巖石力學(xué)作業(yè)

1、地應(yīng)力測試方法1 地應(yīng)力及其測試的必要性地應(yīng)力，又稱原巖應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力或絕對應(yīng)力，是指存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，是在漫長的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因產(chǎn)生的。地應(yīng)力是蓄存在巖體內(nèi)部的一種內(nèi)應(yīng)力，不是巖體的一種固有特性，而是巖體存在的一種力學(xué)狀態(tài)。在一定時(shí)間和一定地區(qū)內(nèi)，地殼中的應(yīng)力狀態(tài)是各種起源應(yīng)力的總和。主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成，重力應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力的主要來源。地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過程有關(guān)，另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學(xué)變化等也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場。而重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因

2、，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對地應(yīng)力的形成影響最大。因此，巖石中的原地應(yīng)力是由主動(dòng)施加的力和積蓄的殘余應(yīng)變兩者引起的。地應(yīng)力是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路、軍事和其他各種地下或露天巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巖石工程設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件。由于地應(yīng)力的多變性和復(fù)雜性 ，其大小和方向不可能通過數(shù)學(xué)計(jì)算或者模型分析的方法來獲得，要了解某個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，唯一的方法就是進(jìn)行地應(yīng)力測試。地應(yīng)力測試，就是確定擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動(dòng)的三維應(yīng)力狀態(tài)，這種測試通常是通過多個(gè)點(diǎn)的量測來完成的。地應(yīng)力測試是一項(xiàng)綜合性的測試，可

3、以說任何一種單一的方法都不能很好地完成，往往需要幾種方法結(jié)合起來對比使用，才可以保證結(jié)果的可靠性。地應(yīng)力測試在礦山開采、地下工程和能源開發(fā)等生產(chǎn)實(shí)踐中起著至關(guān)重要的作用，對地應(yīng)力的研究是當(dāng)前國際采礦界上的一個(gè)前沿性課題，近幾十年來，世界上許多國家均開展了地應(yīng)力的測量及應(yīng)用研究工作,取得了眾多的成果。2 地應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展概況美國進(jìn)行地應(yīng)力測量的時(shí)間較早，美國人勞倫斯于1932年在胡佛大壩泄水隧洞中首次成功進(jìn)行了原巖應(yīng)力測量。1962年，美國又相繼研制出了USBM鉆孔變形計(jì)，它是由美國人歐貝特研制出的，其依據(jù)是孔徑變形法，這種方法是測量鉆孔直徑變化的測量方法。20世紀(jì)60年代末，水壓致裂法的相

4、繼提出，使美國地應(yīng)力測量技術(shù)空前提高，該方法是由海姆森和費(fèi)爾赫斯提出的，即垂直鉆一個(gè)孔，將其封隔，然后向孔內(nèi)注入高壓液體，通常是水，然后通過孔壁的膨脹和裂縫來判斷地應(yīng)力的方向以及大小。它最初是起源于石油的開發(fā)工作，為了增加石油產(chǎn)量，向儲油的巖層加壓，使其出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)出石油，但是為了不讓其通道閉合，就往里填充材料，這個(gè)方法逐漸完善后就產(chǎn)生了現(xiàn)在的水壓致裂法，該測量方法在美國的20世紀(jì)中后期得到了廣泛的傳播與推廣，水壓致裂法有測量深度比以往的所有地應(yīng)力測量方法測得深度都要深，達(dá)到5000米，空前未有的深度，而且它不需要過于精密的儀器，測試周期短、方法簡便易懂、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界上最受常用的

5、地應(yīng)力測量方法，對研究地礦深度的構(gòu)造應(yīng)力場有非常重要的意義。南非是世界上鉆石儲量最多的地區(qū)，因而它們的地應(yīng)力測量和發(fā)展與采礦業(yè)是密不可分的，南非是世界上測量地應(yīng)力最早的國家也是最有成效的國家之一，因而它們的鉆石開采越來越順利。南非有一個(gè)叫南非科學(xué)與工業(yè)研究委員會(huì)力學(xué)工程研究所，20世紀(jì)50年代末期，研制出了孔徑變型儀，它有兩種型號，即Mark 1和Mark2，這兩種型號的孔徑應(yīng)變儀就是由利曼及這個(gè)研究所的巖石力學(xué)部研發(fā)出來的，主要用來礦山巖爆和研究應(yīng)力場的狀態(tài)的監(jiān)測。1966年南非學(xué)者利曼根據(jù)彈性力學(xué)理論提出了含圓柱形孔的無限介質(zhì)體在無限遠(yuǎn)處三維應(yīng)力場作用下孔周圍應(yīng)力場的解析解，推動(dòng)了地應(yīng)力測

6、量技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。20世紀(jì)的70年代，南非科學(xué)家提出了孔壁應(yīng)變測量地應(yīng)力的方法，首次研制出了S CIR三軸孔壁應(yīng)變法，實(shí)現(xiàn)了從二維測量向三維測量的跨越，實(shí)現(xiàn)了之前從未有過的單孔徑全地應(yīng)力測量，可以獲得某個(gè)點(diǎn)的三維的地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)，現(xiàn)在這種方法己經(jīng)在全世界得到推廣，推動(dòng)了地應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。瑞典是世界上最早進(jìn)行地應(yīng)力測量的國家之一，早在1951年瑞典人哈斯特進(jìn)行大量的磁致伸縮效應(yīng)，成功了運(yùn)用這種效應(yīng)研制出了鋁合金鉆孔應(yīng)力計(jì)，并與套孔應(yīng)力解除法相結(jié)合，對斯堪的納維亞半島的礦區(qū)進(jìn)行了測量，在主應(yīng)力的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力之間，水平應(yīng)力竟然大于垂直應(yīng)力，從而對傳統(tǒng)的觀念產(chǎn)生質(zhì)疑，推翻了地應(yīng)力以垂

7、直應(yīng)力為主的禁錮，也打破了地應(yīng)力是靜水壓力的假說，使得地應(yīng)測量技術(shù)又得到進(jìn)一步的發(fā)展。瑞典電力局于20世紀(jì)60年代研制出叫二維孔底應(yīng)變計(jì)的新型應(yīng)變計(jì)。20年后，又研制出深鉆孔水下三維孔壁應(yīng)力解除測量儀器，測量的孔深有500多米，90年代初又研制出無電纜遙控自動(dòng)記錄深孔鉆孔應(yīng)變計(jì)，地應(yīng)力測量技術(shù)又達(dá)到一個(gè)更高層的水平。澳大利亞的第一個(gè)地應(yīng)力測量是開始于新南威爾士的一個(gè)雪山電站，是由沃羅特尼基和亞歷山大在1957年初實(shí)驗(yàn)成功的，他們采用的方法是扁千斤頂法，對于澳大利亞整個(gè)國家來說，這個(gè)方法使澳大利亞的地應(yīng)力測量技術(shù)掀開了序幕。沃羅特尼基是澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的一名研究成員，這個(gè)組織是澳大

