表面应力恢复测量法在工程中的应用实例

某机库地下洞室地区的岩层为古生代寒武纪岩层。倾角较平缓，一般由几度至十几度。岩层产状紊乱，断裂、挤压、褶皱和扭压构造明显，裂隙、节理发育。泥质泥灰岩出露较广，抗风化能力很差，风化后崩解成碎片状。

工程采用半衬砌的结构形式，当大部分衬砌结构完成后，发生十几处坍方，有几处坍方高度在10m以上，最严重的坍方范围有40m左右。坍方造成已衬砌顶拱的严重破坏，钢筋被拉断，拱座错位，阻塞了已挖通的洞室。另外，个别部位的顶拱衬砌已发现有错动的横向裂缝和斜向裂缝。为了研究这些破坏的力学机制和制订处理方案，长江科学院于1971年2-5月应邀到现场开展了岩石力学试验的综合研究。开展的试验项目有岩体应力试验、压切试验、半无限体承压板弹模试验和承载力试验等。

岩体应力试验采用表面应力恢复测量法，在不同状态的未破坏洞段各布置1个测点，在中等破坏洞段布置1个测点，共3个测点，分别记为北一某测点，南-424m测点和南-456m测点。由于洞室的施工方法是先开挖后衬砌，顶拱超挖量较大，开挖、衬砌回填及压浆时间都相隔较长，围岩弹性变形已经终止。另外，部分顶拱衬砌上部，围岩已经发生了较大坍方。因此，顶拱衬砌主要承受了围岩长期变形的作用，以及回填片石和坍方岩石的重量。所以，拱脚施加于侧墙拱座岩体的力可以近似看成是垂直向，同时由于拱脚宽1米，因而拱座岩体相当厚度内的受力情况也可近似看成是均匀的。表面应力恢复测量法，在铅垂向布设测量元件，在平行于拱脚开凿解除槽后再埋设压力枕施压，它的受力状态完全与实际情况相符合。

表面应力恢复测量法具体装置如图2-6所示。测量元件采用千分表（测量两标点间的相对变形）。在槽的中垂线上布置一个千分表。为校核实测成果，离中垂线8cm的垂线上又布置一个千分表。在上节中已经论证过，表面应力恢复测量法的测量过程中，压力枕施压使凿槽引起的局部应力解除应变回复到零后，再继续施压，直至达到该处岩体的残余应变时，这时压力枕施于岩体的压力就是侧墙岩体的拱座压力。问题关键是残余应变如何从应力恢复变形曲线求得？以南-424m测点槽中垂线上1号测表为例，压力枕施压后的应力—变形曲线如图2-7所示，凿槽后实测的解除变形为28μm。压力枕施压的全变形为43μm，卸载后弹性变形为30μm，残余变形为13μm，占全变形30.2%，约占弹性变形的3／7。因而解除变形再增加实测的弹性变形的3／7后就得到全变形为43μm，这时相对应的应力就是实际岩体的应力，因此测得侧墙拱座岩体应力为1.18MPa。

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图2-6　表面应力恢复测量法装置示意图

图2-7　南-424m测点应力恢复变形曲线

表面应力恢复测量法的实测侧墙拱座岩体应力如下：北一某测点为2.18MPa（为深灰色结核条带灰岩）；南-424m测点为1.18MPa（为青灰色薄层条带灰岩）；南-456m测点为4.70MPa（为结晶质中薄层灰岩与青灰色薄层条带灰岩互层）。从施工情况和施工后观察的现象来看，北一某测点顶拱衬砌钢筋混凝土与围岩表面接触较好，超挖较少，所以侧墙拱座岩体应力较大；南-424m处顶拱上部超挖比北一某测点大，块石回填多，所以拱座岩体应力小一些；而南-456m附近顶拱衬砌已经发现有洞轴向裂缝，所以侧墙拱座岩体应力较大。实测侧墙拱座岩体应力与上述这些现象分析基本上相吻合。