3.2 岩体力学特性试验研究
3.2.1 岩体变形特性试验
3.2.1.1 岩体变形特性试验方法
现场岩体变形试验的目的是通过测试岩体应力-应变关系曲线，研究岩体变形特性，得到相应变形参数。测定岩体变形参数的方法较多，比较常用的方法有承压板法、狭缝法、钻孔变形法等。它们测试的主要方法是：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面施加一定的荷载，测定不同荷载时产生的变形，然后通过绘制的压力与变形曲线特征值计算岩体的变形参数。其中，承压板法能较好地模拟建筑物基础的受力状态和变形特征，在工程设计中得到普遍的应用。
承压板法的试验原理为：假定承压板所在的平面为无限平面，试验荷载影响范围内的半无限地基岩体为均匀、各向同性的弹性介质；根据半无限地基边界上受集中力作用的J.Boussinesg公式为基础推导计算变形参数。承压板法按照承压板的性质又分为刚性承压板法和柔性承压板法；相对于被试验地基介质具有足够刚度的为刚性承压板，一般通过钢板和组合型钢进行加载，见图3.2-1；相对于被试验地基介质为柔性的为柔性承压板，一般通过压力钢枕进行加载，见图3.2-2；通常刚性承压板法适用于较软弱的岩体，柔性承压板法适用于较坚硬的岩体。按试验时位移测量的方式又可分为表面位移测量法和深部位移测量法（即中心孔法）。
图3.2-1 刚性承压板法试验安装示意图
1—砂浆顶板；2—垫板；3—传力柱；4—圆垫板；5—标准压力表；6—液压千斤顶；7—高压管（接油泵）；8—磁性表架；9—工字钢梁；10—钢板；11—刚性承压板；12—表点；13—千分表；14—滚轴；15—混凝土支墩；16—木柱；17—油泵（接千斤顶）；18—木垫；19—木梁
当采用刚性承压板法量测岩体表面变形时，按下式计算变形参数：
式中：E为岩体弹性（变形）模量，当以总变形W0代入计算时为变形模量E0，当以弹性变形W代入计算时为弹性模量E，MPa；W为岩体变形，cm；P为按承压板面积计算的压力，MPa；D为承压板直径，cm；μ为泊松比。
当采用柔性承压板法量测岩体表面变形时，按下式计算变形参数：
式中：r1、r2分别为环形柔性承压板的外半径和内半径，cm；W为板中心岩体表面的变形，cm。
当采用柔性承压板法量测中心孔深部变形时，按下式计算变形参数
式中：Wz为深度为z处的岩体变形，cm；z为测点深度，cm；Kz为与承压板尺寸、测点深度和泊松比有关的系数，cm。
当柔性承压板中心孔法量测到不同深度两点的岩体变形值时，两点之间岩体的视变形模量应按下式计算
式中：Wz1、Wz2分别为深度为z1和z2处的岩体变形，cm；Kz1、Kz2分别为深度为z1和z2处的相应系数。
图3.2-2 柔性承压板中心孔法安装示意图
1—混凝土顶板；2—钢板；3—斜垫板；4—多点
位移计；5—锚头；6—传力柱；7—测力枕；8—加压枕；9—环形传力箱；10—测架；11—环形传力枕；12—环形钢板；13—小螺旋顶
3.2.1.2 广东抽水蓄能电站岩体变形特性
1.广州抽水蓄能电站
针对广州抽水蓄能电站不同强度的微新中粗粒花岗岩、弱蚀变花岗岩及黏土化蚀变花岗岩共进行28组岩体变形特性试验；微新中粗粒花岗岩的变形模量与其强度具有对应关系，强度越高变形模量值越大，范围值为9.7～32.6GPa；弱蚀变花岗岩的变形模量约为5.23GPa；蒙脱石化的蚀变花岗岩变形模量低，其值约为0.12GPa；高岭石化或水白云母化的蚀变花岗岩变形模量约为2.61GPa。广州抽水蓄能电站岩体变形特性试验成果见表3.2-1。
表3.2-1 广州抽水蓄能电站现场岩体变形试验成果表
2.惠州抽水蓄能电站
惠州抽水蓄能电站一期工程，在地下厂房区探洞中布置了12个测点进行现场刚性承压板法岩体变形试验，其中Ⅰ类、Ⅱ类围岩4个点，Ⅲ类、Ⅳ类围岩各4个点，最大压应力为9.0MPa，试验成果见表3.2-2。
可研阶段在上水库主坝址的左右岸探洞中，开展的现场岩体试验，主要针对强-弱风化带岩体，围岩为Ⅳ类、Ⅴ类围岩，岩体变形试验5点，结果作为工程地质条件差岩体的指标，试验成果见表3.2-3。
