6 岩体应力测试

6岩体应力测试本章内容钻孔应力解除法孔底应力解除法、孔径变形法、孔壁应变法水压致裂法应力恢复法6.1概述6.1.1定义和目的岩体应力（in-sitestress）岩体内部存在的应力，它包括原岩应力和围岩应力原岩应力大小及分布规律主要取决于覆盖岩层自重、地质构造、水文地质，地形地貌、地温变化因素岩体应力测量通过某种测试手段测得岩体某一点上的应力数据包括应力场各个应力分量的大小和方向应力测量结果应用（1）了解岩体中存在的应力大小和方向（2）用于分析岩体的工程受力状态和设计支护、加固结构（3）用于预报岩体失稳破坏以及预报岩爆6.1.2岩体应力测量方法分类测量方法的分类并没有统一的标准根据测量原理的不同分为应力(应变)解除法应力(应变)恢复法水压致裂法声发射法岩体应力测量方法分类表6.2钻孔应力解除法创立者1949年奥尔森(O.J.Olson)创立了应力解除法一组应变片粘贴在岩石的表面薄壁钻头垂直于岩石的表面打钻套孔使应变片周围的岩石和岩石母体相分离用于岩体应力测量从上世纪50年代初开始，瑞典人哈斯特(N.Hast)等进一步发展了钻孔应力解除法特点发展时间最长技术上比较成熟的一种地应力测量方法在适用性和可靠性方面，目前最好6.2.1基本原理单元体从岩体中分离出来：人为将岩体单元和周围的岩体分离，岩体单元上所受的力将被解除，单元体的几何尺寸将产生弹性恢复测量变形量：通过仪器测定弹性恢复的应变值或变形值基本假设：岩体是均质、连续、完全弹性体计算原岩应力：根据变形数据，借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态基本原理图按测试应变或变形孔径变形测试孔内应变测试孔底应力解除法孔壁应力解除法1个平面3方向上的径向位移3平面9个方向应变6.2.1分类测1个平面3个方向上的应变6.2.2测试过程图解钻孔应力解除法测量步骤：第一步钻测试岩芯大孔D第二步钻传感器安装孔d第三步安装探头和读取初始数据第四步钻应力解除套孔与读取数据第五步取出岩芯、测量弹性模量与泊松比6.2.2测试过程说明第一步钻测试岩芯大孔从岩体表面向岩体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位大孔直径为下一步即将钻的用于安装探头的小孔直径的3倍以上小孔直径一般为36～38mm，大孔直径一般为130～150mm大孔深度至少为巷道、隧道或已开挖硐室跨度的2.5倍以上水平钻孔需上倾l0～30第二步钻传感器安装孔从大孔底打同心小孔，供安装探头用，小孔直径为36～38mm小孔深度一般为孔径的l0倍左右小孔打完后需放水冲洗小孔第三步传感器(探头)安装和读取初始数据用专用装置将测量探头，如孔径变形计、孔壁应变计等安装到小孔中央部位读取初始数据第四步钻应力解除套孔与数据读取用的薄壁钻头继续延深大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除记录由于应力解除引起的小孔变形或应变数据第五步求岩体应力根据测得小孔变形或应变数据通过有关公式求出小孔周围的原岩应力状态6.2.3孔底应力解除法孔底应力解除法是指在孔底平面上粘贴应变元件，测量应力解除前后的孔底应变变化量来确定岩体应力的方法测量值1孔底三个方向上应变2岩芯弹性模量与泊松比1.测试仪器设备(1)应变传感器—应变探头（D=36mm）由应变花、有机玻璃底板、硫化硅橡胶、塑科外壳及电镀插针等组成(2)安装工具：安装器送入杆、固定支架将探头贴到孔底中央，连接探头和应变仪(3)定位器在安装器后部有三触点定向水银开关只有三个指示灯全亮，才确保水平(4)电阻应变仪CSIR门塞式应变计1-塑料外壳2-插针3-硅橡胶4-有机玻璃底板5-应变花2.