6-2-地应力测量方法

2020/3/281矿山岩体力学华北科技学院安全工程学院6.5间接测量法（主要介绍空心包体法）6.5.1测量方法种类(套孔应力解除法)6.5.2变形或应变的测量孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法空心包体应变法、实心包体应变法6.5.3空心包体测量步骤6.5.4空心包体法测量原理6.5间接测量法根据测量的物理量和测量方法的不同，间接测量法也有数十种之多。目前间接测量方法分类：全应力解除法：是一种比较经济而适用的方法，它能够比较准确地测定岩体中的三维原始应力状态。局部应力解除法、松弛应变测量法：只能用于粗略的估算岩体中的应力状态或者岩体中的应力变化情况，而不能用于准确测定原岩应力值。6.5间接测量法地球物理探测法：可用于探测大范围内的地壳应力状态，但是由于对测定的数据和应力之间的关系缺乏定量了解，同时由于岩体结构的复杂性，各点的岩石条件和性质各不相同，这种方法不可能为实际的岩石工程提供可靠的地应力数据。孔径变形法孔底应变法全应力解除法孔壁应变法空心包体应变法实心包体应变法切槽解除法局部应力解除法平行钻孔法中心钻孔法间接测量微分应变曲线分析法松弛应变测量法非弹性应变恢复法孔壁崩落法声波观测法地球物理探测法超声波谱法6.5.1全应力解除法(套孔应力解除法)全应力解除法是使测点岩体完全脱离地应力作用的方法。通常采用套钻的方法实现套孔岩芯的完全应力解除，因而也称套孔应力解除法。套孔应力解除法是发展时间最长，技术比较成熟的一种地应力测量方法。在测定原始应力（绝对应力）的适应性和可靠性方面，目前还没有那种方法可以和应力解除法相比。（一）测试基本原理1、基本假定：围岩是线性、均匀、各向同性弹性体；岩体加载、卸载过程中具有同样应力-应变关系；解除孔径不小于3倍测孔直径，可近似处理为厚壁圆筒问题；2、原理示意图（二）测量步骤1、从地下巷道、隧道、峒室或其它开挖体的表面向岩体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位。大孔要求：①直径为小孔直径的3～5倍以上，一般为130～150mm；②孔深为巷道、隧道或已开挖峒室跨度的3～5倍，以保证伸到未受开挖影响的原岩应力区；（二）测量步骤1、从地下巷道、隧道、峒室或其它开挖体的表面向岩体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位。大孔要求：③打孔要保持一定的同心度；④孔底要磨平，并打出锥形孔，以利于打小孔与大孔同心；⑤孔的倾斜角一般为1～3°。2、从大孔孔底打同心小孔，用于安装测试探头。小孔要求：①直径一般为36～38mm；②孔深一般为小孔直径的10倍以上，以保证小孔中央部位处于平面应变状态；③小孔要用水冲洗干净。3、用一套专用装置将测量探头胶固到小孔中央部位。4、用打大孔用的薄壁钻头继续延伸大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。5、由于应力解除引起的小孔变形或应变，可由空内的测量系统测定，并通过记录仪器记录下来。6、根据测得的小孔变形或应变通过有关计算公式，求出小孔周围的原岩应力状态。（三）应变或变形的测量套孔应力解除法根据所使用的测量探头不同，可分为五种方法：孔径变形法孔底应变法孔壁应变法空心包体应变法实心包体应变法（三）应变或变形的测量（1）孔径变形法孔径变形法是通过测量应力解除过程中钻孔直径的变化，而计算出垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态，并可通过三个互不平行钻孔的测量，确定一点的三维应力状态。①孔径变形测量用于测量孔径变形的仪器很多，其中最著名的是USBM（美国矿山局）孔径变形计。它是奥伯特（L.Obert）和梅尔里（R.H.Merrill）等人于60年代研制出来的①孔径变形测量其探头是六个圆头活塞，两个径向相对的活塞测量一个直径方向的变形，每对相差60°角，活塞由一个悬悬臂梁式的弹簧施加压力（一般有0.5mm左右的预压变形），以保证它和孔壁接触。当应力解除时，钻孔直径膨胀，预压变形得以释放，悬臂弹簧的弯曲变形发生变化，这一变化由电阻应变片探测并通过仪器记录下来。通过标定试验可以确定两个活塞头之间的径向变形和悬臂弹簧上应变片所测读数之间的关系。②孔径变形测量应力计算原理只进行一个钻孔的孔径变形测量时，由应力解除过程中测得的孔径变形计算垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态如下：式中：为相互间隔60°的三个径向方向的变形值；为和之间的夹角，从逆时针到为正，222112312233122261EUUUUUUUUUd222212312233122261EUUUUUUUUUd2312331arctan22UUUUU123,,UUU1U11U1同时的范围限制如下：当且时，当且时，当且时，当且时，假如钻孔轴线和一个主应力方向重合，且该方向主应力值也已知，譬如假定自重应力是一个主应力，且钻孔为垂直方向，那么一个钻孔的孔径变形测量也就能确定该点的三维应力状态。