本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
本发明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，本发明采用的技术方案是：
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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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；
本发明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，本发明取得的技术效果有：
本发明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。
本发明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是本发明竖向承压板试验立体示意图；
图2是本发明竖向承压板试验主视图
图3是本发明水平承压板试验立体示意图；
图4是本发明水平承压板试验主视图；
图5是本发明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、试验洞，8、水平承载台。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明公开了一种水平成层岩体变形参数综合确定方法，该方法通过在现场的试验洞内进行单轴压缩试验、竖向承压板试验和水平承压板试验，得到试验数据，同时利用有限元计算程序进行数值反分析，综合现场测试结果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。该方法能够精确测定水平成层岩体变形参数。
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，单轴压缩试验和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。其中，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。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。
该步骤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。
在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；预压，在正式加载之前，先对岩体进行前期预压；
(2)、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；加压后立即读数一次，此后根据需要每隔10min记录加、卸载过程中荷载值与对应的竖向、侧向变形值，直到变形稳定后卸压；当所有承压板上测表相邻两次读数之差△wi与同级压力下第一次读数与前一级压力下读数之差wi的比值小于5％时，认为已稳定；卸压过程中的读数要求与加压相同；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)、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)、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；分别绘制竖向压力～变形曲线、轴向变形～侧向变形曲线。
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；
该步骤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。
该步骤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。
在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)、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；加压后立即读数一次，此后根据需要每隔10min记录加、卸载过程中荷载值与对应的变形值，直到变形稳定后卸压；当所有承压板上测表相邻两次读数之差△wi与同级压力下第一次读数与前一级压力下读数之差wi的比值小于5％时，认为已稳定；卸压过程中的读数要求与加压相同；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)、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)、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。
4)、利用有限元计算程序进行数值反分析，综合现场测试结果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。
该步骤的操作中的具体子步骤为：
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表形态；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变形指标，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以及剪切模量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)、严格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)、综合现场试验和数据处理，最终确定水平层状岩体的变形参数ex、ey、μx、μy和g。
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。
该步骤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。
本发明的方法结合现场试验数据和有限元计算程序数值反分析，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岩体的法向弹性模量ey和水平向弹性模量ex，印证数值反分析结果。
下面是具体的实施例：
首先在现场选择专用的试验洞，试验洞高约2m左右，宽约3.5m左右，以方便试验操作为原则，完整性好的岩体试验洞可开挖成平顶形式矩形断面，完整性差的岩体试验洞可开挖成直墙拱形。准备试验所用到的部件，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；其中加压系统包括高压油泵一台、液压稳压器一台、液压千斤顶3台、电动或手摇式油泵3台、高压油管及高压快速接头若干和量程为10～50mpa的压力表3个；传力系统包括厚度为3cm～4cm的承压板、传力柱及厚度为2cm～3cm的钢垫板；量测系统包括测表支架4根、磁性表架或万能表架7个和千分表7个。其中的钢垫板和承压板使用钢板制作而成的，测表支架可以使用钢管或者工字钢制作。