8、利亞CST公司的前身，沃羅特尼基和組織的其他成員研制出了一種叫空心包體應(yīng)變計(jì)的新型測量地應(yīng)力的儀器，這種儀器比同時(shí)期的其他測量方法更方便更準(zhǔn)確，現(xiàn)在己經(jīng)得到廣泛的推廣使用。為了使這個(gè)測量儀器的功能更加完善，空心包體應(yīng)變計(jì)的巖體應(yīng)力場的解析解被鄧肯破解，1980年空心包體應(yīng)變計(jì)測量方法得到更完善、可靠。彭德和米爾斯在研制了一種叫ANZ的應(yīng)變計(jì)之后，通過這種應(yīng)變計(jì)對礦區(qū)的測量，測繪出了礦區(qū)的匯編圖，并總結(jié)出錨桿支護(hù)工程的成功因素之一在于對地應(yīng)力的準(zhǔn)確測量。在一個(gè)煤礦中，地應(yīng)力測量地點(diǎn)很多，有時(shí)幾乎幾十個(gè)，所以可以通過這些測量地點(diǎn)來繪制地應(yīng)力的分布圖，然后規(guī)劃巷道的支護(hù)，有利于礦區(qū)的穩(wěn)定性發(fā)展和系統(tǒng)

9、的規(guī)劃布置。前蘇聯(lián)開展地應(yīng)力測量的時(shí)間比一般國家較晚一些，為了對大地的構(gòu)造進(jìn)行深度研究和對地球動(dòng)力學(xué)進(jìn)行解析，前蘇聯(lián)地理或者物理方法進(jìn)行地應(yīng)力測量，而且這種方法使用較為通用。作為前蘇聯(lián)黑色冶金工業(yè)部的礦業(yè)研究所的研究成員費(fèi)洛赫于在20世紀(jì)的60年代初，對烏拉爾礦區(qū)進(jìn)行了地應(yīng)力測量，采用的測量方法是他們新型研究出的全應(yīng)力解除法和半應(yīng)力解除法，并對此礦區(qū)進(jìn)行了成功了測量。20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)的研究院物理研究所發(fā)表一本有關(guān)于地殼、地球應(yīng)力狀態(tài)的書，該書中記載和收集了有關(guān)這個(gè)國家的礦區(qū)和水電等方面的大量的實(shí)測資料，研究學(xué)者格佐夫斯基根據(jù)這些實(shí)測資料和地震機(jī)制解析解的資料繪制出了該國家的應(yīng)力場圖。在

10、20世紀(jì)的80年代后期，加盧什等前蘇聯(lián)物理研究者在頓巴斯煤田進(jìn)行了地應(yīng)力測量，采用的方法是套孔應(yīng)力解除法，推進(jìn)了前蘇聯(lián)地應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展。英國對地應(yīng)力測量的研究也屬于世界前列，起步于20世紀(jì)的50年代。英國研究學(xué)者進(jìn)行地應(yīng)力測量的主要方法是應(yīng)力解除法和扁千斤頂法，過了20多年，英結(jié)出一個(gè)重要的規(guī)律:地應(yīng)力的水平方向上分布著地應(yīng)力的最小和最大主應(yīng)力，最大主應(yīng)力約在西北一東南方向，而垂直方向上分布的是地應(yīng)力的中間應(yīng)力。 日本的地應(yīng)力測量工作展開的比其他國家要早很多，20世紀(jì)的30年代，日本開展地應(yīng)力測量工作是為了礦山的開采和地下工程的需要。起初所采用的方法是僅能測量圍巖巷道表面的應(yīng)力恢復(fù)法，這種

11、測量方法比較簡便，它只能測量巖石的表面，直接能測量出地應(yīng)力的大小，如果知道地應(yīng)力的主應(yīng)力時(shí)，這種方法更為簡單。因?yàn)閼?yīng)力恢復(fù)法是一種無需知道巖石的彈性特定、受巖石內(nèi)的非均質(zhì)的影響較小的一維應(yīng)力測量方法，它有操作簡單、費(fèi)用較少等優(yōu)點(diǎn)ls 0 20年之后，日本為了研究巖石內(nèi)部應(yīng)力，開始使用應(yīng)力解除法等向巖石打鉆的方法進(jìn)行巖石內(nèi)部應(yīng)力的測量研究。葡萄牙進(jìn)行地應(yīng)力測量的工作也比較早，羅洽對扁千斤頂進(jìn)行了改進(jìn)，跟其一起研究的還有土木工程研究所，后來他們又一起研制出了實(shí)心空心包體應(yīng)變計(jì)，之后沒多久就研制出空腔包體應(yīng)變計(jì)。羅洽等人在地應(yīng)力研究方面取得的顯著的成績，因此參加了里斯本的國際巖石力學(xué)大會(huì)和國際地應(yīng)力

12、測量研討會(huì)，因此，他們顯著的發(fā)明傳給了世界各國，因此，這兩次大會(huì)推進(jìn)了世界范圍內(nèi)的地應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展。除了這些國家之外，還有很多國家進(jìn)行了地應(yīng)力的實(shí)測和研究工作，推進(jìn)自己國家礦業(yè)和水利等方面的進(jìn)步，比如法國、芬蘭、贊比亞、挪威、新西蘭等國家，都開始了對地應(yīng)力有關(guān)方面的探索，并取得初步的成績。我國對地應(yīng)力鉆研開始于20世紀(jì)40年代初，最早是李四光教授把地應(yīng)力致力于地質(zhì)力學(xué)中的內(nèi)容來鉆研。自50年代后期，隨著三峽工程、長江大橋等大型工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)任務(wù)的提出，在著名地質(zhì)學(xué)家李四光和陳宗基教授倡導(dǎo)下，正式開始了地應(yīng)力測量和理論研究。我國的原巖應(yīng)力的測量開始于20世紀(jì)的60年代初期，測量深度最高達(dá)到

13、30米，同時(shí)這個(gè)時(shí)期也開始利用千斤頂法測得礦山酮室的圍巖表面的應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)在李四光教授指引下，地質(zhì)研究所成員成功研制出了壓磁應(yīng)力計(jì)，之后在河北的隆堯縣建立了中國第一個(gè)觀測站，隨之又在我國各地等21個(gè)地方成功建立了觀測站，形成了一個(gè)中國地應(yīng)力觀測網(wǎng)。1972年，郭增建、王妙月等人組織成立了地震源機(jī)制研究小組，對我國和鄰區(qū)發(fā)生的地震進(jìn)行震源解析，結(jié)出了我國大地構(gòu)造主要以水平方向?yàn)橹鞯睦碚摗?0年80年代以后，地殼應(yīng)力研究所率先在國內(nèi)開展了水力壓裂地應(yīng)力測量的研究工作，并于1980年10月在河北易縣首次成功進(jìn)行了水力壓裂法地應(yīng)力測量，從而邁出了我國深鉆孔地應(yīng)力測量的第一步。我國的地應(yīng)力測量技術(shù)和設(shè)

14、備從無到有，經(jīng)過近40余年的發(fā)展，己經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但與國際先進(jìn)水平相比尚有一定的差距。研究新的測量方法和測試技術(shù)解決目前地應(yīng)力測量中存在的各種問題和不足，仍然是一個(gè)重大的研究課題。3 地應(yīng)力測試方法及其原理3.1 地應(yīng)力測試方法分類 近半個(gè)世紀(jì)以來，特別是近30年來，隨著地應(yīng)力測量工作的不斷開展，各種測量方法和測量儀器也不斷發(fā)展起來。就世界范圍而言，目前主要測量方法有數(shù)十種之多，而對測量方法的分類并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前各國采用和正在研究的測定地應(yīng)力的方法主要有：應(yīng)力解除法，水壓致裂法，鉆孔鋸法，非彈性應(yīng)變恢復(fù)法等。利用從鉆孔中采取的巖芯實(shí)驗(yàn)室測量方法有：變形率分析，Kaiser效應(yīng)法，微