23UU2312UUU0004523UU2312UUU00459023UU2312UUU009013523UU2312UUU00135180③测点岩石弹性模量和泊松比的获得为了获得测点岩石弹性模量和泊松比，可以通过对套孔岩芯加围压，并通过孔径变形计测量围压——孔径变形曲线，由此可用如下计算公式确定其弹性模量值：式中：P0—围压值；U—由围压引起的平均径向变形值；R，r—分别是套孔岩芯的外、内径。为了求得泊松比值，可在套孔岩芯上贴轴向应变片，测得的轴向应变和径向应变之比即为该点岩石的泊松比值。20224PrREURr（2）孔底应变法莫尔于1956年首次报告了孔底应变测量技术。他是将电阻应变片粘贴在一个磨平的孔底，然后使用延伸这个钻孔的办法实现应力解除，再将从孔底取出带有应变片的岩芯拿到实验室作加载试验，从而发现原先存在于孔底表面的应力。（2）孔底应变法南非科学和工业研究委员会（CSIR）研制的门塞式孔底应变计就是根据这一原理研制出来的，但测量过程和莫尔有所不同。门塞式孔底应变计示意图见教材①孔底应变测量步骤（1）根据孔径变形法的要求打出大孔，然后将孔底磨平打光；（2）将应变计端部涂上胶结剂，并用专门工具送到孔底，施加压力将应变计端部和孔底挤压在一起，直到胶结剂固化为止，这样应变片也就粘贴在孔底岩石上了，记录应变片在孔底的方位；①孔底应变测量步骤（3）将应变计导线连接到应变测量仪器上，记录原始应变数据（一般调零）；（4）进行套孔应力解除，解除后再一次记录应变数据，根据应力解除前后应变片的读数变化，即可求出孔底平面的应力状态。孔底平面的应力状态和周围原岩应力状态的关系还没有理论解，只能通过试验或数值分析方法求得。由于孔底应力集中的状况是非常复杂的，要精确确定二者之间的关系是很困难的，正因为这一点孔底应变计测量的精度和实际应用受到了很大影响。另一方面，它也有和孔径变形法相类似的问题，即一孔测量也只能解决二维应力，如若需要求解原岩应力的六个应力分量，就必须打互不平行的三个钻孔进行测量。但该法也有自己的优点，即它不需很长的套孔岩芯，因而有可能在较为破碎的岩石条件下使用。②孔底应变计测量计算原理由CSIR门塞式孔底应变计测得的三个应变值（0°，45°，90°代表该应变片与x轴的夹角），那么由下列公式可求得孔底平面上在未套孔前的应力状态：式中：分别为该点岩石的弹性模量、泊松比和剪切模量。04590,,090450901112xxyyyxxyxyEEG,,EG这里所得的并非原岩应力，而是孔底平面上经过开挖扰动后的次生应力。它们可以由下列公式和原岩应力场的六个应力分量联系起来：其中，a,b,c,d四个系数没有理论解，只有通过试验或数据分析获得，因此，不同的研究者给出不同的值，古德曼给出的值是：,,xyxyxxyzyxyzxyxyabcbacd（4-13）21.300.0850.150.4730.911.4230.027abcd（3）孔壁应变法在三维应力场作用下，一个无限体中的钻孔表面及周围的应力分布状态可以由弹性理论给出精确解，从而通过应力解除测量钻孔表面的应变，即可求出钻孔表面的应力，并进而精确地计算出原岩应力状态。南非CSIR三轴孔壁应变计就是根据这个原理研制出来的。（3）孔壁应变法CSIR三轴孔壁应变计的主体是三个等间距（120°）、端部和孔壁弧度相同、直径为1.5cm的橡胶类物质制造而成的活塞，活塞上帖有4个电阻应变片，组成一个相互间隔45°的圆周应变花，以及其他装置组成。①测量步骤（1）根据孔径变形法的要求打出大孔和小孔；（2）将三个活塞头涂上胶结剂，用专用工具把应变计送入钻孔中测点部位；（3）打开风压阀，将活塞推出，使其端部和钻孔壁保持紧密接触，直到胶结剂固化为止；（4）用薄壁钻头延伸大孔，进行应力解除，在应力解除前后各测得应变数据；（5）根据12个应变片的读数变化值，应用相关公式来计算应力值。②孔壁应变计测量应力计算原理（1）钻孔周围围岩应力分布公式一个无限体中的钻孔，受到无穷远处的三维应力场作用时，在孔壁上是个平面应变问题，可套用弹性力学公式4-17和4-18，然后通过叠加法可得：22222222221cos2113113sin222xyxyxyaaaaarrrrr22212122221cos21313sin222xyaaarrr22222cos24sin2zxyxyzaarr24242424123sin2123cos22xyrxyaaaarrrr在上述公式中，原岩应力采用的是直角坐标系，孔边的围岩应力采用柱坐标系，柱坐标系的z轴和直角坐标系的z轴一致，柱坐标系的角从x轴逆时针旋转为正，应力以压为正拉为负。为原岩应力分量。z22sincos1zxyyzar22cossin1rzxyyzar（2）孔壁应变和三维应力分量之间的关系孔壁为平面应力状态，只有三个应力分量，每个电阻应变花的4支应变片所测得的应变值和它们的关系为：式中:分别是孔壁周向、轴向和与钻孔轴线成45°角方向的应变值，为剪应变值。,,zz4545,,,z1zE1zzE454522zzzzG4545,,,zz将转换成原岩应力分量的表达式，可得如下四个方程：,,zz,,,,,xyzxyyzzx2121cos22sin2xyxyxyzE1zzxyE41cossinzyzzxE04512zz每组应变花的测量结果可得4个方程，三组应变花共得到12个方程，其中至少有6个独立方程，因此，可求出原岩应力的6个分量。（3）孔壁应变法进行围压试验，也和孔径变形法一样可计算测点岩石弹性模量和泊松比。（1）发明背景由于在CSIR孔壁应变计中，三组应变花直接粘贴在孔壁上，而应变花和孔壁之间接触面积很小，若孔壁有裂隙缺陷，则很难保证胶结质量。如果胶结质量不好，应变计的测量就非