表3.2-2 惠州抽水蓄能一期工程地下厂房区现场岩体变形（刚性承压板法）试验成果表
表3.2-3 惠州抽水蓄能工程上水库主坝址岩体变形（刚性承压板法）试验成果表
施工图阶段在厂房开挖过程，在地下厂房上层排水廊道中及厂房探洞中进行了复核性现场岩体力学试验，主要针对揭露的Ⅰ类、Ⅱ类岩体，进行现场岩体变形试验（柔性承压板法）7点，试验的最大压力多在6MPa左右，个别试验点的压力达到8.5～9.0MPa，压力-变形曲线分陡坎型、下凹型、上凹型及直线型，试验成果见表3.2-4。
3.清远抽水蓄能电站
清远抽水蓄能电站工程岩体的主要岩性为燕山三期中粗粒黑云母花岗岩，岩质坚硬，断层及节理裂隙发育一般。地下厂房围岩主要为坚硬、完整或完整性较好的Ⅰ类、Ⅱ类围岩；少数为Ⅲ类围岩；局部裂隙密集带、断层带为Ⅳ类围岩。针对地下厂房区的Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类围岩共进行了8个点的岩体变形试验，试验在地下厂区探洞的主洞PD01及PD01-1SW、PD01-1S、PD01-1SE、PD01-2S各支洞内进行。Ⅰ类、Ⅱ类围岩为微风化-新鲜岩石，岩质坚硬，裂隙不发育，试验得到的岩体变形参数相对较高；Ⅲ类围岩主要为弱-微风化岩，岩质坚硬，裂隙较发育，地下水活动较强烈，其变形参数低于Ⅱ类围岩；Ⅳ类围岩主要为强风化岩，岩质相对较软，裂隙发育，地下水活动强烈，其变形参数明显低于Ⅲ类围岩；试验成果见表3.2-5。
表3.2-4 惠州抽水蓄能工程现场变形（柔性承压板法）试验成果表
表3.2-5 清远抽水蓄能工程现场变形（刚性承压板法）试验成果表 单位：GPa
3.2.2 工程岩体抗剪强度特性研究
3.2.2.1 岩体直剪试验方法
现场岩体抗剪强度试验的目的是测试岩体的强度极限、研究岩体的破坏模式和机制。由于岩体受力后的应力状态和裂隙分布不均匀，现场应当采用较大尺寸的试件进行试验，通常岩体剪切面不小于2500cm2，最小边长不小于50cm。岩体直剪试验根据加载方式可分为平推法和斜推法，平推法是指剪切荷载平行于剪切面，斜推法是指剪切荷载与剪切面成一定夹角，两种方法都要求剪切面上的应力分布均匀。规程中两种方法并列采用，在进行平推试验时应尽可能将力臂降低以减小倾覆力矩；采用斜推法时则要求推力通过剪切面中心，施加剪切应力时应同步降低垂直荷载以保持正应力恒定。
图3.2-3 岩体直剪试验（平推法）示意图
抽水蓄能工程岩体直剪试验采用平推法，剪切面为水平面。剪切推力为水平方向，并通过预定的剪切面，法向应力为垂直方向，见图3.2-3。基于莫尔-库仑强度准则确定直接剪切条件下的工程岩体的抗剪强度参数。
3.2.2.2 广东抽水蓄能电站岩体抗剪强度特性
1.广州抽水蓄能电站
广州抽水蓄能工程区的岩体主要为燕山三期的粗粒黑云母花岗岩和后期侵入的燕山四期细粒花岗岩，受到沿节理侵入的气液作用，岩体发生蚀变现象，形成低强度条状的蚀变带。针对不同类型的蚀变带岩体开展了抗剪强度测试，试验成果见表3.2-6。
表3.2-6 广州抽水蓄能工程蚀变岩体抗剪试验成果表
2.惠州抽水蓄能电站
在惠州抽水蓄能电站的地下厂房探洞区进行了现场岩体直剪试验3组15点。厂房探洞及厂房排水廊道，隧洞埋藏较深，围岩相对较好，试验的围岩主要是Ⅰ类、Ⅱ类围岩，Ⅲ类、Ⅳ类围岩主要针对断层带及其影响带开展试验工作。可研阶段在上水库主坝址的左、右岸探洞中，开展的现场岩体抗剪断试验2组10点，主要对象为强-弱风化带岩体。Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类围岩的抗剪性能较好，抗剪断内摩擦系数范围值为1.5～2.62，抗剪断黏聚力范围值为3.27～6.24MPa；Ⅳ类、Ⅴ类围岩的抗剪断内摩擦系数范围值为0.6～0.7，抗剪断黏聚力范围值为0.474～4.87MPa；惠州抽水蓄能电站岩体直剪试验成果见表3.2-7。
表3.2-7 惠州抽水蓄能电站岩体直剪试验成果表
3.清远抽水蓄能电站
