第6章巖體應力測試

1、Hohai UniversityHohai University巖土工程科學研究所巖土工程科學研究所孔綱強孔綱強2011年12月Hohai UniversityHohai University第六章第六章 巖體應力測試巖體應力測試 巖體應力泛指巖體內(nèi)部存在的應力。在天然狀態(tài) 下，巖體內(nèi)部存在的應力，稱為巖體初始應力、 天然應力或巖體原始應力，在地質(zhì)學中通常都稱 為地應力。 巖體應力來自巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造運動、地形勢、 剝蝕作用和封閉應力等五個方面，主要組成成分 為巖體自重應力和地質(zhì)構(gòu)造應力。 （1 1）自重應力。）自重應力。HzHyx 式中 側(cè)壓系數(shù)，可根據(jù)半無限體側(cè)向變形 為零的條件求得，即

2、)1/(（2 2）構(gòu)造應力。）構(gòu)造應力。 地質(zhì)構(gòu)造應力一般認為是水平向作用力。假定 地質(zhì)構(gòu)造應力S為沿水平軸x方向作用，即坐標 軸x、y、z都與應力場的主方向一致，它隨深 度的變化如圖6-1所示Hohai UniversityHohai UniversityHohai UniversityHohai University圖6-1 自重應力場的變化（3 3）巖體初始應力場。）巖體初始應力場。 巖體初始應力場為巖體自重引起的應力場與地 質(zhì)構(gòu)造運動引起的應力場的疊加，它隨深度的變化 如圖6-2所示圖6-2 地質(zhì)構(gòu) 造應力 場的變 化規(guī)律Hohai UniversityHohai University

3、 第一節(jié)第一節(jié) 孔壁應變法測試孔壁應變法測試Hohai UniversityHohai University1.11.1 孔壁應變法的套孔應力解除技術示意圖如圖6-3 所示，鉆孔套心過程就是圍巖應力釋放過程， 測量套孔前后中心孔孔壁應變的變化量，計算 出測點處巖體的應力狀態(tài)。1.21.2 CJS-1型鉆孔三向應變計是典型淺孔孔壁應變 計，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-4所示，應變片布置如 圖6-5所示圖6-3 套孔應力解除過程Hohai UniversityHohai UniversityHohai UniversityHohai University圖6-4 CJS-1型鉆孔三向應變計結(jié)構(gòu)圖6- 5

4、CJS-1型鉆孔三向應變計應變片布置形式Hohai UniversityHohai University1.31.3 CKX-97型空心包體式鉆孔三向應變計結(jié)構(gòu)示意 如圖6-6所示，CKX-97型空心包體式鉆孔三向應 變計應變片的布置示意如圖6-7所示。Hohai UniversityHohai University圖6- 6 CKX-97型空心包體式鉆孔三向應變計結(jié)構(gòu)1.4 1.4 深孔水下孔壁應變計。深孔水下孔壁應變計。 深孔水下孔壁應變計結(jié)構(gòu)示意如圖6-8所示Hohai UniversityHohai University圖6- 7 CKX-97型空心包體式鉆孔三向應變計應變片的布置Ho

5、hai UniversityHohai University圖6- 8 深孔水下孔壁應變計結(jié)構(gòu) （一）測點布置；（一）測點布置； （二）地質(zhì)描述（二）地質(zhì)描述; ; （三）主要儀器設備（三）主要儀器設備; ; （四）測試準備應符合規(guī)定（四）測試準備應符合規(guī)定; ; （五）孔壁應變計的安裝（五）孔壁應變計的安裝; ; Hohai UniversityHohai University1.6 1.6 測試方法：測試方法：（六）孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準（六）孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準（七）巖心圍壓試驗應符合規(guī)定（七）巖心圍壓試驗應符合規(guī)定Hohai UniversityHohai University巖

6、芯圍壓率定器如圖6-9 按照彈性理論厚壁筒應力分析方法推導出彈性模量 的計算公式為： Hohai UniversityHohai UniversityzE21prrrBHH2222其中， 、 分別為圍壓率定器施加圍壓時巖心 發(fā)生的切向應變和軸向應變； 、 分 別為試驗巖心的外半徑和內(nèi)半徑；p為圍壓。當把巖心圍壓試驗作為平面問題處理時，上式可以簡化為：pE2zHrBr（八）測試結(jié)果整理及測試記錄。（八）測試結(jié)果整理及測試記錄。 圖6- 10 巖芯應力解除全過程曲線Hohai UniversityHohai University 1.7 1.7 實測數(shù)據(jù)整理分析實測數(shù)據(jù)整理分析 1.1.坐標系及測