测试过程实例(1)钻孔：用坑道钻机、φ76mm金刚石空心钻头钻孔至预定深度，取出岩芯(2)孔底处理：钻杆上改装磨平钻头将孔底磨平，打光。冲洗钻孔、用热风映干。在送入杆前端装上蘸有丙酮的器具擦洗孔底(3)贴应变探头：将环氧树脂粘结剂涂到孔底和探头上，用安装器将探头送到孔底。位置调正之后，把送人杆用固定支架固定在孔口。经过20h，等待粘结剂固化(4)测取初始应变读数，拆除安装工具(5)空心金刚石套孔钻头钻进，深度为岩芯直径的2倍(6)测量解除后的应变值(7)测定岩石的弹性模量3.应力计算利用孔底应力解除法求岩体应力须经两个步骤：a、由孔底应变计算出孔底平面应力b、利用孔底应力与岩体应力之间的关系计算出岩体应力分量,,,321E计算模型xyzyx,,,应用任意方向线应变与应变关系求出直角坐标中1）直角坐标中孔底应变计算xyyx,,cossinsincos22xyyxxyyx,,2）孔底应变与孔底应力关系求出孔底应力12xyxyE21xyyE''',,xyyx21yxxE孔底平面应力与应变关系，由虎克定律给出a，b，c，d—应力集中系数。研究结果：a=1.25，b=0.0064，c=-0.75(0.645+μ)，d=1.25对于水平探测孔（Z轴方向），或在做浅地层垂直钻孔应力解除时，可设3)孔底应力与岩体应力的关系zyxxcba'zxyycba'xyxyd'xyzyx,,,孔底应力集中的影响，计算出的应力值高于岩体中的实际应力，要对孔底应力加以校正孔底应力与岩体应力关系(实验研究和有限元分析)岩体中的应力分量0z4.特点和应用条件特点应力解除套孔较短，对孔底岩体整体性要求较低只能确定该钻孔孔底平面内的两个主应力钻孔轴线与岩体的一个主应力方向平行时，能测得原岩主应力的大小和方向应用一个主力方向和大小已知典型的情况是自重应力是一个主应力，且钻孔为铅直方向限制条件孔底岩体破碎或涌水不能用6.2.4孔径变形法孔径变形法是在钻孔中埋入孔径变形计，测量应力解除前后的孔径变化量来确定岩体应力的方法1.测试仪器设备孔径变形计（boreholedeformer）：有电阻式、电感式和钢弦式位移传感器等多种钢弦式、电阻式居多安装杆、二次仪表（如应变仪）等工具和设备孔径变形计样本技术参数钻孔直径38mm灵敏度1.0με最小套深203mm（反向25mm）最大套深15m标准（60m另加电缆）长度×直径267×35mm2)孔径变形计工作原理图φ36—Ⅱ型钢环式孔径变形计：由四个弹性钢环1，钢环架2、触头3、外壳4、定位器5及电缆6等组成(4个方向)钢环装在钢环架上，每个环与一个触头接触，各触头互成450角，其间距lcm，全部零件组装成一体钻孔孔径发生变形时，孔壁对触头的挤压力发生变化，触头对钢环的挤压力也发生变化，从而使粘贴钢环在上的应变片读值发生变化测出钢环应变量，换算出孔壁变形大小2.测试过程实例基本上与孔底应变法相同先钻φ127mm的大孔后钻φ36mm的同心小孔，供安装孔径变形计用安装杆将变形计送入孔中，适当调整触头的压缩量(钢环上有初始应变)，接上应变片电缆并与应变仪连接，读初始读数再用φ127mm钻头套钻；边解除应力边读取应变直到全部解除完毕3.应力计算原理假设条件：在无限大均质弹性岩体中钻孔之后，在垂直于孔轴平面内受到均匀的平面应力场作用xyyx,,计算模型dEuuu,,,,3213.应力计算公式只要测出不同三个方向上的位移，即可得三个方程，求垂直于钻孔平面应力2sin2cos12cos21xyyxERuxyyx,,,,211.钻孔孔壁径向位移(孔径变形)与岩体应力的关系（G.kirsch）进一步求出垂直于钻孔平面内的主应力的大小及其方向4.