預鉆式原位巖體剪切測量系統研制與試驗分析

張幼振 ，劉焱杰 ，鐘自成

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

巖體力學參數是礦山巖體工程設計和穩定性評價的基礎數據，獲取可靠的力學參數并解決工程實際問題，一直是礦山巖石力學工作者的主要研究內容[1-2]。其中，抗剪強度作為重要的巖體力學參數，當前主要的獲取方法大致分為室內試驗、現場試驗、經驗準則以及數值模擬。室內試驗受樣品尺寸大小以及巖體分離影響，測試條件與實際環境存在一定差異。經驗準則和數值模擬受到巖體中節理裂隙、地下水和尺寸效應的影響，與巖體的實際力學參數存在差異，在確定復雜節理巖體強度時并不理想，難以對工程設計參數準確把握[3-5]?，F場試驗可直接確定巖體的力學參數，數據相對可靠，但受到巖土體性質約束，一般所需周期長、操作復雜。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的原位測試方法與相關設備。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進行比較，認為原位鉆孔剪切試驗與室內直剪試驗結果具有良好的相關性。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巖土工程圖。2009 年中國水利水電科學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、試驗過程和數據處理方法，并分別在邊坡穩定及碎裂巖體中進行了試驗應用。張建經等[17]應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應用范圍主要集中在土體，且測試設備相對單一，尤其在礦山巖體中測試應用較少。筆者通過創新研發的預鉆式原位巖體剪切測量系統，在混凝土平臺開展了巖體侵入試驗以及剪切試驗，并將剪切結果與室內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用提供借鑒。

1 剪切測量系統研制

1.1 總體設計

原位巖體剪切測量系統總體設計如圖1 所示，由巖體侵入模塊、剪切強度測量模塊、數據采集存儲模塊構成，可以對不同類型的巖體進行剪切測試，并記錄結果，方便后期數據分析和處理。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；數據采集存儲模塊主要利用剪切儀內置磁致伸縮傳感器對位移進行測量，經過數字顯示表傳遞至計算機軟件系統，實現數據接收、顯示以及曲線分析等功能。

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

1.2 預鉆式原位巖體剪切儀

預鉆式原位巖體剪切儀[18]為中腔式圓柱形設計，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；轉換接頭主要用于剪切儀從鉆孔下位、提取，及后續巖體剪切軸向拉力的承載傳遞。

圖2 預鉆式原位巖體剪切儀結構Fig.2 Structure diagram of the pre-drilled in-situ rock shear apparatus

剪切儀內置直流24 V 磁致伸縮傳感器，刀具徑向侵入巖體時，利用磁場相交產生的應變脈沖信號準確換算出侵入巖體位置。儀器遵從MODBUS 協議，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、高可靠性和響應時間快等優點。

1.3 數據采集存儲軟件平臺

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

為提高系統的可操作性和便捷性，建立M400 數據采集存儲軟件。界面采用數據和曲線相結合的顯示方式，以時間為橫坐標，位移為縱坐標實時顯示位移曲線；曲線右側以毫米為單位，精確顯示位移數據。上方設有數據報表、打印、保存圖片按鈕，實時記錄生成數據。界面下方設有各種功能鍵，如曲線自動刷新時間，可根據不同巖性侵入時間差異相應調整；設置位移上/下線報警值，及時發現巖石侵入異常值，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和現場直剪原理類似，是在鉆孔內某一深度將剪切儀2 個平行楔形刀具壓入鉆孔孔壁內，通過提拉剪切儀變徑接頭，實現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力σi為法向力p與2 個刀具有效侵入面積A的比值，剪應力τi為提拉力T與2 個刀具有效侵入面積A的比值。

根據常規巖體直剪試驗的數據整理方法，將各剪切階段特征點的剪應力與正應力值，采用圖解法或者最小二乘法繪制剪應力與正應力的關系曲線。當采用回歸分析得到相應的抗剪強度參數時，內摩擦因數f和黏聚力c分別為：

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

2.2 試驗方法

鉆孔剪切測量系統總體布局如圖3 所示，剪切儀在鉆孔內移動時，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。底部放置調平底座，調整千斤頂合適方位。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 剪切測量系統總體布局Fig.3 General layout of the shear measurement system

