巖體的變形特性尤其是變形模量或彈性模量是巖體工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和巖塊礦物成分不一致，使得由試驗(yàn)測(cè)得同一類巖體的模量值，即便在同一區(qū)段采用同一方法也可能相差很大，更不用說(shuō)采用不同方法了。為了獲得接近工程巖體模量的“真值”，長(zhǎng)期以來(lái)世界各國(guó)發(fā)展了大量的研究方法和相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)。這些方法和技術(shù)可以歸納為動(dòng)測(cè)法和靜測(cè)法兩大類。
動(dòng)測(cè)法是通過(guò)研究地震波或聲波在巖體中的傳播規(guī)律并建立運(yùn)動(dòng)參數(shù)與巖體模量的關(guān)系，這種方法具有測(cè)量迅速、耗資較少，便于大范圍、大規(guī)模測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)測(cè)值大大高于靜力法測(cè)值。由于設(shè)計(jì)需要靜態(tài)值，所以許多研究人員致力于研究動(dòng)、靜兩種測(cè)量結(jié)果的相關(guān)關(guān)系。但迄今為止尚無(wú)合理的計(jì)算公式或表示相關(guān)關(guān)系的圖表，原因很簡(jiǎn)單，因動(dòng)測(cè)法是物理方法，而靜測(cè)法是通過(guò)力的傳遞及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來(lái)確定變形模量或彈性模量，二種不同機(jī)制方法測(cè)定的結(jié)果當(dāng)然無(wú)法建立確定的關(guān)系。
靜測(cè)法可分為承壓板法(包括壓力枕法和切縫法)、水壓試洞法及鉆孔法三類。
?承壓板法
廣泛使用的方法，但必須有勘探巷道，而且測(cè)點(diǎn)少、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，測(cè)點(diǎn)處易受爆破影響。
?水壓試洞法
費(fèi)用更高，已很少采用。
?鉆孔法
具有如下優(yōu)點(diǎn)：由于試點(diǎn)可以遠(yuǎn)離開(kāi)挖面，因而可減小開(kāi)挖和試件制備時(shí)對(duì)巖體的破壞及暴露面的松弛影響，試點(diǎn)處巖體基本上可保持原狀；同時(shí)因試驗(yàn)周期短、經(jīng)濟(jì)，故可廣泛地開(kāi)展，使結(jié)果更具有代表性。
鉆孔法使用的設(shè)備按加力方式可分為鉆孔膨脹計(jì)、貫入計(jì)、鉆孔彈模計(jì)三類。
?鉆孔膨脹計(jì)
鉆孔膨脹計(jì)是利用柔性的橡膠囊向鉆孔孔壁全面加壓，測(cè)定體積變化或鉆孔徑向變形以計(jì)算變形或彈性模量。
?鉆孔彈模計(jì)
鉆孔彈模計(jì)的原理是利用活塞、楔形塊或小型柔性壓力枕等部件，給鉆孔壁施加一對(duì)徑向壓力，并同時(shí)測(cè)量出相應(yīng)的孔徑變化，據(jù)此計(jì)算巖體的變形或彈性模量。
鉆孔試驗(yàn)法雖然只能測(cè)定一小段（約三倍直徑長(zhǎng)度）內(nèi)孔壁周圍巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，但由于它可在大量已有的取芯勘探孔內(nèi)多個(gè)測(cè)段內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試數(shù)據(jù)多，代表性強(qiáng)。如果將工程區(qū)按巖石分級(jí)劃分不同區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域多個(gè)測(cè)段測(cè)試，則可用數(shù)理統(tǒng)計(jì)或加權(quán)平均法評(píng)估工程區(qū)巖體的整體變形和彈性模量。
孔內(nèi)彈模測(cè)定器
孔內(nèi)彈模測(cè)定器也稱鉆孔彈模計(jì)，(Borehole Jack, Goodman Jack 或NX Borehole jack)它與鉆孔膨脹計(jì)的主要區(qū)別為:后者是利用柔性的橡膠囊向鉆孔孔壁全面加壓，測(cè)定體積變化或鉆孔徑向變形以計(jì)算變形或彈性模量；前者則是利用多個(gè)活塞向部分孔壁徑向加壓，加壓塊為剛性，加壓角2β=45°(90°)，同時(shí)測(cè)定加壓方向的徑向變形以計(jì)算變形或彈性模量。后者壓力較低，適用于軟巖或裂隙巖體；前者壓力可達(dá)70MPa，適用于各種巖體（E=1～100GPa），只要孔徑滿足要求，試驗(yàn)期間孔壁穩(wěn)定即可。