在做好准备工作后进行具体的试验，包括以下步骤，
1)、准备测试部件，在试验洞7内选定测试位置，为现场试验做准备。通常选择试验洞7地面中间部位为竖向承压板1试验的测试位置。
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。
该步骤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1、千斤顶2、钢垫板3、传力柱4及钢垫板3，最上方的钢垫板3使用锚杆锚固在试验洞7的顶壁；然后在承压板1两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6的测表支架5，千分表6通过磁性表架或万能表架固定在测表支架5上，在承压板1四角布设4个千分表用于测量岩样表面的竖向变形；利用环向测线测试岩样在轴向压缩下侧向变形。具体如图5所示。
在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；预压，在正式加载之前，先对岩体进行前期预压；
(2)、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；加压后立即读数一次，此后根据需要每隔10min记录加、卸载过程中荷载值与对应的竖向、侧向变形值，直到变形稳定后卸压；当所有承压板上测表相邻两次读数之差△wi与同级压力下第一次读数与前一级压力下读数之差wi的比值小于5％时，认为已稳定；卸压过程中的读数要求与加压相同；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)、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)、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；分别绘制轴向压力～变形曲线、轴向变形～侧向变形曲线。其中侧向变形可取三条测线测试结果的平均值
在进行加卸载时需要严格按照试验规范进行。
3)、在试验洞内竖向承压板1试验和水平承压板1试验并进行数据的记录和压力变形曲线的绘制。
该步骤中竖向承压板1试验的具体操作为，把测试位置表面用掺有速凝剂的水泥砂浆抹平，再在测试位置处由下到上依次叠放承压板1、千斤顶2、钢垫板3、传力柱4及钢垫板3，最上方的钢垫板3使用锚杆锚固在试验洞7的顶壁。安装时应注意使整个测试系统所有部件保持在同一轴线上且与加压方向一致、与水平层状岩体层面法向一致；传力柱4与洞顶围岩之间的钢板可通过螺栓锚固在围岩表面，视围岩的平整性在钢垫板3锚固之前可对锚固位置围岩表面进行砂浆抹平处理。然后是量测系统的布设，在承压板1两侧各安放测表之间5一根，采用简支梁支承形式，固定支架的支点必须安放在试验影响的范围以外；在承压板1四角布设4个千分表6，测试试验过程中试件表面竖向变形。具体的是，在承压板1两侧分别设置用于安放测表之间5的支座，在支座上固定设置用于安放千分表6的测表之间5，千分表6通过磁性表架或万能表架固定在测表之间5上，在承压板1四角布设4个千分表6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。具体如图1、图2所示。
该步骤中水平承压板1试验的具体操作为，首先在试验洞7内制作高约1.5m、宽50cm、长度为试验洞7宽度的水平承载平台并选定试验洞7侧壁为测试位置。如果试验洞7的侧壁不平使用掺有速凝剂的水泥砂浆把岩体测试表面抹平，而后竖直放置承压板1，并轻敲使之密切结合。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1、千斤顶2、钢垫板3、传力柱4及与另一侧的岩壁接触的钢垫板3。然后在承压板1两侧各竖直安放两端分别固定于试验洞7的顶部和底部的测表之间5，在两根竖向的测表之间5之间焊接2根水平的测表之间5；在承压板1四角布设4个千分表6，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。安装时应注意使整个测试系统所有部件保持在同一轴线上且与加压方向一致、与水平层状岩体层面方向一致，使用混凝土的位置需要经过一段时间的养护才能进行试验。具体如图3、图4所示。
在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)、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；加压后立即读数一次，此后根据需要每隔10min记录加、卸载过程中荷载值与对应的变形值，直到变形稳定后卸压；当所有承压板1上测表相邻两次读数之差△wi与同级压力下第一次读数与前一级压力下读数之差wi的比值小于5％时，认为已稳定；卸压过程中的读数要求与加压相同；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4倾倒。
(3)、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)、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，如果发现问题及时纠正处理。在试验完毕后根据记录的数据分别绘制竖向与水平承压板1试验中6级循环加卸载压力-变形曲线。
在进行加卸载时需要严格按照试验规范进行。
4)、利用有限元计算程序进行数值反分析，综合现场测试结果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。
该步骤的操作中的具体子步骤为：
1)、建立三维数值模型
三维数值模型尺寸按3～5倍试验洞7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1试验加载方案，在数值模型试验中进行竖向承压板1的分级加卸载模拟试验。
3)、严格按照水平承压板1试验加载方案，在数值模型试验中进行水平承压板1的分级加卸载模拟试验。
4)、记录并提取竖向、水平承压板1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)、综合现场试验和数值反演结果，数值模拟采用的岩体变形参数即为水平层状岩体的变形参数ex、ey、μx、μy和g。
7)、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岩体弹性模量值。
该实施例中，最终能够确定水平层状岩体的变形参数ex、ey、μx、μy和g，为层状岩体工程设计与施工提供基础资料。