數字顯示表同時與剪切儀內部磁致伸縮傳感器、計算機以及電源相連。傳感器位移數據經過顯示表傳遞至計算機接口，進入數據采集管理系統。鉆孔內部侵入位移相對較小時，為提高顯示精度，應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。試驗前應詳細檢查所有儀器設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，根據計算結果，將安裝好壓力管線和數據測量線路的剪切儀下放到孔內指定深度。

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

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

⑥ 剪切儀器提升。剪切試驗結束后卸掉施加在剪切儀上的法向應力使環形刀具收縮，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 現場試驗及結果分析

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系，且線性度良好，線性相關系數分別為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130 mm 深處，進行2 組巖體侵入試驗，分級壓力設為1 MPa，侵入位移–正應力曲線如圖6 所示。

圖6 巖體正應力–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，稱侵入系數；指數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]。

由應力–位移曲線可知，侵入位移的n次方與正向應力存在線性關系，且線性度較好，1 孔擬合曲線相關性系數為0.997 4，2 孔擬合曲線相關性系數為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。現場試驗概況如圖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，彈性片延展產生縫隙，剪切刀具存在徑向位移。

圖7 現場試驗概況Fig.7 The overview of the field test

原位剪切試驗正應力應除去儀器標定試驗中相對應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。試驗應保證巖體侵入效果，修正后的初始壓力設置20 MPa，分級壓力增量取1 MPa，當數字顯示表顯示侵入位移保持相對穩定時測定每級法向應力作用下巖體的抗剪強度。根據鉆孔剪切試驗數據繪制不同正應力作用下巖體剪切應力趨勢線如圖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 孔內摩擦因數為0.210 7，內摩擦角為11.91°，黏聚力為5.739 3 MPa，試驗數據線性擬合度符合要求，相關性較好。2 孔內摩擦因數為0.182 1，內摩擦角為10.32°，黏聚力為4.839 3 MPa。

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

3.4 室內直剪試驗

為驗證室外原位巖體剪切測試結果有效性，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，間隙用填料填實，使試件與剪切盒成為一個整體，預定剪切面位于試件中部，采用平推法進行試驗。直剪試驗結果及擬合曲線如圖9 所示。

圖9 1 孔和2 孔室內直剪應力趨勢線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，抗剪強度參數較大，同時離散性也較大，由趨勢線可以看出，1 孔內摩擦因數為0.283 5，黏聚力為6.605 6 MPa，線性擬合度為0.992 3。2 孔內摩擦因數為0.317，黏聚力為7.205 4 MPa，線性擬合度為0.990 9。

3.5 原位剪切與室內直剪試驗數據對比

根據圖8 鉆孔剪切試驗和圖9 室內直剪試驗所得的抗剪強度線，得到巖體的黏聚力與內摩擦角結果見表2。

由表2 可知，鉆孔剪切試驗數據的線性相關性均滿足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直剪試驗。4 組試驗中，鉆孔剪切試驗測得的混凝土體內摩擦角比室內直剪試驗結果小24.77%～41.33%，測得的黏聚力比室內直剪試驗結果小13.11%～32.84%。對原位鉆孔剪切試驗及室內直剪試驗結果分別求取平均值可得，鉆孔剪切試驗測得的混凝土體內摩擦角平均值比室內直剪試驗結果小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直剪所得黏聚力結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力下剪切后，卸除剪應力，持續施加下一級正應力；分別剪切是在孔內不同位置分別施加不同級別正應力剪切。本文原位鉆孔試驗采取分級剪切，但室內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，都會產生一定影響。

(2) 巖體性質存在差異。鉆孔剪切試驗是在天然狀態下進行剪切測試，不存在試樣應力擾動、封裝保存等一系列問題。并且巖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，室內直剪試驗是對巖樣水平剪切。

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

4 結論

a.預鉆孔原位巖體剪切為礦山巖體力學參數確定提供了一種新的思路和方法。與傳統的常規試驗相比，無需取樣，快速簡便，并考慮了地下巖體賦存環境的影響因素，具有很大的工程應用前景。

b.巖體剪切測量系統結構簡單，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。與室內直剪測試相比，內摩擦角小24.77%～41.33%，黏聚力小13.11%～32.84%，并分析了原位鉆孔與室內直剪試驗結果差異的原因，為現場測試提供參考。

c.針對現有測量系統存在的不足，原位巖體剪切儀器設計與測試方法正在改進與優化，與室內測試相對準確的關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計，增設窺孔裝置等措施，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。