15、分應(yīng)變曲線分析等。近年來發(fā)展的有超聲波檢測原巖應(yīng)力的方法等。根據(jù)測量手段的不同，將地應(yīng)力測量方法分為五大類，即：構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法、放射性法。根據(jù)測量原理可分為三大類：第一類是以測定巖體中的應(yīng)變、變形為依據(jù)的力學(xué)法，如應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法及水壓致裂法等；第二類是以測量巖體中聲發(fā)射、聲波傳播規(guī)律、電阻率或其他物理量的變化為依據(jù)的地球物理方法，如聲發(fā)射法、X射線法；第三類是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和井下巖體破壞狀況提供的信息確定應(yīng)力方向。按測試空間分為鉆孔內(nèi)測試及洞內(nèi)測試和洞內(nèi)鉆孔測試。鉆孔中的測試又分為孔徑變形法和孔壁應(yīng)變法。按照測量數(shù)據(jù)特點(diǎn)，地應(yīng)力測量方法可分為絕對地

16、應(yīng)力測量和相對地應(yīng)力測量。絕對地應(yīng)力是要獲得地殼應(yīng)力原有的應(yīng)力值，也就是巖層主應(yīng)力的大小和方向；相對地應(yīng)力是獲得工程開挖前后巖體應(yīng)力所發(fā)生的相對變化值或者規(guī)律。根據(jù)國內(nèi)外多數(shù)人的觀點(diǎn)，依據(jù)測量基本原理的不同，將測量方法分為間接測量和直接測量法兩大類。直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，如補(bǔ)償應(yīng)力、恢復(fù)應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的互相關(guān)系，通過計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值，在計(jì)算過程中不涉及不同物理量的換算，不需要知道不需要知道巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法均屬直接測量法。其中，水壓致裂法在目前的應(yīng)用最為廣泛，聲發(fā)射法次之。間

17、接測量法不是直接測量應(yīng)力值，而是借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應(yīng)變，巖體的密度、滲透性、吸水性、電阻、電容的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式，計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。因此，在間接測量法中，為了計(jì)算應(yīng)力值，首先必須確定巖體的某些物理力學(xué)性質(zhì)以及所測物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系。套孔應(yīng)力解除法和其它應(yīng)力或應(yīng)變解除方法以及地球物理方法等是間接法中較常用的。其中,套孔應(yīng)力解除法是目前國內(nèi)外最普遍采用的發(fā)展較為成熟的一種地應(yīng)力測量方法。3.1 應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力恢復(fù)法是基于向壁面內(nèi)部解除以水平方向的槽的同時(shí)，隨之

18、壁面附近的應(yīng)力被解除，應(yīng)力狀態(tài)也得到恢復(fù)的原理。在側(cè)墻的表面或者壁面上找一完整的部位，預(yù)先在解除槽的上下部位安裝兩個(gè)測量元件，然后進(jìn)行槽的解除。在進(jìn)行率定試驗(yàn)時(shí)，向槽內(nèi)埋設(shè)壓力枕，對巖體進(jìn)行施壓，使巖體的應(yīng)力達(dá)到應(yīng)變沒有解除前的狀態(tài)，等巖體的應(yīng)力狀態(tài)完全恢復(fù)，這時(shí)測得的壓力枕的大小就是巖體原來受到的應(yīng)力。通過應(yīng)力恢復(fù)后測量的應(yīng)力和應(yīng)變就可根據(jù)彈性力學(xué)推算出測試點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。 如圖所示，當(dāng)洞室里側(cè)墻表面圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力為，水平方向?yàn)闀r(shí)，就能通過應(yīng)力恢復(fù)法計(jì)算得到。應(yīng)力恢復(fù)法中應(yīng)用最廣泛的是扁千斤頂法，扁千斤頂是由兩塊薄鋼板沿周邊焊接在一起而形成的，在周邊處有一個(gè)油壓入口和一個(gè)出氣閥，扁千斤頂?shù)臏y

19、量示意圖如圖1所示：圖1 扁千斤頂應(yīng)力測量示意圖 扁千斤頂法的測量步驟如下所示： （1）在準(zhǔn)備測量應(yīng)力的巖石表面安裝兩個(gè)測量柱，并用微米表測量二柱之間的距離； （2）在與兩個(gè)測量柱對稱的中間位置向巖體內(nèi)開挖一個(gè)垂直于測量柱連線的扁槽，槽的大小、形狀和厚度需要和扁千斤頂一致，一般槽的厚度為520mm，由盤鋸切割而成。由于扁槽的開挖造成局部應(yīng)力釋放并引起測量柱之間的距離變化，測量并記錄這一變化； （3）將扁千斤頂完全塞入槽內(nèi)，必要時(shí)需注漿將扁千斤頂和巖石膠結(jié)在一起，然后將電動(dòng)或手動(dòng)液壓泵向其加壓。隨著壓力的增加，測量柱之間的增大。當(dāng)測量柱之間的距離恢復(fù)到扁槽開挖之前的大小時(shí)，停止加壓，記錄下此時(shí)扁

20、千斤頂中的壓力，該壓力稱為平衡壓力或者補(bǔ)償壓力，等于扁槽開挖前表面巖體中垂直于扁千斤頂方向，也即平行于兩測量柱連線方向的應(yīng)力。對于普通千斤頂，特別是面積較小的扁千斤頂，由于周邊焊接圈的影響，由液壓泵施加到扁千斤頂中的壓力高于扁千斤頂作用于巖體上的壓力，為此，在測量之前，需先在實(shí)驗(yàn)室中對扁千斤頂進(jìn)行標(biāo)定。扁千斤頂法早期表面應(yīng)力恢復(fù)法的的代表，是一種一維應(yīng)力測量方法，一個(gè)扁千斤頂?shù)臏y量只能確定測點(diǎn)處垂直于扁千斤頂方向的應(yīng)力分量，為了確定該測點(diǎn)的六個(gè)應(yīng)力分量就必須要在該點(diǎn)處沿著不同的方向切割六個(gè)扁槽，而這是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)楸獠鄣南嗷ブ丿B將造成不同方向測量結(jié)果的互相干擾，使之變得毫無意義。由于扁千斤

21、頂測量只能在巷道、洞室或者其他開挖體表面附近的巖體中進(jìn)行，因而其測量的是一種受開挖擾動(dòng)的次生應(yīng)力場，而非原巖應(yīng)力場。同時(shí)，扁千斤頂?shù)臏y量原理是基于巖石完全是線彈性的假設(shè)，對于非線性巖體，其加載和卸載路徑的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是不同的，由扁千斤頂測得的平衡應(yīng)力并不等于扁槽開挖前巖體中的應(yīng)力。此外，由于開挖的影響，各種開挖體表面的巖體會(huì)受到不同程度的損壞，這些都會(huì)造成測量結(jié)果的誤差。扁千斤頂法在20世紀(jì)50年代應(yīng)用較為廣泛，現(xiàn)在已很少用于地應(yīng)力測量，但在礦山中仍被作為監(jiān)測礦柱和圍巖應(yīng)力變化的一種方法3.2 水壓致裂法20世紀(jì)50年代由哈伯特、威利斯在理論上進(jìn)行論證了水水壓致裂法，60年代由夏德格、凱利、費(fèi)

