板，4、传力柱，5、测表支架，6、千分表、7、试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，其特征在于：所述方法在施工现场的试验洞内进行，包括以下步骤，1)、准备测试部件，在试验洞内选定测试位置，为现场试验做准备；2)、在试验洞内进行层状岩样的单轴压缩试验，记录轴向压力～变形曲线、轴向变形～侧向变形曲线，确定水平层状岩体的竖向弹性模量及泊松比；3)在试验洞内进行竖向承压板试验和水平承压板试验并进行数据的记录和压力～变形曲线的绘制；4)、根据层状岩体单轴试验结果和竖向承压板试验和水平承压板试验的压力～变形曲线，利用有限元计算程序进行数值反分析，最终综合确定反应水平层状岩体横观各向同性的5个变形指标；5)、结合现场岩体结构调查结果和经验公式确定水平层状岩体弹性模量，以印证前面确定的岩体变形指标。

【技术特征摘要】
1.一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，其特征在于：所述方法在施工现场的试验洞内进行，包括以下步骤，1)、准备测试部件，在试验洞内选定测试位置，为现场试验做准备；2)、在试验洞内进行层状岩样的单轴压缩试验，记录轴向压力～变形曲线、轴向变形～侧向变形曲线，确定水平层状岩体的竖向弹性模量及泊松比；3)在试验洞内进行竖向承压板试验和水平承压板试验并进行数据的记录和压力～变形曲线的绘制；4)、根据层状岩体单轴试验结果和竖向承压板试验和水平承压板试验的压力～变形曲线，利用有限元计算程序进行数值反分析，最终综合确定反应水平层状岩体横观各向同性的5个变形指标；5)、结合现场岩体结构调查结果和经验公式确定水平层状岩体弹性模量，以印证前面确定的岩体变形指标。2.根据权利要求1所述的一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，其特征在于：岩体单轴压缩试验与承压板试验使用的测试系统包括加压系统、传力系统和量测系统3个部分；加压系统包括高压油泵、液压稳压器、液压千斤顶、电动或手摇式油泵、高压油管及高压快速接头若干和量程为10～50Mpa的压力表；传力系统包括承压板、传力柱及钢垫板；量测系统包括测表支架、磁性表架或万能表架和千分表、岩体侧向变形测线。3.根据权利要求2所述的一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，其特征在于：液压千斤顶为2～3台，电动或手摇式油泵为2～3台，压力表为2～3个；测表支架2～4根，磁性表架或万能表架5～7个，千分表5～7只；承压板的厚度为3cm～4cm，钢垫板的厚度为2cm～3cm。4.根据权利要求3所述的一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，其特征在于：步骤2中岩体单轴压缩试验的具体操作为，在加工好的立方体岩样上部由下到上依次叠放承压板、千斤顶、钢垫板、传力柱及钢垫板，最上方的钢垫板使用锚杆锚固在试验洞的顶壁；然后在承压板两侧分别设置用于安放测表支架的支座并且在支座上固定设置用于安放千分表的测表支架，千分表通过磁性表架或万能表架固定在测表支架上，在承压板四角布设4个千分表用于测量试件表面的竖向变形；利用环向测线测试岩样在轴向压缩下侧向变形。5.根据权利要求2所述的一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，其特征在于：步骤4中竖向承压板试验的具体操作为，选定测试位置，用水泥砂浆抹平测试部位表面，而后再在测试位置处由下到上依次叠放承压板、千斤顶、钢垫板、传力柱及钢垫板，最上方的钢垫板使用锚杆锚固在试验洞的顶壁；然后在承压板两侧分别设置用于安放测表支架的支座并且在支座上固定设置用于安放千分表的测表支架，千分表通过磁性表架或万能表架固定在测表支架上，在承压板四角布设4个千分表用于测量试件表面的竖向变形；测试系统安装调试并经一定时间的养护后进行测试试验及数据处理。6.根据权利要求2所述的一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，其特征在于：步骤4中水平承压板试验的具体操作为，在试验洞内制作水平承载平台并选定测试位置，用水泥砂浆抹平测试部位表面，在测试位置处水平方向依次依次设置与测试位置的岩壁相接触的承压板、千斤顶、钢垫板、传...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩现民，候福金，赵然，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，山东大学，山东高速济莱城际公路有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13