第三節(jié)巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法

1、第三節(jié) 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法一、巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測方法概述1.目的： （1）了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向 （2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護及巖體加固提供依據(jù) （3）預(yù)報巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報巖爆的有力工具2. 2. 方法分類方法分類(表6-1)二、水壓致裂法二、水壓致裂法（一）方法原理及技術(shù)（一）方法原理及技術(shù) 要點：要點：通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù)，計算測點附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點上下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-

2、11。P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖 6-11 壓裂過程泵壓變化及特征壓力圖 6-10 止水、壓裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0 各特征壓力的物理意義各特征壓力的物理意義P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力Ps-液體進入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力Ps0-關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力（二）基本理論和計算公式（二）基本理論和計算公式當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時，設(shè)孔周邊兩個水平地應(yīng)力分別為 和 ，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12。h1h2圖

3、 6-12 孔壁開裂力學(xué)模型a鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力鉆孔周圍巖體內(nèi)應(yīng)力 (Kirsch.G-基爾斯解)2cos)31)(21)1)(212cos)341)(21)1)(214421222221442221322321raraprarararaprahhbhhhhbhhr在孔壁上r=a，有：2cos)(2)(2121hhbhhPbrP當(dāng) 時有最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力：bhhP1230按最大拉應(yīng)力理論，有(6-15)0T(6-16)將(6-15)代入(6-16)得孔壁開裂應(yīng)力條件孔壁開裂應(yīng)力條件0213TPbhh(6-18)即孔壁開裂在與孔壁開裂在與 垂直垂直, 的面的面上上0h2式中：T0-巖體的抗強度

4、若巖體中有孔隙水壓力Pw，（6-18）式變成：wbhhPTP0213(6-19)由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pb0，則上式變成：wbhhPP 0213(6-20)19和20兩式對比得： Pb Pb0=T0(6-21)在關(guān)閉壓力Pb0點上，孔壁已經(jīng)開裂，則T0=0,穩(wěn)定開裂壓力由P0下降到Ps0。此時，ps0等于與裂縫垂直的應(yīng)力，即：02shP 求得主應(yīng)力及巖體抗拉強度求得主應(yīng)力及巖體抗拉強度（三）根據(jù)水壓致裂法試驗結(jié)果計算地應(yīng)力（1）一般來講 作為地主應(yīng)力之一。我們可以將 與 作比較，若 ，則可以肯定此時 為最小主應(yīng)力；進一步將 與 作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個主應(yīng)力

5、。02100023TpTpppbhhbbshhzzhz1h2zh10Th2 因為開裂點方位或開裂裂縫方向可以確定 的方位或 的方向，所以三個地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。（2 2）如果）如果 ，并且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時 為最小地應(yīng)力， 與 各為中間主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開裂方向即為最大地應(yīng)力方向。h2h1hh2h2h1hz（四）水壓致裂法的特點（四）水壓致裂法的特點n 設(shè)備簡單設(shè)備簡單 操作方便操作方便 測值直觀測值直觀 適應(yīng)性強適應(yīng)性強 受到重視和推廣受到重視和推廣n 缺陷：主應(yīng)力方向不準(zhǔn)缺陷：主應(yīng)力方向不準(zhǔn)三、應(yīng)力解除法三、應(yīng)力解除法 1. 1. 基本原理：基本原理

6、： 當(dāng)需要測定巖體中某點的應(yīng)力狀態(tài)時，人為的將該處巖體單元和周圍的巖體分離，此時，巖體單元上所受的拉力將被解解除除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定彈性恢復(fù)測定彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認(rèn)為巖體時連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計算計算巖體單元所受的應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)測試應(yīng)變計算應(yīng)力流程流程要點要點2. 2. 應(yīng)力解除法分類應(yīng)力解除法分類 按測試深度表面應(yīng)力解除淺孔應(yīng)力解除深孔應(yīng)力解除按測試應(yīng)變或變形孔徑變形測試孔壁應(yīng)變測試孔底應(yīng)力解除法孔壁 應(yīng)力解除法測1個平面3個方向上的應(yīng)變1平面3方向上的徑位移3平面

7、9個方向應(yīng)變原理要點原理要點 向巖體中的測點先鉆進一個平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應(yīng)變傳感器；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應(yīng)變傳感器測得孔底平面中心恢復(fù)應(yīng)變；在室內(nèi)測得巖石的彈性常數(shù)；計算孔底中心處的平面應(yīng)力狀態(tài)。由于孔底應(yīng)力解除法只需要鉆進一段不長的巖芯，所以對較破碎的巖體也能應(yīng)用。（1 1）巖體孔底應(yīng)力解除法）巖體孔底應(yīng)力解除法在孔底平在孔底平面粘貼面粘貼3 3應(yīng)變片應(yīng)變片應(yīng)變花應(yīng)變花一個平面一個平面有有3 3個獨立個獨立的應(yīng)力分的應(yīng)力分量量工作步驟工作步驟應(yīng)變觀測系統(tǒng)應(yīng)變觀測系統(tǒng)（2 2）套孔應(yīng)力解除法）套孔應(yīng)力解除法原理要點原理要點 對巖體中某點進行應(yīng)力量測時，先向該點鉆進一定深度