22、爾赫斯特等加以完善，海姆森等分析了壓裂液滲入的影響,并作大量野外和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工作。 由于操作簡便,且無須知道巖石的彈性參量，水壓致裂法得到廣泛應(yīng)用。 根據(jù)彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)一個(gè)位于無限體中的鉆孔收到無窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場的作用時(shí)，距離鉆孔端部一定距離的部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)，在這些部位，鉆孔周邊的應(yīng)力為： 其中的和分別為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；為周邊一點(diǎn)與軸的夾角。當(dāng)時(shí)，取得極小值，此時(shí)如果采用圖中的水壓致裂系統(tǒng)將鉆孔某段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，當(dāng)水壓超過巖石抗拉強(qiáng)度與之和之和之和，在處，也即所在方位將發(fā)生孔壁開裂，設(shè)鉆孔壁發(fā)生初始開裂時(shí)的水壓為，則如果繼續(xù)向封隔段注入高壓水，使裂隙

23、進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑時(shí)，此時(shí)已經(jīng)接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為，則應(yīng)和原巖應(yīng)力平衡，亦即。由上述可知，只要測出巖石的抗拉強(qiáng)度，即可由和求出和，這樣和的大小和方向就全都確定了。在鉆孔中存在裂隙水的情況下，如果封隔段處的裂隙水壓力為，則有要求出和，需要知道封隔段的巖石抗拉強(qiáng)度，這往往是很困難的。為了克服這一困難，在水壓致裂試驗(yàn)中增加一個(gè)環(huán)節(jié)，即在初始裂隙產(chǎn)生之后，將水壓卸除，使得裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開，記裂隙重新打開時(shí)的壓力為，則這樣由上式求解時(shí)，不需要知道巖石的抗拉強(qiáng)度參數(shù)。因此，水壓致裂法測量原巖應(yīng)力將不設(shè)計(jì)巖石的物理力學(xué)

24、性質(zhì)，而完全由測量和記錄的壓力值來決定。由以上可知，水壓致裂法對地應(yīng)力測量的測試原理基于三個(gè)基本假設(shè)：（1）地殼巖石是線性均勻、各向同性的彈性體；（2）巖石為多孔介質(zhì)時(shí)，流體在孔隙內(nèi)的流動(dòng)符合達(dá)西定律；（3）主應(yīng)力方向中有一個(gè)應(yīng)力方向與鉆孔的軸向平行。向封閉的鉆孔內(nèi)注入高壓水，當(dāng)壓力達(dá)到最大值后，鉆孔井壁會(huì)發(fā)生破裂導(dǎo)致井內(nèi)壓力下降，為維持裂隙保持張開狀態(tài)，孔內(nèi)壓力最終會(huì)達(dá)到恒定值，不再注入后，孔內(nèi)壓力迅速下降，裂隙發(fā)生愈合，之后壓力降低速度變慢，其臨界值為瞬時(shí)關(guān)閉壓力，完全卸壓后再重新注液，得到裂隙的重張壓力以及瞬時(shí)關(guān)閉壓力，最后通過由儀器記錄裂縫的方向。水壓致裂法的儀器如圖所示：水壓致裂法的

25、測量步驟為：（1）打孔到準(zhǔn)備測量應(yīng)力的部位，將鉆井中待加壓段用封隔器密封起來，鉆孔直徑與所選用的封隔器的直徑相一致，封隔器一般是充壓膨脹式的，充壓可以液體，也可用氣體。（2）向兩個(gè)封隔器的隔離段注射高壓水，不斷加大水壓，直至孔壁出現(xiàn)開裂，獲得初始開裂壓力；然后繼續(xù)施加水壓以擴(kuò)張裂隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)張至3倍直徑深度時(shí)，關(guān)閉高水壓系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時(shí)的應(yīng)力稱為關(guān)閉壓力，記為，最后卸壓，使裂隙閉合。給封隔器加壓和給封閉段注射高壓水可共用一個(gè)液壓回路，一般情況下，利用鉆桿作為液壓通道，先給封隔器加壓，然后關(guān)閉封隔器進(jìn)口，經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)，將管路接通至鉆孔密封段加壓，也可采用雙回路，即給封隔器加壓和水壓致裂的

26、回路是相互獨(dú)立的，水壓致裂的液壓通道是鉆桿，而封隔器加壓通道為高壓軟管。在整個(gè)加壓過程中，同時(shí)記錄壓力-時(shí)間曲線圖和流量-時(shí)間曲線圖，使用適當(dāng)?shù)姆椒◤膲毫?時(shí)間曲線圖中可以確定和；從流量-時(shí)間曲線圖中可以判斷裂隙擴(kuò)展的深度。（3）重新向密封段注射高壓水，使裂隙重新打開并記下裂隙重開時(shí)的壓力，和隨后的恒定關(guān)閉壓力為。這種卸壓-加載的過程重復(fù)兩三次，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。和同樣由壓力-時(shí)間曲線和流量-時(shí)間曲線確定。（4）將封隔器完全卸壓，連同加壓管等全部設(shè)備從鉆孔中取出。（5）測量水壓致裂列些和鉆孔試驗(yàn)段天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小，測量可以采用井下攝影機(jī)、井下電視、井下光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或印模器。

27、前三種方法代價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，使用印模器則比較簡單實(shí)用，印模器的結(jié)構(gòu)和形狀與封隔器相似，在其外面包裹一層可塑性橡皮或者類似材料，將印模器連同加壓管路一起送人井下的水壓致裂部位，然后將印模加壓膨脹，以便使鉆孔上的所有節(jié)理裂隙均印在印模器上，此印痕可保持足夠的時(shí)間，以便提至井上之后記錄下來，印模器裝有定向系統(tǒng)，以確定裂隙的方位。在一般情況下，水壓致裂裂隙為一組徑向相對的縱向裂隙，很容易辨認(rèn)出來。水壓致裂法最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠測量深部應(yīng)力，已見報(bào)道的最大測量深度為5km，這是其他方法所不能做到的，因此這種方法可用來測量深部地殼的構(gòu)造應(yīng)力場，同時(shí)，對于某些工程，例如露天邊坡工程，由于沒有現(xiàn)成的地下巷道、

28、隧道等可用來接近應(yīng)力測量點(diǎn)，或者在地下工程的前期階段，需要估計(jì)該過程區(qū)域的地應(yīng)力場，也只有使用水壓致裂法才是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。否則，如果使用其他更為精確的方法例如應(yīng)力解除法，則需要首先打幾百米深的導(dǎo)洞才能接近測點(diǎn)，那么經(jīng)濟(jì)上將是十分昂貴的。因此對于一些重要的地下工程，在工程前期階段使用水壓致裂法估計(jì)應(yīng)力場，在工程施工過程中或者工程完成后，再使用應(yīng)力解除法比較精確地測量某些測點(diǎn)的應(yīng)力大小和方向，就能為工程設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供比較準(zhǔn)確可靠的地應(yīng)力場數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的水壓致裂法應(yīng)力測量理論和方法是建立在彈性力學(xué)平面應(yīng)變理論的基礎(chǔ)之上的，它的前提是原地應(yīng)力場中的兩個(gè)主應(yīng)力方向構(gòu)成一個(gè)平面，而第三個(gè)主應(yīng)力是與這兩

