岩体节理刚度系数的现场声波测试

    1　前　言

    绝大多数的岩体边坡工程与地下工程中的稳定分析与评价主要依赖于岩体中的节理、裂隙、软弱夹层等结构面的力学性态Goodman教授提出的节理单元及后来的许多学者在此基础上提出的各种改进型的节理单元,为岩体工程的稳定分析与定量描述起着重要的作用,目前仍被广大设计人员与研究人员所采用。然而这类节理单元的分析精度与可靠性却完全依赖于所描述节理的法向刚度kn与切向刚度ks的准确确定。目前确定kn、ks的室内试验主要存在着取样、制样复杂而易扰动、代表性不强、初始压力难确定等方面困难;野外试验也具有成本昂贵、取点有限、代表性不好、易扰动等困难。文中提出的声波无扰动现场节理刚度测试方法:思路清晰,方法新颖,操作简单,精度易掌握。经工程验证不失为一种行之有效且成本低廉的方法。

    2　测试方法与思路

    以测量介质中的弹性波波速为出发点,利用“等效”的思路推导有关公式。下面对无厚度、有厚度两种节理分别进行讨论。

    2.1　无厚度的节理

    对于无厚度的节理,可以采用位移等效原理,即假设等效连续体与节理岩体在同样的荷载作用下位移相等;而节理岩体的总位移量又可分为岩块本身的变形Ur和节理的变形Uj。如图1,取一个包含有一条节理的有限区域,根据以上原理,等效体的总变形量U可写为:

U=Ur+Uj(1)

    或AB间的位移可写为:

    同理,由DE间的剪切变形等效,可得:

    在(3)、(5)两式中,E、G分别为等效连续体的等效变形模量和剪切模量;Er、Gr为不包含节理的岩块的相应的力学参数;kn、ks分别为节理的法向、切向刚度系数。由(3)、(5)两式即可经过一些简单的测试工作与计算,得到无厚度节理的刚度系数。

    为计算方便起见,(3)、(5)两式可改写为:

    2.2　有厚度节理或软弱夹层

    设节理或软弱夹层厚度为e,则由于可直接采用应变的等效原理,同时认为节理岩体总应变可分为岩块的应变与夹层的应变两者之和,使推导结果与上述无厚度节理情况稍有不同。即由:

    2.3　测试方法

    由以上推导的公式来看,只需得到等效体的材料常数E、G,和岩块的材料常数Er,Gr,即可方便地推算出节理刚度系数kn、ks。而E、G、Er、Gr均可借助声波测试法方便地得到。如图1所示。具体测试方法为:

    1)　求岩体(包含节理影响)动弹性模量Ed。在现场取垂直于节理且位于节理两侧的A、B两点,测其纵横波速Vp、Vs,即可利用以下常用的公式计算得到等效体(包含了岩块与节理的共同影响)的“等效”动变形模量Ed。