GY型孔內(nèi)彈模測(cè)定器可以在鉆孔中測(cè)定固體介質(zhì)的變形或彈性模量，主要用于巖體，也可用于混凝土或金屬。
GY-75(90，110)分別適用于φ75mm、φ90mm、φ110mm鉆孔，但通過(guò)更換厚一些的承壓塊，它也可用于大一級(jí)的鉆孔，即GY-75也可用于φ90mm鉆孔，GY-90可用于φ110mm鉆孔，GY-110可用于φ130mm鉆孔。
GY型孔內(nèi)彈模測(cè)定器是在美國(guó)古德曼千斤頂（Goodman Jack）的基礎(chǔ)上，并吸收了BJ-110鉆孔彈模計(jì)的優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)而成。Goodman Jack是國(guó)際上有代表性的鉆孔彈模計(jì)，已作為國(guó)際巖石力學(xué)委員會(huì)（ISRM）的建議方法，用于鉆孔中測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)巖體彈性模量。但由于該設(shè)備在設(shè)計(jì)上的缺陷，其測(cè)定值必須經(jīng)過(guò)修正，才能得到真實(shí)的彈模值。修正系數(shù)與巖體彈模的高低有關(guān)，當(dāng)真實(shí)彈模（Etrue）為70GPa時(shí)，實(shí)測(cè)值（Ecalc）只有約24GPa。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的GY型鉆孔彈模計(jì)則不需修正。
為驗(yàn)證彈模測(cè)定的可靠性，將鉆孔彈模計(jì)放入帶有中心孔的鑄鋼、鑄鐵及大理巖立方體(360*400*400mm)進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定結(jié)果表明測(cè)定值接近真實(shí)值（45度線）,不需修正，誤差約5-10％。Ecalc=Etrue。GY-75和BJ-110的原理、主要指標(biāo)相同，因此其標(biāo)定結(jié)果可共用。此外，在三峽工程地基測(cè)試中，曾將同一測(cè)點(diǎn)的巖芯（完整且均質(zhì)、各向同性）進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其彈模值和用GY-75在孔內(nèi)的測(cè)定值很接近，誤差僅為百分之五。
01 GY型孔內(nèi)彈模測(cè)定器原理、結(jié)構(gòu)及基本性能
當(dāng)向鉆孔內(nèi)壁施加一對(duì)徑向荷載時(shí)，鉆孔將同時(shí)產(chǎn)生徑向變形，顯然，變形將隨荷載升高而增長(zhǎng)，同一量級(jí)荷載作用下，高彈模巖體中的鉆孔變形較小，反之則大，根據(jù)荷載和變形的比值即可求出巖體彈模值。徑向荷載由四個(gè)同步加壓的圓形活塞提供，為了準(zhǔn)確測(cè)定出力大小，中間兩個(gè)活塞內(nèi)安裝兩個(gè)荷重傳感器。為了將活塞及承壓塊收回，在最外端的兩個(gè)活塞上增加了低壓回路，兼作回程活塞。中間活塞兩邊各裝一個(gè)位移傳感器，以測(cè)定徑向變形。
02 GY型孔內(nèi)彈模測(cè)定器對(duì)鉆孔及鉆具的要求
GY-75（90，110）分別適用于φ75mm（90，110mm）的金剛石鉆進(jìn)鉆孔，由于孔內(nèi)彈模測(cè)定器的行程只有6mm，且與鉆孔壁的間隙很小，因此對(duì)鉆孔要求較高。
試驗(yàn)期間孔壁必須穩(wěn)定，當(dāng)在地表垂直孔內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，孔口應(yīng)采用大一號(hào)的（φ90，110，130）套管護(hù)壁。
必須用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，并加一個(gè)擴(kuò)孔器，鉆孔實(shí)際尺寸比標(biāo)準(zhǔn)尺寸大1～3mm。
03 GY型孔內(nèi)彈模測(cè)定器試驗(yàn)步驟
1.根據(jù)試驗(yàn)要求及鉆孔柱狀圖，選定測(cè)試區(qū)段及方向。
2.連接一定長(zhǎng)的鉆桿，每隔1m用白布帶將油管、電纜捆緊到鉆桿上，標(biāo)明活塞加力方向。
3.向低壓油路注油確信彈模計(jì)處于“閉合”狀態(tài)，并松開(kāi)低壓油路閥門(mén)。
4.荷重傳感器（L1、L2）讀數(shù)分別調(diào)零，位移傳感器（D1、D2）不必調(diào)零。