29、個(gè)主應(yīng)力垂直的。利用一個(gè)鉛直井孔進(jìn)行水壓致裂應(yīng)力測量得到兩個(gè)水平主應(yīng)力的大小和方向，而垂向主應(yīng)力的值是由巖石的密度按靜巖壓力計(jì)算得出。傳統(tǒng)水壓致裂法采用最大單軸張應(yīng)力的破裂準(zhǔn)則，沒有考慮軸向應(yīng)力迄和徑向應(yīng)力該對孔壁四周圍巖的約束效應(yīng)。切向應(yīng)力傀隨液壓不斷增大，由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力狀態(tài)，再由張應(yīng)力逐漸增大達(dá)到圍巖抗拉強(qiáng)度，井壁四周圍巖沿剪切方向產(chǎn)生破裂。因此，鉆孔壓裂段井壁上只能產(chǎn)生平行于井孔軸向的縱向破裂縫。這時(shí)壓裂段的液壓就達(dá)到破裂壓力。傳統(tǒng)水壓致裂法地應(yīng)力測量方法存在的不足是：只能確定鉆孔橫截面上的二維應(yīng)力狀態(tài)，地應(yīng)力場的一個(gè)主應(yīng)力方向與井孔軸向平行的情況很少。在利用水壓致裂法進(jìn)行三維地應(yīng)

30、力測量時(shí)，需要在三個(gè)不同方向的井孔中分別進(jìn)行測量，在測量過程中破裂處的井壁圍巖，是在張一張一壓或張一壓一壓的三維應(yīng)力狀態(tài)下破裂的，并不符合最大單軸張應(yīng)力破裂準(zhǔn)則的應(yīng)力條件。實(shí)際應(yīng)用中存在的兩大主要問題：（1）在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造或在山區(qū)峽谷等復(fù)雜地貌條件下，鉆孔方向一般并非主應(yīng)力方向，如果不假定主應(yīng)力方向那么測試結(jié)果對實(shí)際生產(chǎn)用處不大；（2）傳統(tǒng)水壓致裂法確定的鉆孔橫截面上最大和最小的應(yīng)力值中，最大應(yīng)力精度差，最小應(yīng)力精度高，因此測試結(jié)果的整體精度達(dá)不到要求精度。一些學(xué)者就三維地應(yīng)力測量解釋進(jìn)行了卓有成效的探討，在不同方向的3個(gè)或3個(gè)以上鉆孔內(nèi)，采用完整巖石段的常規(guī)壓裂實(shí)驗(yàn)，來測量三維地應(yīng)力狀態(tài)的三

31、孔交匯水壓致裂法來解決第一個(gè)問題。三維地應(yīng)力測量理論采用最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進(jìn)行水壓致裂法三維地應(yīng)力測量，其理論模型可以客觀地反映水壓致裂過程中誘發(fā)破裂產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)制。根據(jù)線彈性理論，當(dāng)鉆孔內(nèi)承受液體壓力時(shí)，孔壁上某一點(diǎn)(鉆孔極系坐標(biāo)系下極角為)的最小主應(yīng)力可以表示為原地應(yīng)力張量、內(nèi)水壓力和的函數(shù)。當(dāng)原地應(yīng)力張量和鉆孔空間方位為定值時(shí)，則孔壁上的最小主應(yīng)力表現(xiàn)為隨極角變化的正弦曲線。在水壓致裂應(yīng)力測試過程中，隨著向密閉的試驗(yàn)段持續(xù)泵進(jìn)流體，最小主應(yīng)力隨內(nèi)水壓力的增加而不斷減小，直至由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓘垜?yīng)力。當(dāng)鉆孔孔壁某一方位角處的首先達(dá)到該處的巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，則形成誘發(fā)破裂，此時(shí)的流體壓力為（即破裂

32、壓力），記錄了破裂方位。采用最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進(jìn)行水壓致裂三維地應(yīng)力測量時(shí)，該方法在理論上是可行的，還可以避免由于采用最小切向應(yīng)力準(zhǔn)則可能帶來的誤差。由于傳統(tǒng)水壓致裂法測量關(guān)閉壓力比較準(zhǔn)確，且不對地應(yīng)力方向和孔隙水壓力作任何假設(shè)，通過該方法獲得的測量結(jié)果是接近真實(shí)的，此外由于測量鉆孔的方向和深度不受限制，適用于巖石比較破碎、完整性較差和原生裂隙比較發(fā)育的巖體。傳統(tǒng)水壓致裂法與三維地應(yīng)力各有優(yōu)點(diǎn)，相比較而言，傳統(tǒng)水壓致裂法發(fā)展得比較成熟，雖然適用條件要求比較苛刻，但是精度比較高，三維地應(yīng)力方法是最近發(fā)展起來的適用條件比較廣泛的一種新理論，雖然適用范圍比較廣，但是缺乏嚴(yán)密的理論依據(jù)，測量精度比較差

33、。水壓致裂法從測量理論上來說是一種地應(yīng)力近似估算方法，其測量精度本身就受到限制，比較適用于其他方法難于完成的深孔地應(yīng)力測量。聲發(fā)射法1953年，德國學(xué)者Kaiser在研究多晶金屬材料的聲發(fā)射特性時(shí)，受單向拉伸的金屬材料，只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到其先期最大應(yīng)力值時(shí)才會(huì)有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，而當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到歷史最高水平，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，這一現(xiàn)象為Kaiser效應(yīng)。1963年，Goodman證實(shí)了巖石也具有Kaiser效應(yīng)，為測量地應(yīng)力提供了一個(gè)新方法，國內(nèi)外眾多巖石力學(xué)學(xué)者、研究人員應(yīng)用巖石聲發(fā)射進(jìn)行了大量的地應(yīng)力測量研究試驗(yàn)，取得了顯著的成果。Yoshikawa和Mogi等通過試驗(yàn)研究了巖石聲發(fā)射現(xiàn)象與巖石

34、受荷載歷史關(guān)系，提出了巖石內(nèi)裂紋延伸和擴(kuò)張的非粘性活動(dòng)。Li. C.等根據(jù)大量試驗(yàn)確證了巖石Kaiser效應(yīng)，同時(shí)提出了巖石聲發(fā)射試驗(yàn)評價(jià)巖石損傷狀況的方法，展望了巖石聲發(fā)射技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用前景。聲發(fā)射法是在Kaiser效應(yīng)的基礎(chǔ)上來測定地應(yīng)力的一種方法，也稱之為Kaiser效應(yīng)法，其原理是材料受到外載荷作用之后，材料內(nèi)部會(huì)將儲存的應(yīng)變就會(huì)釋放出來，材料釋放形式為彈性波，在應(yīng)變釋放的過程中就會(huì)發(fā)出聲響，就可以測量材料內(nèi)部的應(yīng)力值，稱之為聲發(fā)射。當(dāng)測量巖體破裂時(shí)，每一次的裂縫擴(kuò)張，就引起能量的一次釋放，產(chǎn)生一次聲發(fā)射。此時(shí)的傳感器就接收到一次聲發(fā)射信號，產(chǎn)生一個(gè)聲發(fā)射波，這就叫一次聲發(fā)射事

