专利名称：片岩各向异性弹性模量测定方法
技术领域：
本发明涉及一种片岩各向异性弹性模量测定方法，主要适用于深埋隧洞工程中。
背景技术：
片岩的变形参数都具有明显的各向异性特征，即各个方向上的变形模量均不相等，导致变形模量各向异性的主要原因是片岩中片理面的分布，沿着片理的不同方向加载，片理和岩石基质的破裂模式不同，最终导致不同的变形特征。对于深埋隧洞的设计而言，各向异性变形特征将会导致隧洞断面上各部位围岩挤压变形的显著差异，从准确评估深埋片岩隧洞的稳定和支护设计角度，要求相关的计算和分析考虑片岩的各向异性特征。尽管对岩体参数各向异性的研究已经取得了一定的进展，但关于各向异性变形参数的取值尚未形成标准的工作流程。这种现状也制约了地下工程的相关数值计算对各向异性变形参数的引入和考虑。
对于建设在片岩区域的深埋地下工程而言，考虑各向异性特征和不考虑各向异性特征，分析结果将具有明显的差别，根据统计数据，二者所要求的锚杆总量的差异可能达到30%。国内外有不少建设在片岩区域的深埋隧洞在进行设计时，仅采用片理水平或片理垂直时的单轴强度和弹性模量作为岩体变形参数计算的依据，不少工程都出现了支护量不足引起的坍塌。因此，从确保地下工程稳定性的角度出发，迫切需要采用标准化的工作流程确定片岩的各向异性特征。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:针对上述存在的问题提供一种片岩各向异性弹性模量测定方法，为准确评估深埋片岩隧洞的稳定性和后期支护提供可靠的依据。本发明所采用的技术方案是:片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于步骤如下:a、进行现场无损取样；b、将步骤a所得岩样放置于取芯设备上，分别按照平行片理方向、垂直片理方向、与片理成一定的夹角方向钻孔获取三组岩芯，每组取3-5块；C、分别对三组岩芯进行单轴压缩试验，获得每块岩芯完整的应力-应变曲线，并得到各组岩芯的平均弹性模量和平均泊松比；d、将步骤c得到的试验结果代入下式中，求得变量G’ ；
εν sin4 β cos4 β sin2 β 2ν I式中E表示垂直于片理方向的弹性模量，E’和V’表示平行于片理方向的弹性模量和泊松比，β表不片理面法向与加载方向之间的夹角，G’表不垂直于片理方向的剪切模量，i为与片理斜交情况下所得平均弹性模量的倒数； σ,e、将E、E’、v’、G’代入上式中，然后取倒数，即可得到加载方向弹性模量随夹角β变化的曲线。现场无损取样步骤如下，al、在片岩现场开挖一条3mX3m的勘探洞，其断面与片理斜交；a2、在勘探洞的掌子面上挖除外围岩体，形成一条沿勘探洞轴向布置的片岩长方体，该片岩长方体在勘探洞轴向方向上的长度为6m，在勘探洞断面上的边长不小于1.5m ；a3、采用机械切割的方法在片岩长方体断面中心部位获取沿勘探洞轴向布置的长方体形岩样，该岩样在勘探洞轴向方向上的长度为3m,在勘探洞断面上的边长不小于
0.5m，并且所述岩样断面的两条边平行于片理方向，另外两条边垂直于片理方向。所述岩样的尺寸为0.5m X 0.5m X 3m。完成步骤a3后，将所获取的岩样切割成0.5mX0.5mX0.5m的正方形块体。所述步骤b中， 与片理所成夹角的度数为30度、45度或60度。所述取芯设备包括套钻取芯头和水平布置的底板，其中底板上安装有能够自由滑动的滑轮，且该底板一端铰接有承载板，该承载板上安装有用于固定岩样的卡座。本发明的有益效果是:1、通过现场取样、室内制样、试验和测试成果计算，利用少量片岩试样即可准确的获取深埋隧洞工程中片岩各向异性弹性模量，为准确评估深埋片岩隧洞的稳定性和后期支护提供了可靠的依据。2、由于片岩在取样过程中极其容易受到损伤，因此本发明采用现场无损取样方法获取岩样，保证岩样在取样过程中所受到的开挖扰动最小，从而减小了围岩损伤，确保实验数据能够真实的反应出原岩的强度特征和变形特征。
图1是本发明中现场无损取样示意图。图2是本发明中取芯设备的结构示意图。图3是本发明中取芯示意图。