8、的超前小孔，在此小孔中埋設(shè)鉆孔傳感器，再通過鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，根據(jù)恢復(fù)應(yīng)變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點的應(yīng)力狀態(tài)?？讖阶冃螠y試，孔壁應(yīng)力解除法，均屬于套孔應(yīng)力解除法。前者測試套孔應(yīng)力解除后的孔徑變化；后者測試套孔應(yīng)力解除后的孔壁應(yīng)變。其操作步驟和原理基本相同表面應(yīng)力解除法表面應(yīng)力解除法直角應(yīng)變花等邊三角形應(yīng)變花應(yīng)力解除槽應(yīng)力解除槽鉆孔的深鉆孔的深度必須超度必須超過開挖過開挖 影影響區(qū)，才響區(qū)，才能測到巖能測到巖體內(nèi)的原體內(nèi)的原始應(yīng)力，始應(yīng)力，否則測出否則測出的是二次的是二次應(yīng)力。應(yīng)力。工作步驟套孔應(yīng)力解除工作步驟 套孔應(yīng)力解除使用的傳感器 孔徑變形測試采用位移傳感器；孔壁應(yīng)

9、力解除采用應(yīng)變傳感器。，孔徑變形測試傳感器布置傳感器布置孔壁應(yīng)力解除法傳感器布置孔壁應(yīng)力解除法傳感器布置計算公式計算公式 應(yīng)力解除法，由測試數(shù)據(jù)換算成應(yīng)力，根據(jù)測試參數(shù)的不同可以分為兩類：(1)由應(yīng)變換算成應(yīng)力；(2)徑向位移換算成應(yīng)力。換算的基本理論和方法都在彈性力學(xué)中學(xué)過，這僅以(2)為例。由孔徑變形測試換算初始應(yīng)力，在大多數(shù)試驗場合下，往往進行簡化計算例如假定鉆孔方向和 一致，并認(rèn)為 ，則303Ed12cos)1)(2)(22121（6-24）式中： -鉆孔直徑變化值 -鉆孔直徑 -量測方向和水平軸的夾角 -巖石彈性模量與泊松比d,E在實際計算中，由于考慮到應(yīng)力解除是逐步向深處進行的，實

10、際上不是平面變形而是平面應(yīng)力，則有)()(21)(429045245090012E 分別為在0度，45度和90度三個方向上同時測定的孔徑變化。90,450,空間原始應(yīng)力測試空間原始應(yīng)力測試測試空間原始應(yīng)力 ，孔壁應(yīng)變法只須1鉆孔，孔底應(yīng)變法和孔徑變形法需要3個鉆孔四、應(yīng)力恢復(fù)法四、應(yīng)力恢復(fù)法 應(yīng)力恢復(fù)法是用來直接測定巖體應(yīng)力大小的一種測試方法，目前此法僅用于巖體表層，應(yīng)力。當(dāng)己知某巖體中的主應(yīng)力方向時，采用本法比較方便。 如圖6-18，當(dāng)洞室某側(cè)墻上的表層圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力 方向各為垂直于水平方向時，就可用到應(yīng)力恢復(fù)法測得 的大小。21,1圖6-18 應(yīng)力恢復(fù)法原理圖基本原理：基本原理： 在側(cè)墻

11、上沿測點o，先沿水平方向開一個解除槽，則在槽的上下附近，圍巖應(yīng)力得到部分解除，應(yīng)力狀態(tài)重新分布。在槽的中心線OA上的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)H.N.穆斯海里什維里理論，把槽看作一條縫，得到： 3224612222411) 1(133) 1(142xx（627）式中 OA線上某點B上的應(yīng)力分量 B點離槽中心O的距離的倒數(shù)。yx11, 當(dāng)在槽中埋設(shè)壓力枕，并由壓力枕對槽加壓，若施加壓力為p，則在OA線上B點產(chǎn)生的應(yīng)力分量為 324232242) 1(132) 1(142yx（628） 當(dāng)壓力枕所施加的力 時，這時B點的總應(yīng)力分量為 1p121221yyyxxx1p1可見當(dāng)壓力枕所施加的力 時，則巖體中的應(yīng)力

12、狀態(tài)已完全恢復(fù)，所求的應(yīng)力 即由P值而得知，這就是應(yīng)力恢復(fù)法的基本原理。 實驗過程實驗過程1. 在選定的試驗點上，沿解除槽的中垂線上安裝好量測元件（見圖6-19）2.記錄量測元件應(yīng)變計的讀數(shù)。3.開鑿解除鑿，巖體產(chǎn)生變形并記錄應(yīng)變計上的讀數(shù)。4.在開挖好的解除鑿中埋設(shè)壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。5.待充填水泥漿達(dá)到一定強度后，即將壓力枕聯(lián)接油泵，通過壓力枕對巖體施壓。隨著壓力枕所施加的力p的增加，巖體變形逐漸恢復(fù)。逐點記錄壓力p與恢復(fù)變形的關(guān)系。6.假設(shè)巖體為理想彈性體，則當(dāng)應(yīng)變計回復(fù)到初 始讀數(shù)時，此時壓力枕對巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應(yīng)力。如圖6-20所示，ODE為壓力枕加荷曲線，壓力枕不僅加壓到初始讀數(shù)（D點），即恢復(fù)了彈性變形 ， 而 且繼續(xù)加壓到E點，得到全應(yīng)變 ：e0由應(yīng)力由應(yīng)力-應(yīng)變曲應(yīng)變曲線 求 巖 體 應(yīng) 力線 求 巖 體 應(yīng) 力圖