35、件。通常，通過對儀器輸出波形的處理之后才能得到聲發(fā)射表征參數(shù)，也就是通過對聲發(fā)射事件大小和發(fā)生頻率有關(guān)的參數(shù)及一個(gè)單一事件或者一組事件的頻譜有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行描述得到，最常用的參數(shù)為：累計(jì)活動(dòng):在一定的時(shí)間范圍內(nèi)聲發(fā)射發(fā)生的次數(shù)；聲發(fā)射率:在單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射事件的次數(shù)；聲發(fā)射幅度:在觀測時(shí)間的任意時(shí)間某一次聲發(fā)射的最大振幅；聲發(fā)射能量:任意時(shí)間聲發(fā)射事件振幅的平方；聲發(fā)射累計(jì)能:在一定時(shí)間內(nèi)所有聲發(fā)射時(shí)間的聲發(fā)射能量之和；聲發(fā)射能率:觀測單位時(shí)間內(nèi)所有事件的聲發(fā)射能量之和。而所謂的Kaiser效應(yīng)就是多晶金屬的內(nèi)部從最高應(yīng)力瞬間釋放后，然后又重新對其進(jìn)行加載，當(dāng)沒有達(dá)到先前最高應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很小的

36、聲發(fā)射，當(dāng)達(dá)到或者超過先前最高應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射，這種能夠記憶巖石所承受過的最大應(yīng)力的效應(yīng)就叫做Kaiser效應(yīng)52，從聲發(fā)射較少的部位到聲發(fā)射較大的部位過度點(diǎn)叫Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，如圖所示。試驗(yàn)時(shí)，在6米深度的原巖應(yīng)力區(qū)取巖芯，在每一個(gè)方向取1525個(gè)巖芯，之后將巖芯制作成圓筒狀，并且在每個(gè)試件都要磨出一個(gè)放探頭的平面，由于試件的兩端可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中或者摩擦等會(huì)影響到接受信號，需在試件端部加兩層聚氯乙烯和橡膠皮片。測試裝備包括壓力試驗(yàn)機(jī)、前置放大器、輸入鑒別器、函數(shù)記錄儀等。試驗(yàn)步驟如下：（1）在試件的上下部位分別安裝一個(gè)傳感器，并將試件放在試驗(yàn)機(jī)上加壓，檢測系統(tǒng)如圖所示；（2）

37、然后從傳感器中的電信號通過放大、鑒別之后的信號就被送入定區(qū)檢測單元；（3）定區(qū)檢測單元發(fā)出的信號直接送入計(jì)數(shù)控制單元；（4）計(jì)數(shù)控制單元將采樣時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)出聲發(fā)射模擬量和數(shù)字量分別送到記錄儀、顯示器中顯示或者打印；試件1, 2一上、下壓頭；3, 4一傳感器A, B； 5, 6一前置發(fā)大器A, B；7, 8一輸入鑒別單元A,B； 9一定區(qū)檢測單元；10一計(jì)數(shù)控制單元A； 11一計(jì)數(shù)控制單元B；12一壓機(jī)油路壓力傳感器；13一壓力電信號轉(zhuǎn)換儀器；14一三筆函數(shù)記錄儀；15一試件聲發(fā)射法不僅可以通過測定獲得地應(yīng)力的大小，還可以對巖心進(jìn)行定向來獲取原地應(yīng)力方向，常規(guī)的聲發(fā)射方法能較好的對地層表面的地應(yīng)

38、力進(jìn)行測量。勞動(dòng)量小，可以保持研究巖體的完整性，在同一地點(diǎn)或者多區(qū)進(jìn)行多次測量。但聲發(fā)射法不適合地層深處的探測，因?yàn)楫?dāng)在巖芯在3000米以上的深度取得時(shí)，利用常規(guī)聲發(fā)射方法對巖芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往在還沒有達(dá)到Kaiser點(diǎn)時(shí)，巖芯就己發(fā)生破壞，同時(shí)伴有聲音發(fā)出，此時(shí)采集到的信號就不是聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的發(fā)出的信息，所以無法用這種方法對深部地層進(jìn)行測量。由于聲發(fā)射需要彈性波作介質(zhì)，因而就多適用在強(qiáng)度較高的脆性巖體中，因而具有多孔隙、低強(qiáng)度的巖石以及塑性巖體也不具有明顯的Kaiser效應(yīng)，因此測量松軟的巖體不適采用聲發(fā)射法。使用范圍比較局限，對于較松軟的巖體則不適用，精度比較低。應(yīng)力解除法應(yīng)力解

39、除法的基本原理是當(dāng)測定巖體中的某點(diǎn)的地應(yīng)力時(shí)，就應(yīng)人為地把該點(diǎn)巖體與周圍巖體相分離，該巖體就會(huì)發(fā)生彈性變形，此時(shí)，該點(diǎn)巖體上的應(yīng)力就會(huì)被解除。同時(shí)，此單元體的幾何尺寸將逐漸得到恢復(fù)。用一定的測量儀器，測定此彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且假設(shè)巖體是連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，且加載和卸載時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系是相同的，并具有等同的函數(shù)值，于是就可以借助彈性理論的解答來計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力解除法是發(fā)展時(shí)間最長，技術(shù)上比較成熟的地應(yīng)力測量方法，能夠客觀地反映巖體內(nèi)部地應(yīng)力的狀況，測量精度比較高，可靠性比較高，適用于現(xiàn)有礦山的巷道和洞室里。但這種方法測量地點(diǎn)是很有局限性的，在運(yùn)用技術(shù)上也存在一

40、些困難。應(yīng)力解除法按照應(yīng)變或者變形可分為孔徑變形法、孔底應(yīng)變法、孔壁應(yīng)變法。應(yīng)力解除法下面的分支中的每一種方法，其基本原理是建立在應(yīng)力解除法的基礎(chǔ)上因在測量的部位或者運(yùn)用測量元件上的不同得到的。其中孔壁應(yīng)變法可單孔準(zhǔn)確測量巖體的三維地應(yīng)力，但要求巖體完整性好且測量元件受溫度、空氣濕度等各方面影響較大；孔徑變形法因測量元件不與孔壁接觸，因此可以排除孔壁變形法存在的缺點(diǎn)，該方法具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、周期短等優(yōu)點(diǎn)；孔底應(yīng)變法對巖體的完整性要求低、測試成功率高但在我國的影響度較低，且適合測量二維應(yīng)力；孔壁應(yīng)變法是將應(yīng)變片粘貼在孔壁上，通過應(yīng)力解除前后孔壁變形來計(jì)算地應(yīng)力的一種方法。根據(jù)測量時(shí)運(yùn)用的應(yīng)

41、變計(jì)不同，將孔壁應(yīng)變法又分為兩種：第一種是一般的鉆孔三向應(yīng)變計(jì)，它是將電阻應(yīng)變片直接粘貼在孔壁上。這種方法測量精度高，但步驟復(fù)雜，成功率較低；第二種是空腔包體式應(yīng)變計(jì)，它是將應(yīng)變片粘貼在預(yù)先制定好的塑膠筒內(nèi)，粘貼之后，外面再澆注一層環(huán)氧樹脂做成應(yīng)變計(jì)。采用這種應(yīng)變計(jì)能達(dá)到一次鉆孔的一次測量就可以確定巖體三維地應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)變計(jì)具有能在巖性較差的裂隙較多的地質(zhì)環(huán)境中測量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有操作簡單、測量成功率較高等優(yōu)點(diǎn)，深受廣泛應(yīng)用?；诟姆椒ㄔ谑澜绺鲊技喊l(fā)展較成熟?？讖阶冃畏讖阶冃畏ㄊ峭ㄟ^測量應(yīng)力解除過程中鉆孔直徑的變化而計(jì)算出垂直于鉆孔軸線的平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，并可通過三個(gè)互不平行鉆孔的測