5.將彈模計(jì)小心送入測(cè)試部位及預(yù)定的方向。
6.向高壓油路加壓至2MPa，使承壓塊和孔壁接觸，然后卸壓至零。卸零后記錄應(yīng)變儀上四個(gè)傳感器讀數(shù)。L1、L2讀數(shù)應(yīng)接近零讀數(shù)，根據(jù)D1、D2讀數(shù)可算出鉆孔直徑。當(dāng)鉆孔直徑大于標(biāo)準(zhǔn)孔徑4mm時(shí)，取出并換用厚承壓板。
7.按選定的試驗(yàn)方式加壓和卸壓，并記錄各級(jí)荷載下的四個(gè)傳感器讀數(shù)。建議采用多次大循環(huán)加載法，加卸載分級(jí)如0、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、2、0MPa。也可采用逐級(jí)單循環(huán)加卸載法。對(duì)絕大部分巖石，加至40-50MPa已足夠。
8.逐級(jí)卸載，卸零后，向低壓油路注油（高壓油路松開(kāi)），當(dāng)D1、D2基本回到初讀數(shù)時(shí)，鉆孔彈模計(jì)已回到“閉合”狀態(tài)。
9.將鉆孔彈模計(jì)移至另一測(cè)試部位，繼續(xù)6、7、8三步試驗(yàn)。
04 GY型孔內(nèi)彈模測(cè)定器資料分析
1.根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變繪制鉆孔孔壁壓力和位移關(guān)系曲線。
2.按下述公式計(jì)算不同荷載級(jí)別下的E值
E=A×d×T*（γ、β）×△Q/△d （γ、β）
式中：
A=0.915(與彈模計(jì)長(zhǎng)徑比有關(guān)的系數(shù))
d—鉆孔直徑（mm）
T*（γ、β）(與彈模計(jì)泊桑比及接觸角有關(guān)的系數(shù))
△Q—壓力增量（MPa）
△d—直徑增量（mm）
3.被測(cè)介質(zhì)的彈性模量愈高時(shí)，承壓塊與孔壁達(dá)到全接觸狀態(tài)時(shí)的壓力值也較高，即壓力位移曲線的線性段起始點(diǎn)較高，應(yīng)選取起始點(diǎn)以上的近似直線段計(jì)算彈?；蜃兡Ｖ?。
案 / 例
朝鮮平壤柳京飯店
應(yīng)朝鮮科學(xué)院邀請(qǐng),對(duì)已建成但尚未裝修的平壤柳京飯店地基進(jìn)行了變形模量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。柳京飯店位于平壤市中心,占地50000m2 ,建筑面積32000m2 ,高323.55m,地下4層,地上101層,共105層,為遠(yuǎn)東地區(qū)最高的鋼筋混凝土摩天大廈,基巖主要由細(xì)粒砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)粘板巖組成,構(gòu)造單一,巖層走向NEE,傾向NWW,傾角5°-35° ,節(jié)理裂隙較發(fā)育,但無(wú)大斷層?？碧诫A段曾用地震法測(cè)定E值介于1-40GPa之間。本次試驗(yàn)采用GY-75鉆孔彈模計(jì),共鉆三個(gè)孔,它們包含了地基的三種主要巖層,具有足夠的代表性, 實(shí)測(cè)E值介于2.62-22.33GPa。
三峽工程永久船閘基礎(chǔ)
永久船閘是三峽水利樞紐主要工程之一，修建于壇子嶺至雷劈山之間的山體中，基巖主要為閃云斜長(zhǎng)花崗巖，新鮮巖體堅(jiān)硬致密，完整性較好，表層風(fēng)化殼較厚，閘室區(qū)有小斷層77條。
船閘為雙線五級(jí)，總長(zhǎng)6442m，主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)1607m，中隔墩寬60m，最大運(yùn)行水頭113m，每級(jí)船閘長(zhǎng)寬及最小水頭分別為280m×34m×5m。
為了解開(kāi)挖對(duì)邊坡巖體的影響，在北3、北4及南3、南4排水洞的8個(gè)水平鉆孔中進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三年的鉆孔彈模測(cè)試，每季度檢測(cè)一次，每次約50個(gè)測(cè)點(diǎn)，共測(cè)得彈模值約600個(gè)。測(cè)試儀器為GY-75、GY-90、GY-110鉆孔彈模計(jì)。
同時(shí)進(jìn)行了波速測(cè)試，將彈模測(cè)試結(jié)果與波速測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，相關(guān)性非常好，驗(yàn)證了兩種方法都是可靠的。
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