具体实施例方式本实施例片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于步骤如下:a、由于片岩在取样过程中极其容易受到损伤，采用损伤的岩样进行试验，测得的试验数据不能反应原岩的强度特征和变形特征，因此本实施例采用无损取样技术以减小取样损伤，具体步骤包括，al、如图1所示，在片岩现场开挖一条3mX3m (断面尺寸)的勘探洞1，其断面与片理斜交；a2、在勘探洞I的掌子面一带挖除外围岩体2，形成一条沿勘探洞I轴向布置的片岩长方体3,该片岩长方体在勘探洞I轴向方向上的长度为6m,在勘探洞I断面上的边长不小于1.5m ；a3、在靠近掌子面3m长度的片岩长方体3的断面中心部位，采用机械切割的方法获取沿勘探洞I轴向布置的长方体形岩样4,该岩样在勘探洞I轴向方向上的长度为3m,在勘探洞I断面上的边长不小于0.5m,并且所述岩样4断面的两条边平行于片理方向，另外两条边垂直于片理方向。本例中，所述岩样4的尺寸为0.5mX0.5mX3m。米用该种方法得到的岩样所包含的围岩损伤最小，试验结果的离散性也可以降到最低。b、将步骤a3所得岩样4运回实验室，并放置于取芯设备上，分别按照平行片理方向、垂直片理方向、与片理成一定的夹角(可以是30度、45度或60度)方向钻孔获取三组岩芯，每组取3-5块(即平行片理方向、垂直片理方向、与片理成一定夹角方向三种情况下，各取3-5块岩芯，如图3所示)；C、分别将三组岩芯放置在MTS上进行单轴压缩试验，获得每块岩芯完整的应力-应变曲线，并得到各组岩芯的平均弹性模量和平均泊松比；d、将步骤c得到的试验结果代入下式中，求得变量G’ ；
权利要求
1.一种片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于步骤如下: a、进行现场无损取样； b、将步骤a所得岩样放置于取芯设备上，分别按照平行片理方向、垂直片理方向、与片理成一定的夹角方向钻孔获取三组岩芯，每组取3-5块； C、分别对三组岩芯进行单轴压缩试验，获得每块岩芯完整的应力-应变曲线，并得到各组岩芯的平均弹性模量和平均泊松比； d、将步骤c得到的试验结果代入下式中，求得变量G’；
2.根据权利要求1所述的片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于:现场无损取样步骤如下， al、在片岩现场开挖一条3mX3m的勘探洞，其断面与片理斜交； a2、在勘探洞的掌子面上挖除外围岩体(2)，形成一条沿勘探洞轴向布置的片岩长方体(3)，该片岩长方体在勘探洞轴向方向上的长度为6m，在勘探洞断面上的边长不小于1.5m ； a3、采用机械切割的方法在片岩长方体(3)断面中心部位获取沿勘探洞轴向布置的长方体形岩样(4),该岩样在勘探洞轴向方向上的长度为3m,在勘探洞断面上的边长不小于0.5m，并且所述岩样(4)断面的两条边平行于片理方向，另外两条边垂直于片理方向。
3.根据权利要求2所述的片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于:所述岩样(4)的尺寸为 0.5mX0.5mX3m。
4.根据权利要求3所述的片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于:完成步骤a3后，将所获取的岩样(4)切割成0.5mX0.5mX0.5m的正方形块体。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于:所述步骤b中，与片理所成夹角的度数为30度、45度或60度。
6.根据权利要求1所述的片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于:所述取芯设备包括套钻取芯头(5)和水平布置的底板(6)，其中底板(6)上安装有能够自由滑动的滑轮(7 )，且该底板一端铰接有承载板(8 )，该承载板上安装有用于固定岩样的卡座(9 )。
全文摘要
本发明涉及一种片岩各向异性弹性模量测定方法。本发明的目的是提供一种片岩各向异性弹性模量测定方法，为准确评估深埋片岩隧洞的稳定性和后期支护提供可靠的依据。本发明的技术方案是片岩各向异性弹性模量测定方法，其特征在于步骤如下a、进行现场无损取样；b、按平行、垂直、与片理成一定的夹角方向钻孔获取三组岩芯；c、分别对三组岩芯进行单轴压缩试验，获得每块岩芯完整的应力-应变曲线，并得到各组岩芯的平均弹性模量和平均泊松比；d、将步骤c得到的试验结果代入下式中，求得变量G'；e、将E、E′、v′、G'代入上式中，然后取倒数，即可得到加载方向弹性模量随夹角β变化的曲线。本发明适用于深埋隧洞工程中。
文档编号G01N1/04GK103234826SQ20131015004
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者褚卫江, 张春生, 侯靖, 刘宁 申请人:浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司, 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院