42、量確定一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。 測量孔徑變形的儀器很多，其中最著名的是美國礦山局的孔徑變形計(jì)，是于20世紀(jì)60年代研制出來的，其結(jié)構(gòu)如圖所示，其探測頭是六個(gè)圓頭活塞，兩個(gè)徑向相對的活塞測量一個(gè)直徑方向的變形，被測的三個(gè)直徑方向互相間隔60。每個(gè)活塞由一個(gè)懸臂梁式的彈簧施加壓力，以使其和孔壁保持接觸，在懸臂彈簧的正反面各貼一支電阻應(yīng)變片。應(yīng)力解除前將變形計(jì)擠壓進(jìn)鉆孔中，以便兩個(gè)活塞頭之間有0.5mm左右的預(yù)壓變形，并使變形計(jì)能夠固定在測點(diǎn)部位。應(yīng)力解除時(shí)，鉆孔直徑膨脹，預(yù)壓變形得到釋放，懸臂彈簧的彎曲變形發(fā)生變化，這一變化由電阻應(yīng)變片探測并通過儀器記錄下來。彈簧正反兩面變形相反，一面是拉伸，一面是壓

43、縮，兩支應(yīng)變片的讀書相加，使測量精度提高一倍。徑向相對的兩個(gè)懸臂彈簧上的四支應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯通電橋的全橋電路，自身解決了溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}，也大大有利于提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。通過標(biāo)定試驗(yàn)可以確定兩個(gè)活塞頭之間的徑向變形和懸臂彈簧上的應(yīng)變片所測讀書之間的關(guān)系。孔徑應(yīng)變計(jì)的適用孔徑為3640mm，增加或減少活塞中的墊片，可以改變其適用孔徑的大小。 根據(jù)應(yīng)力解除過程中測得的孔徑變形可以計(jì)算得到原巖應(yīng)力場。設(shè)鉆孔位于三維無限體中，鉆孔的局部坐標(biāo)系為，鉆孔軸線和軸相平行，則孔徑變形和局部坐標(biāo)系下的三維應(yīng)力分量之間的關(guān)系為， 式中，為鉆孔直徑，為孔徑方向和之間的夾角，從軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到孔徑方向?yàn)檎?；為巖石的彈

44、性模量，為巖石的泊松比。 、和可通過三維應(yīng)力場的轉(zhuǎn)軸公式轉(zhuǎn)換成整體坐標(biāo)系下的方程，一個(gè)鉆孔中只有三個(gè)孔徑方向是獨(dú)立的，即一個(gè)鉆孔測量只能得到三個(gè)獨(dú)立方程，而三個(gè)方程中的六個(gè)未知數(shù)是不可能求解的，因此一個(gè)鉆孔的孔徑變形測量不能確定一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。兩個(gè)互不平行的鉆孔測量也只能得到五個(gè)獨(dú)立方程，故而只有通過相交于一點(diǎn)的三個(gè)互不平行鉆孔的孔徑變形測量才能求得一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。測量時(shí)可設(shè)地球坐標(biāo)系為整體坐標(biāo)系，每一個(gè)鉆孔設(shè)一個(gè)局部坐標(biāo)系，只要三個(gè)局部坐標(biāo)系和整體坐標(biāo)系的方向關(guān)系已知，三個(gè)局部坐標(biāo)系下的測量值均可通過轉(zhuǎn)軸公式轉(zhuǎn)換為整體坐標(biāo)系下的表達(dá)式，從而解處整體坐標(biāo)系下的六個(gè)應(yīng)力分量。 如果只進(jìn)行

45、一個(gè)鉆孔的孔徑變形測量，則可通過以下公式求出垂直于鉆孔軸線的平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，式中，為互相間隔60的三個(gè)孔徑方向的變形值；為和之間的夾角，從逆時(shí)針到為正。垂直鉆孔軸線的平面內(nèi)的孔徑變形和應(yīng)力狀態(tài)示意圖 為了求得原巖應(yīng)力值，需要知道巖石的彈性模量和泊松比。在一般的巖石力學(xué)研究中，均取圓柱形或者立方體巖石試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測定彈性模量和泊松比的值，即通過對套孔巖芯加圍壓，并通過孔徑變形計(jì)測量圍巖-孔徑變形曲線，由此確定彈性模量值，這就保證了這是真正測點(diǎn)的巖石彈性模量和泊松比值，計(jì)算公式為： 式中，為圍壓值，為所測得的由圍壓引起的平均徑向變形值，、分別為套孔巖芯的外徑和內(nèi)徑。 為了求得泊松比，可在套

46、孔巖芯上貼軸向應(yīng)變片，測得的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變之比即為巖石的泊松比值?？讖阶冃畏ㄒ笤谀塬@得完整巖芯的巖體中進(jìn)行，且需要三個(gè)鉆孔才能獲得一點(diǎn)的三維應(yīng)力分量。但是這種方法具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、周期短等優(yōu)點(diǎn)?？椎讘?yīng)變法在巖體的測點(diǎn)處先鉆一個(gè)平底鉆孔，并在孔底處粘貼一應(yīng)變傳感器，鉆出巖芯將可使孔底的平面完全卸載，如圖4.6所示，之后通過獲得卸載的平面后的恢復(fù)應(yīng)變以及巖石的彈性常量方可求出孔底處的平面的應(yīng)力狀態(tài)。該方法的進(jìn)行只需要一個(gè)很小的巖芯，因此對于有裂隙的巖石也可采用這種方法。在進(jìn)入測試現(xiàn)場之前的準(zhǔn)備工作，除了一些測量設(shè)施和設(shè)備外；應(yīng)對測量儀器進(jìn)行安全測定。測試步驟如下：（1）準(zhǔn)備好一臺鉆機(jī)，

47、并進(jìn)行測試地點(diǎn)的選擇；（2）開動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行平底鉆，鉆到測量部位停止；（3）在孔底處粘貼一應(yīng)變片，作為應(yīng)變傳感器；（4）再以平底鉆時(shí)的孔徑繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆到預(yù)定的深度就停止；（5）每隔十分鐘向鉆孔中沖水，連續(xù)進(jìn)行三次，這三次的讀數(shù)值之差不超過，就認(rèn)為是穩(wěn)定的，就可以開鉆解除應(yīng)力；（6）在解除的過程中，每鉆進(jìn)2cm，讀一下鋼環(huán)的值并且記錄，進(jìn)行到30cm時(shí)，若之前的長度內(nèi)連續(xù)兩次前后測量讀數(shù)不超過，就認(rèn)為是穩(wěn)定的，于是停止鉆進(jìn)；（7）取出鉆具和巖芯。（8）在室內(nèi)測定巖芯的彈性模量和泊松比，就可套用公式將主應(yīng)力的大小和方向算出?？椎讘?yīng)變法不需要很長的套孔巖芯，對巖體的完整性要求不高，對于破碎的巖體也適用，