针对清远抽水蓄能电站可行性研究阶段地下厂房区PD01-1SE、PD01-1S探洞中的3组结构面进行试验了直剪试验，即：第一组，近东西向结构面；第二组，北东向结构面；第三组，北西向节理密集带结构面。岩体结构面直剪试验采用平推法进行，清远抽水蓄能电站岩体结构面直剪试验成果见表3.2-8。试验结果中第一、第二组结构面为贯通性结构面，试验结果离散性较小，抗剪强度参数φ值较为接近，c值相差不大，抗剪断强度参数与抗剪摩强度参数相差不大，反映了该区坚硬岩体硬性结构面的直剪力学特征。第三组结构面为节理密集带结构面，试验沿复合结构面及部分完整岩体剪断，抗剪断强度参数明显大于抗剪摩强度参数；抗剪断及抗剪摩强度参数均大于第一、第二组贯通性结构面。
表3.2-8 清远抽水蓄能电站岩体结构面直剪试验成果表
3.2.3 工程岩体声学特性研究
3.2.3.1 岩体弹性波测试方法
岩体弹性波测试是借助对岩体施加动荷载，以激发弹性波在岩体中传播所获得的声学信息，如波速、振幅、频率等来研究岩体的物理力学性质；将地震、声波和超声波用于岩石力学研究的测试方法通称为弹性波法。弹性波法按波的传播方式可分为直透法和平透法（包括折射波法和反射波法）；按换能器分布方式可分为岩体表面观测和岩体内部观测（单孔、孔间步进式观测或预埋换能器方式）；按发、收换能器的配置分为一发一收、二发二收和多发多收法。通常将发射与接收换能器置于不同平面的，都是研究直达波为主要目的；将发射与接收置于同一平面，换能器间保持一定距离的，属于折射法，以研究表层及近表层有限深度内介质特性为主要目的；将发射与接收置于同一平面且距离很近的，折射波将不出现盲区，接收到的除了自发射点的直达波外，还可观测到介质内部与表面平行界面传来的反射波，属于反射波法。
弹性波测试技术在岩石力学与岩石工程中的主要应用有以下几个方面：
（1）测定岩体声波参数，建立与岩体物理力学性质的相关关系，为进行工程岩体质量评估和工程岩体分级提供依据。
（2）测定边坡及地下洞室围岩的松弛范围，进行稳定性评价。
（3）定量测定地质资料参数，如风化系数、裂隙系数、完整性系数、探明构造地质因素、岩溶位置、裂隙长度等。
（4）施工爆破开挖影响范围和岩体锚固、灌浆加固处理效果的质检评估等。
弹性波的纵波、横波传播速度按下列公式计算
式中：Vp、Vs分别为纵波、横波的速度，m/s；L为介质长度，m；tp为纵波在介质中的传播时间，s；ts为横波在介质中的传播时间，s；t0为仪器系统的零延时，s。
利用弹性波的波速得到与岩石变形性质有关的动力弹性参数是岩体声波测试的主要内容，岩体动弹性参数按下列公式计算：
当无限介质满足d≥（5～10）λ时
式中：Vp、Vs分别为纵波、横波的速度，m/s；VL、Vb分别为板波度、杆波速，m/s；Ed为动弹性模量，kg/cm2；μ为岩体的泊松比；ρ为岩石密度，g/cm3。
3.2.3.2 广东抽水蓄能电站岩体的声学特性
1.广州抽水蓄能电站
广州抽水蓄能电站针对一期、二期地下厂房探洞断层蚀变带出露情况及地震波波速进行了测试分析，Ⅰ类、Ⅱ类围岩的断层蚀变带出露宽度比范围值为0.37%～2.9%，动弹性模量范围值为48.3～58.8GPa，完整性系数范围值为0.66～0.80；Ⅲ～Ⅳ类的断层蚀变带出露宽度比范围值为18.8%～31.9%，动弹性模量范围值为35.2～40.7GPa，完整性系数范围值为0.45～0.54；Ⅴ类围岩的断层蚀变带出露宽度比超过70%，动弹性模量约为7.43GPa，完整性系数约为0.20；广州抽水蓄能电站岩体弹性波测试成果见表3.2-9。
表3.2-9 广州抽水蓄能电站一期、二期地下厂房探洞断层蚀变带出露宽比及地震波波速成果表
2.惠州抽水蓄能电站
在惠州抽水蓄能电站地下厂房探洞工程区，针对Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类围岩，开展了岩体声学特性的弹性波测试，测试成果见表3.2-10。试验成果表明，弹性波纵波速度最大值为5280m/s，最小值为3580m/s，最小值在PD01-3桩号0＋106断层f304处。各类围岩的纵波速度范围值存在重叠部分，说明围岩分类具有复杂性与多指标性。
表3.2-10 惠州抽水蓄能工程岩体弹性波测试成果表
