岩石力学课程论文

岩石力学课程论文题目：地应力测量方法（这是一篇很优秀的课程论文）适合于岩石力学课程论文。姓名：学号：3131611151班级：土木135日期：2016年6月27日地应力测量方法一绪论1选题的背景与意义岩体介质有许多区别于其他介质的重要特性，由于岩体的自重和历史上地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是其最有特色的性质之一。其成因有两种解释:一是地壳运动或是岩石本身的重量发生变化，由此保留下来的构造应力；二是岩体发生了某些化学物理反应，或受到岩浆等多种因素作用，又称为绝对应力，即岩体初始应力。随着我国建设事业的蓬勃发展，在道路、水电、采矿等行业中出现了很多深部岩体工程，如长大深埋隧道、深采矿巷道等，高地应力已经成为广大工程技术人员所关注的问题。天然应力能影响人们的基础设施建设，比如开挖隧洞、兴修水利、修建铁路、山体爆破、采矿作业等。就岩体工程而言，若不考虑岩体地应力这一因素，就难以进行合理正确的分析和提出符合实际的结论，也就无法做到经济合理耐久安全。举个例子，地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、坍塌和破坏，原因就是岩体中具有初始地应力，因为这种开挖荷载通常是地下工程问题中的重要荷载。因此，在岩体工程建设中，为了合理利用岩体中地应力状态的有利方面、克服其不利方面，合理地确定地下洞室轴线、坝轴线及人工边坡走向，较准确地预测岩体中应力重分布应力和岩体的变形，使设计更合理，施工更科学，常常需要进行天然地应力实测工作。由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，是岩石力学与工程中不可回避的重要问题。2岩体中的地应力2.1地应力的成因地应力的产生原因非常复杂，人们虽然对地应力做了长时间的深入研究，但仍未研究出地应力产生的真实原因。但多年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关。其中构造应力场和自重应力场为现今地应力场的重要组成部分。主要有六大应力场：大陆板块边界受压引起的应力场；地幔热对流引起的应力场；地心引力引起的应力场；岩浆侵入引起的应力场；地温梯度引起的应力场；地表剥蚀引起的应力场。2.2地应力测量分类由于地应力产生和测量的复杂性，因此地应力的测量也就没有统一的分类标准。其中有人根据测量手段的不同，将测量方法分为五大类：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法；也有人根据测量原理的不同分为：应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法共八类。最常用的分类方法，也是最方便的分类方法，就是依据测量基本原理的方法，分为直接测量法和间接测量法。直接测量法由测量仪器直接测量和记录各种应力量，利用应力量和地应力的相互关系，计算获得原岩应力值。常用的有扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法。其中水压致裂法是目前应用最为广泛，声发射法次之。3简述分析的问题本文就是探讨常用的几种地应力测量方法，并介绍其测量方法、优缺点以及个人看法，由于地应力测量方法很多，不一而论，对常见的应力测量方法加以剖析，简要介绍它们的理论和测试优缺点以及如何实施测量。由于地应力与地下岩体工程密切相关，与人们的基础设施建设有着千丝万缕的关系，地应力测量就显得尤为重要。4国内外研究现状国内外许多专家学者工程技术人员等对地应力测量做了大量的研究，对地应力的形成原因、分布规律等做出了丰硕的成果。人类认识地应力还只是近百年的事。但近40年来，随着地应力测量工作的不断开展，人类对地应力的认识不断成熟，测量的方法也比较丰富，目前各种主要测量方法有数10种之多，而测量仪器有数百种之多。西方发达国家努力研究地应力的测量方式，美国就是最早开始研究地应力测试少有的国家之一。