[發明專利]大尺度脆性巖體特征強度測試裝置及方法

在審

• 申請號: 201710785250.4
• 申請日: 2017-09-04
• 公開（公告）號: CN107621417A
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 劉寧;張春生;褚衛江
• 申請（專利權）人: 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司33101
• 代理人: 韓小燕

技術領域

本發明涉及一種大尺度脆性巖體特征強度測試裝置及方法。適用于地下巖石工程領域，尤其是對于現場巖體強度具有較高要求、埋深較大的水電工程、石油儲存工程、核廢料處置工程等。

背景技術

隨著我國經濟建設的蓬勃發展，復雜地質條件下的基礎設施建設也不斷增多，特別是近年來出現了大量的深埋地下工程需要建設，在這些工程中存在著大量的長大隧洞和大型地下洞室群，其突出特點是埋深大、地質條件復雜、地應力水平高，開挖以后圍巖會出現破裂損傷，破裂損傷的存在將對工程的安全性產生重要影響，為地下水的流動、核廢料的擴散等提供通道。損傷是應力水平與巖體強度矛盾突出的結果，因此，對于巖體強度的研究已經成為國際上的研究熱點。

關于小尺度脆性巖石的強度研究，已經取得了較為豐富的研究成果。根據不同應力水平下巖石內部裂紋的壓密、擴展、連接和貫通的不同階段，將脆性巖石的應力應變曲線分為壓密、彈性、裂紋擴展和裂紋非穩定擴展四個階段，在這四個階段中出現的閉合強度、啟裂強度、損傷強度統稱為特征強度，分別對應著裂紋壓密、裂紋啟裂、裂紋擴展三個階段，在室內試驗中可以通過配合聲波、聲發射、應力和位移傳感器能夠比較精確的確定，其中啟裂強度大約為40％～50％巖石抗壓強度，損傷強度大約為70～80％巖石抗壓強度。目前對于小尺度脆性巖石特征強度的研究，也主要集中在單軸加載條件下，對于有圍壓條件下的巖石特征強度研究，主要依賴于應力-應變曲線，缺乏直接的測試設備。

上述的研究都是基于室內試驗的基礎上展開的，試驗的對象都是針對小尺度巖塊，而在工程實踐中很少能遇到完整的巖石，更多的是包含不同類型、不同尺寸結構面的大尺度巖體，而巖體強度參數的選擇對于估計地下工程周圍巖體的力學行為至關重要。

除了尺度上的差異外，實驗室中的巖石試驗和現場巖體的另一個區別是應力路徑的不同。巖石試樣在取樣過程中必須經歷完全的應力解除，在單軸壓縮或三軸壓縮過程中需要承受單調的方向不變的加載路徑。而在現場實踐中，地下工程周圍的巖體必然會經歷一個完全不同的更加復雜的應力路徑，這種應力路徑單純依靠室內試驗是很難真實模擬的。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供一種大尺度脆性巖體特征強度測試裝置及方法，以實現在現場進行特征強度測量。

本發明所采用的技術方案是：一種大尺度脆性巖體特征強度測試裝置，其特征在于：在現場巖體內開挖有輔助洞，輔助洞一側的邊墻上往巖體內開挖有測試洞和圍壓洞，測試洞內向圍壓洞方向布設有若干監測孔，監測孔內設置監測儀器；

所述圍壓洞內由外向內依次設有回填混凝土層、緩沖材料層和高強度鋼筒，圍壓洞洞口處設置封閉門；所述輔助洞內設有連通圍壓洞的充水裝置和排水裝置。

所述測試洞內向圍壓洞方向布設有用于在不同圍壓階段對巖體進行聲波測試和鉆孔電視掃描的長觀孔。

所述充水裝置包括設置于輔助洞內、含有閥門和壓力表的壓水裝置，壓水裝置經充水管連通所述圍壓洞內；所述排水裝置包括設置于輔助洞內的排水豎井和從圍壓洞內延伸至排水豎井的排水管。

所述監測儀器包括空心包體應力計、多點位移計和聲發射探頭。

所述圍壓洞與測試洞之間間距為介于2～3倍測試洞洞徑，所述測試洞的長度大于3倍所述輔助洞洞徑。

所述圍壓洞洞徑為1m，測試洞洞徑為2m，輔助洞洞徑為4～6m。

所述高強度鋼筒的強度大于20MPa。

所述監測孔與圍壓洞洞壁之間間隔距離大于1倍圍壓洞洞徑，監測孔分別對應圍壓洞上部、中部和下部布置。

所述測試洞洞型為圓型；所述圍壓洞洞型為圓型。

一種大尺度脆性巖體特征強度測試方法，其特征在于步驟如下：

1、開挖輔助洞；

2、在輔助洞一側邊墻上往巖體內開挖測試洞，并在測試洞內向擬開挖的圍壓洞方向布設長觀孔和若干監測孔，監測孔內布置監測儀器，監測儀器包括空心包體應力計、多點位移計和聲發射探頭；

3、在輔助洞與測試洞同側的邊墻上往巖體內開挖圍壓洞，待開挖至指定長度后，停止開挖并保持1周時間，確保圍巖時效破裂基本完成；

4、在圍壓洞洞壁上依次施工回填混凝土層、緩沖材料層和高強度鋼筒；

5、在輔助洞內設置連通圍壓洞內的充水裝置和排水裝置，并在輔助洞洞口設置封閉門；

6、通過充水裝置向封閉門和圍壓洞形成的封閉腔室內充水，每次向封閉腔室內增加1MPa的水壓力并保持一段時間；