应力计算实例[例]设钻孔轴线与原岩某一主应力方向平行，变形计在00、450、900三个方向上测定钻孔位移的变化，其位移量分别为u0、u45、u90。02sin02cos102cos210xyyxERu00090902sin902cos1902cos210xyyxERu00045452sin452cos1452cos210xyyxERu4.应力计算实例—主应力及其方向与钻孔轴线垂直的平面内的最大最小主应力及其方向为02cos900uu])()(21)[(22904524509001uuuuuuRE])()(21)[(22904524509002uuuuuuRE9009004522tanuuuuuα为u0与σ1之间的夹角α为u0与σ2之间的夹角02cos900uu为提高测量精度，可进行不同直径方向进行多于3点位移测量，然后进行最小二乘法平差计算6.特点和应用条件孔径变形法的测试元件具有零点稳定性好直线性、重复性和防水性好适应性强等，操作简便孔径变形计可重复使用应力解除岩芯较长，一般不能小于28cm，不宜在较破碎的岩层中应用利用单孔孔径变形法，只能确定与该钻孔垂直的平面内的两个主应力在岩石弹性模量较低，钻孔围岩出现塑性变形的情况下，采用孔径变形法要比孔底和孔壁应变法效果好最新进展6方向孔经变形计（振弦式）无线传输孔径25.5mm孔底磁场定位可测量1500m处应力澳大利亚制造6.2.5空间三孔应力解除法？问题要知道岩体中任意—点的应力状态，须给出该点的六个应力分量孔底应力解除法和孔径变形法，在一个孔内只能确定与该孔垂直平面内的应力解决方法用空间方位不同并交于一点的三个钻孔，分别进行孔底应力解除或孔径变形测量三个钻孔可以相互斜交，也可以相互正交，但其轴线的延长线必须交于一点每个孔测试过程与单孔测试过程都一样zxyzxyzyx,,,,,1.计算原理基本过程建立坐标系首先计算与各孔垂直的平面内应力（局部坐标）应用各孔应力与原岩应力关系求出原岩应力1)固定坐标与局部坐标的关系设在三维无限体中有3个钻孔，各钻孔局部坐标系为0-xiyizi（i=1,2,3)，整体坐标为0-xyz（大地坐标）2)局部坐标下各孔应力分量设在三维无限体中有3个钻孔，各钻孔局部坐标系为0-xiyizi（i=1,2,3)，整体坐标为0-xyz各钻孔在各自坐标系下，钻孔横截面内的应力分量分别为'11111)()(yxyx'22222)()(zxzx'33333)()(yzzy钻孔1钻孔2钻孔33)局部应力向量与岩体应力向量的关系（A）变换矩阵，与局部坐标系的各轴对于整体坐标系各轴的方向余弦有关'333322221111)()(yzzxzxzxyxyxi'),,,,,()(zxyzxyzyxAi局部坐标系下应力构成应力向量（i）为在整体坐标系0-xyz中，岩体应力向量（）为由弹性力学坐标变换公式可求出钻孔横截面内的应力分量与空间岩体应力向量的关系4)计算坐标变换矩阵5)局部应力与岩体应力的关系式求解根据弹性力学有关应力分析求出三个主应力及其方向如果条件允许，将三个钻孔布置在同一水平面上，可以简化计算iAAA'1'分析矩阵方程左边9个应力分量己经测得右边变换矩阵可根据实际布孔方向确定原岩应力分量有6个，展开上述矩阵方程可得9个线性方程任选6个方程就可以求出6个原岩应力分量问题：存在测量误差，各组方程的解不一致解决办法：最小二乘法平差原理处理上述所有方程优点：消除误差影响，提高分析精度，找到合理的解应用最小二乘法可得：6.2.6孔壁应变法孔壁应变法是在钻孔壁上粘贴三向应变计，通过测量应力解除前后的孔壁应变，来确定岩体应力的方法利用单一钻孔可获得一点的空间应力分量1测试仪器设备1.三向钻孔应变计（boreholeelectricalcell）电阻应变花1、φ36mm橡胶栓2、楔子3、电镀插针4楔子在橡胶栓内移动使三个悬