1932年，美国人劳伦斯第一个成功实现了原岩应力的测试。时隔30年后，即1962年，美国的学者们（法垦务局欧贝特）使用了孔径变形测量法，其原理是通过测量钻孔直径变化来获得地应力的大小和变化，这就是应力测量的USBM钻孔变形计。同时期的另外两个美国人费尔赫斯特和海姆森通过大量的应力测试，创造了地应力直接测量的另一种方法即水压致裂法，该方法一经问时，就受到学术界和工程界的广泛接受，并在世界范围内广泛应用，其突出特点是可以测量达到5000米深度的地应力值。后来加利福利亚大学提出的“含应变计包体的层状岩体”，把应力测量方法转移到异性岩体地应力测量与研究上，在原岩应力场作用下，通过测量得出内部应力场分布的封闭解，从而得出异性岩体地应力的半解析解。我国在这方面的研究要晚于国外的研究，始于50年代末，我国地质学家李四光、陈宗基等带领相关地质力学科学院研究所对地应力的测量做了大量的工作，开创了我国在地应力测量的新纪元。1966年3月，中国地质科学院地质研究所经过广泛的实地测量，研制了绝对应力的检测装置即压磁式应力计。1964年，武汉岩土力学研究所经过多年的应力测量研究，在湖北大冶铁矿首次进行了浅层钻孔应力测量。1966年，在李四光的倡导下在河北尧县建立了我国第一个地应力观测站。70年代初国家地震局地壳应力研究所与地矿部地质力学研究所研制了YG-73型压磁应力计，单孔可获得二维应力，三维交汇可获三维应力。80年代初，中国地质科学研究院地质研究所研制了KX-81型空心包体式钻孔三轴应力。1984年长江科学院自主研发出自主应变计及CKT-1型水下粘贴剂，最大测量深度达300米。目前国内外大量学者对地应力测量不懈努力，取得了丰硕的成果。相信在不久的未来，我们队地应力的测量将得到更加深刻具体的认识。二地应力测量方法（一）间接测量法1应力解除法1.1应力解除法的分类从上世纪30年代以来，各国提出了多种不同类型的应力解除法。应力解除法是对岩体进行扰动，通过切割槽以及套孔钻等方式将岩样与周围的岩体部分分离或者全部分离，并通过相关仪器对岩体所产生的位移以及应变变化进行监测，之后按照岩石本构关系对原位地应力进行确定。再通过应力解除法对原位应力进行测量的过程中，主要包含两个方面：一是构建合理的本构关系，即应力与应变的关系；二是由于应力解除前后的位移与应变都很小，因此要求仪器的测量精度很高，能够将岩石力学性质准确无误地检测出，从而进一步确定在局部扰动下岩样所发生的位移或者微小应变。目前采用的应力解除法有很多种，如下图：隔离表面岩石法岩石表面应力解除法平行钻孔法中心钻孔法钻孔孔径变形法钻孔孔底应变法钻孔应力解除法钻孔孔壁应变法空心包体应变法应力解除法钻孔应力法孔中切缝法局部应力解除法孔中钻孔法钻孔延伸法大直径套孔法大体积岩体应力解除法开巷监测反演法邻近掘进监测反演法图1应力解除法分类以上14种应力解除法，如要全部介绍，实在没有必要，因此主要介绍常用的钻孔应力解除法。1.2应力解除法的原理和理论关系此法的基本原理是在钻孔中安装应变或应变测量原件（位移传感器或应变计），通过量测套心应力解除前后，钻孔孔径变化或孔底应变变化或孔壁表面应变变化值开确定天然应力的大小和方向。所谓套心应力解除是用一个较测量孔径更大的岩芯钻，对测量孔进行同心套钻，把安装有传感器元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来，以解除其天然受力状态。应力解除法的理论基础是线弹性理论，把岩体视为一无限大的均质、连续、各向同性的线弹性体。在这种岩体中钻一个钻孔，设钻孔轴与岩体中某一天然应力相平行，那么，测量钻孔孔壁的径向位移和岩体天然主应力间的关系可据弹性理论得出。对于刚刚学过的弹性力学知识，参考其他资料，我们得出，对于按平面应变问题考虑有；𝑢𝜃=𝑅(1−𝜇2)𝐸[(𝜎1+𝜎3)+2(𝜎1−𝜎3)𝑐𝑜𝑠𝜃]平面应力问题把(1−𝜇2)𝐸换为E即可。由上式公式可知，为了求得𝜎1，𝜎3和θ的值，在钻孔中必须安装3个互成一定角度的测量元件，分别测出应力解除后孔壁在这3个方向上的径向位移，然后建立3个联立方程，才可以求出这3个值。