48、大量實(shí)驗(yàn)也證明測試成功率比較高，但也存在很多的缺點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)變片粘貼在孔底時(shí)只能獲得平面應(yīng)力，不能直接得到三維應(yīng)力，必須通過在三個(gè)互不平行的方向進(jìn)行測量才能獲得三維應(yīng)力狀態(tài)?？妆趹?yīng)變法 在三維應(yīng)力場作用下，一個(gè)無限體中的鉆孔表面及周圍的應(yīng)力狀態(tài)可以由現(xiàn)代彈性理論給出精確解。通過應(yīng)力解除測量鉆孔表面的應(yīng)變即可求出鉆孔表面的應(yīng)力進(jìn)而精確地計(jì)算出原巖應(yīng)力的狀態(tài)，據(jù)此原理研制出了孔壁應(yīng)變計(jì)。 當(dāng)鉆孔受到無窮遠(yuǎn)處的三維應(yīng)力場作用時(shí)，孔邊的圍巖應(yīng)力分布如下圖所示 孔壁為平面應(yīng)力狀態(tài)，只有三個(gè)應(yīng)力分量，因此鉆孔孔壁同一截面上的三個(gè)不同母線位置粘帖應(yīng)變花(45型，總共不少于三個(gè)應(yīng)變花9個(gè)應(yīng)變片)，當(dāng)應(yīng)力解除后，孔

49、壁產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。每組應(yīng)變花的測量結(jié)果可得到4個(gè)方程，三組應(yīng)變花共有12個(gè)方程，其中至少有6個(gè)獨(dú)立方程，據(jù)此可以求解出原巖應(yīng)力的6個(gè)分量。 空腔包體應(yīng)變計(jì)法 地應(yīng)力的測量技術(shù)隨著一代代前輩在工程實(shí)踐中的發(fā)展，伴隨著地應(yīng)力測量儀器也被一次次的革新，但這一次次的發(fā)展與革新不是偶然的。在20世紀(jì)60年代中期之前，地應(yīng)力的測量水平只處于最初的平面地應(yīng)力測量階段，也就是對一點(diǎn)在某一剖面上的應(yīng)力狀態(tài)的分析。但在這之后，隨著各個(gè)學(xué)科的進(jìn)步，三維地應(yīng)力測量技術(shù)逐漸發(fā)展起來。1963年以后，世界各國出現(xiàn)了各種各樣的鉆孔三向應(yīng)變計(jì)，在1976年的澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織資源開發(fā)研究CSIRO型空心包體式鉆孔

50、三向應(yīng)變計(jì)。該方法測量簡單，成功率高，能適應(yīng)地質(zhì)條件比較差的巖體，而且試驗(yàn)周期也比較短，己被世界各國廣泛采用。我國于20世紀(jì)的80年代對空腔包體應(yīng)變測量進(jìn)行研究，之后在地質(zhì)力學(xué)研究所等一大批學(xué)者的努力下研制成功了YH3B-4型空心包體應(yīng)變計(jì)，最終以KX-81，KX-2003，CKX-97， CKX-O1型空心包體等展示于世，并在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。2001年廣東惠州抽水蓄能電站的地下廠房以及飲水系統(tǒng)淺埋段運(yùn)用空心包體式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行鉆孔地應(yīng)力測量，取得滿意成果。空腔包體應(yīng)變計(jì)的最深測量深度可以達(dá)到365米，以己經(jīng)突破了套芯應(yīng)力解除法應(yīng)力測量在國內(nèi)的最深紀(jì)錄。在2004年，邱賢德等研究學(xué)者把

51、空腔包體應(yīng)變計(jì)和完全溫度補(bǔ)償技術(shù)以及自動(dòng)化實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)結(jié)合起來取得了卓越的成果，為分析工程的設(shè)計(jì)以及施工提供了重要的依據(jù)。在一般的地應(yīng)力測量方法中，需要進(jìn)行對鉆孔三個(gè)方向進(jìn)行測量，而鉆孔孔壁測量法只需對鉆孔進(jìn)行一次測量便可獲得巖體三個(gè)方向的地應(yīng)力狀態(tài)。目前，孔壁應(yīng)變法的的應(yīng)變計(jì)有兩種形式:一是普通的鉆孔三向應(yīng)變計(jì)，其就是把測量元件電阻絲應(yīng)變片直接粘貼到鉆孔孔壁上，這種方法要求被測巖體的完整性比較好，測量精度高，但操作復(fù)雜，測量成功率低。二是空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)，這種方法是把應(yīng)變片粘貼到預(yù)制的環(huán)氧樹脂薄筒上，然后再在其外層澆注一層薄薄的環(huán)氧樹脂制作成應(yīng)變計(jì)，在測量時(shí)，為了把應(yīng)變計(jì)與巖壁貼合，

52、在應(yīng)變計(jì)與鉆孔巖壁之間充填環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘接，這種方法操作簡單，即使是完整性比較差的巖體也可以進(jìn)行測量，成功率也很高，己被廣泛應(yīng)用?？涨话w應(yīng)變計(jì)的制作材料是環(huán)氧樹脂，應(yīng)變片的布置比傳統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)有所優(yōu)化，除了傳統(tǒng)的3組由三個(gè)應(yīng)變片組成的應(yīng)變從外，又單獨(dú)設(shè)計(jì)了三個(gè)應(yīng)變片，總共12個(gè)應(yīng)變片，一次測量能得到12個(gè)觀測值方程。因此現(xiàn)在空腔包體應(yīng)變計(jì)的制作過程首先先澆注一個(gè)35mm空心圓筒，然后在規(guī)定的位置把應(yīng)變片貼好，也就是在同一圓周粘貼三組應(yīng)變花，這三組應(yīng)變花之間相隔120，每一組應(yīng)變花由四個(gè)應(yīng)變片組成，四個(gè)應(yīng)變片相隔45，之后在外面澆注一層環(huán)氧樹脂己達(dá)到36mm?？涨话w應(yīng)變計(jì)安裝時(shí)，空腔包體應(yīng)變

53、計(jì)與鉆孔孔壁之間的粘接劑是灌注其內(nèi)腔的環(huán)氧樹脂，使用時(shí)，環(huán)氧樹脂由一個(gè)帶錐形頭的柱塞將其擠出，讓其流入應(yīng)變計(jì)與孔壁之間的環(huán)形槽中，直至環(huán)形槽充滿，等環(huán)氧樹脂固化之后，可將應(yīng)變計(jì)牢固的粘貼孔壁上，這是一份十分細(xì)致的工作，對樹脂和固化劑的配比較嚴(yán)格，如果配比不合適，影響傳感器的穩(wěn)定性，溫度控制不好就會(huì)導(dǎo)致空腔包體應(yīng)變計(jì)制作的失敗。圖4.3和圖4.4為傳感器中應(yīng)變器的布置方式，在傳感器中有3組直角應(yīng)變花，且在同一圓周等分分布，每組應(yīng)變花由4片應(yīng)變片組成。由于空腔包體只是鉆孔應(yīng)力解除法應(yīng)用中的其中一個(gè)應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)的不同，測量方法就會(huì)不一樣，可以說是在鉆孔應(yīng)力解除法的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)或者研究的另一個(gè)方向，其測量的基本原理和鉆孔應(yīng)力解除的是很相似的。應(yīng)力解除過程如圖4. 5 0（1）打大孔：在選中的巖層中，用鉆機(jī)在水平方向進(jìn)行鉆孔，當(dāng)孔打到預(yù)期測量地點(diǎn)時(shí)停止。其中鉆孔的方向一般向上傾斜3-5度，以方便清洗孔內(nèi)污垢容易流出。（2）打錐形孔：換錐形鉆頭，并在孔底打錐形孔，其作用是起到一個(gè)定位以及保證后期要打的小孔與大孔同心。（3）打小孔：換一個(gè)36mm小鉆頭，把該鉆孔探到孔底處，并在外部的鉆桿處做一標(biāo)記，并進(jìn)行打小孔