目前在实际中有2种布置方法：一种是3个测量元件互成45°；另一种是互为60°。一般3个测量元件之间互成45°角，且按平面应力问题考虑时，由弹性力学里面的知识，不难得到𝜎1，𝜎3和θ的计算公式：𝜎1=𝐸4𝑅[𝑢𝑎+𝑢𝑏+1√2√(𝑢𝑎−𝑢𝑏)2+(𝑢𝑏−𝑢𝑐)2]𝜎3=𝐸4𝑅[𝑢𝑎+𝑢𝑐+1√2√(𝑢𝑎−𝑢𝑏)2+(𝑢𝑏−𝑢𝑐)2]tan2𝜃=2𝑢𝑏−𝑢𝑎−𝑢𝑐𝑢𝑎−𝑢𝑐式中：𝑢𝑎、𝑢𝑏和𝑢𝑐是与最大主应力作用方向夹角分别为θ、θ+450和θ+900的3个方向上测定的孔壁径向位移值，θ是最大主应力至第一个测量元件之间的夹角，R为钻孔半径，E是岩体弹性模量，μ是岩体的泊松比。1.3孔底应变法的测试方法在这里只介绍孔底应变法的试验步骤：在岩体的测点处先钻一个平底钻孔，并在孔底处粘贴一应变传感器，钻出岩芯将可使孔底的平面完全卸载，如图2所示，之后通过获得卸载的平面后的恢复应变以及岩石的弹性常量方可求出孔底处的平面的应力状态。该方法的进行只需要一个很小的岩芯，因此对于有裂隙的岩石也可采用这种方法。图2孔底应变法在进入测试现场之前的准备工作，除了一些测量设施和设备外；应对测量仪器进行安全测定。测试步骤如下：（1）准备好一台钻机，并进行测试地点的选择；（2）开动钻机进行平底钻，钻到测量部位停止；（3）在孔底处粘贴一应变片，作为应变传感器；（4）再以平底钻时的孔径继续钻进，钻到预定的深度就停止；（5）每隔十分钟向钻孔中冲水，连续进行三次，这三次的读数值之差不超过，就认为是稳定的，就可以开钻解除应力；（6）在解除的过程中，每钻进2cm，读一下钢环的值并且记录，进行到30cm时，若之前的长度内连续两次前后测量读数不超过，就认为是稳定的，于是停止钻进；（7）取出钻具和岩芯。（8）在室内测定岩芯的弹性模量和泊松比，就可套用公式将主应力的大小和方向算出。1.4孔底应变法的优缺点简要介绍一下其优缺点，孔底应变法不需要很长的套孔岩芯，对岩体的完整性要求不高，对于破碎的岩体也适用，大量实验也证明测试成功率比较高。但也存在很多的缺点，当应变片粘贴在孔底时只能获得平面应力，不能直接得到三维应力，必须通过在三个互不平行的方向进行测量才能获得三维应力状态。（二）直接测量法2水压致裂法2.1水压致裂法的基本原理顾名思义，水压致裂，也就是当液压泵向孔内部施加的压力超过一定的限度，孔壁的周围就会出现裂缝的现象。在试验时，将测试岩层的两端用封隔器密封起来，然后对封隔器两端加高压液体（水），致使钻孔两壁岩石产生裂痕，如图2所示。连续进行几个周期的施压，然后根据裂痕的方向和泵压的大小分析确定原岩的应力状态。试验结果表明，在测试过程中岩体破裂的方向为沿着最小水平应力的垂直方向进行的，也就是说在垂直方向上最利于裂缝的扩展。图3水压致裂示意图从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（𝜎1，𝜎2）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为：𝜎𝜃=𝜎1+𝜎2−2(𝜎1−𝜎2)cos2θ𝜎𝑟=0当θ=0时，𝜎𝜃取得最小值，此时𝜎𝜃=3𝜎2−𝜎1。当泵入高压水时，在钻孔内壁作用有内压力𝑝𝑐,因此孔壁上每一点均受到内水压力𝑝𝑐作用。当内水压力𝑝𝑐超过3𝜎2−𝜎1和岩石抗拉强度之和时，在θ=0处，将发生孔壁开裂。则拉裂隙形成时的破坏条件为：𝑝𝑐1=3𝜎2−𝜎1+𝜎𝑡在孔壁拉裂隙形成以后，如果要继续维持拉裂隙张开而又不进一步扩展，则水压力需满足如下条件：𝑝𝑠=𝜎2由上述公式就可得出，计算与钻孔垂直平面上的两个天然应力的公式为：𝜎1=𝜎𝑡+3𝜎2−𝑝𝑐1𝑝𝑠=𝜎2𝜎𝑡是孔隙岩石的抗拉强度，可以由试验本身来确定。即可由𝑝𝑐1和𝑝𝑠求出𝜎1和𝜎2，这样𝜎1和𝜎2的大小和方向就全部确定了。初始裂隙形成以后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后重新向封隔段加压，使裂隙再次开启，裂隙重新开启的压力为𝑝𝑐2,有：𝑝𝑐2=3