7、量元件序號規(guī)定坐標系及測量元件序號規(guī)定 2.2.鉆孔方向應符合規(guī)定鉆孔方向應符合規(guī)定 3.3.測量元件序號應符合規(guī)定測量元件序號應符合規(guī)定 4.4.鉆孔坐標系同大地坐標系的轉(zhuǎn)換鉆孔坐標系同大地坐標系的轉(zhuǎn)換 Hohai UniversityHohai UniversityHohai UniversityHohai University圖6- 11 鉆孔坐標系與大地坐標系的相對關系Hohai UniversityHohai University鉆孔坐標系各坐標軸相對大地坐標系的方向余弦 1.8 1.8 關鍵技術問題關鍵技術問題 （一）套心解除速率的要求； （二）應變計的制作； （三）黏結(jié)劑的配制；

8、 （四）鉆孔機具的選配； （五）二次儀表的配置和標定。 Hohai UniversityHohai University 第二節(jié)第二節(jié) 孔底應變法測試孔底應變法測試Hohai UniversityHohai University鉆孔孔底應變計結(jié)構(gòu)如圖6-12所示，應變片布置如圖6-13所示圖6- 12 鉆孔孔底應變計結(jié)構(gòu)示意圖圖6- 13 孔底應變計 應變片布置 2.2 2.2 測試方法測試方法（一）測點布置及地質(zhì)描述；（一）測點布置及地質(zhì)描述；（二）主要儀器設備及測試準備工作；（二）主要儀器設備及測試準備工作； Hohai UniversityHohai University 孔底應變法應力

9、解除示意如圖6-14所示。Hohai UniversityHohai University圖6- 14 孔底應變法應力解除示意圖（三）應變計安裝；（三）應變計安裝；（四）測試及穩(wěn)定標準；（四）測試及穩(wěn)定標準；（五）巖心圍壓試驗、測試成果整理及測試記錄。（五）巖心圍壓試驗、測試成果整理及測試記錄。Hohai UniversityHohai University 第三節(jié)第三節(jié) 孔徑變形法測試孔徑變形法測試 典型的鉆孔變形計有國家地震局地表應力研究所研 制的YJ-81型壓磁式應力計和中國科學院武漢巖土 所研制的36-2型鋼環(huán)式變形計，見圖6-15和圖6-16Hohai UniversityHohai

10、 University圖6- 15 YJ-81型壓磁式應力計結(jié)構(gòu)示意Hohai UniversityHohai University圖6- 16 26-2型鋼環(huán)式變形結(jié)構(gòu)示意Hohai UniversityHohai University 3.2 3.2 測試方法測試方法（一）測點布置及地質(zhì)描述（一）測點布置及地質(zhì)描述（二）主要儀器設備（二）主要儀器設備 （三）測試準備（三）測試準備（四）壓磁應力計安裝（四）壓磁應力計安裝（五）壓磁應力計法的測試及穩(wěn)定標準（五）壓磁應力計法的測試及穩(wěn)定標準（六）壓磁應力計法測試成果整理（六）壓磁應力計法測試成果整理uSKw式中 K 元件率定系數(shù)； Sw 圍壓器

11、單位壓力MPa； 儀器讀數(shù)差各元件率定系數(shù)按下式計算：uHohai UniversityHohai University ( (七）四分量鋼環(huán)式變形計安裝七）四分量鋼環(huán)式變形計安裝（八）四分量鋼環(huán)式變形計法的測試及穩(wěn)定標準（八）四分量鋼環(huán)式變形計法的測試及穩(wěn)定標準 圖 6-17 孔徑變形法應力解除應變?nèi)^程曲線 （4）解除過程鉆孔孔徑變形同鉆進深度變化曲線 如圖6-17所示。每條曲線最終都要趨于穩(wěn)定。Hohai UniversityHohai University （九）四分量鋼環(huán)式鉆孔變形計法測試成果整理（九）四分量鋼環(huán)式鉆孔變形計法測試成果整理 各元件率定系數(shù)按下式計算：iiiSK式中 元

12、件i的率定系數(shù)1/mm 各元件的應變值； 孔徑變形量，mm。 鉆孔徑向變形按下式計算：iiniKd0式中 鉆孔徑向變形，mm； i 測試元件的序號； 元件i的初始應值； 元件i的最終穩(wěn)定應變值。 iKiiSdi0niHohai UniversityHohai University 第四節(jié)第四節(jié) 水壓致裂法測試水壓致裂法測試4.1水壓致裂法主要設備由三部分組成：鉆孔承壓段 的封隔系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)。水壓致裂法地應力測量場景見圖6-18圖 6-18 水壓 致裂 法實 測現(xiàn) 場Hohai UniversityHohai University 4.2 4.2 測試方法測試方法 （一）（一） 鉆孔

13、測試段布置鉆孔測試段布置 （二）主要儀器設備（二）主要儀器設備 （三）測試準備（三）測試準備 （四）測試步驟（四）測試步驟 （五）測試成果整理（五）測試成果整理Hohai UniversityHohai University圖 6-19 水壓致裂過程與工程巖體應力的關系Hohai UniversityHohai University 巖體應力計算公式：shPS tbhHPPSS0303PPSSrhH式中： SH、Sh鉆孔橫斷面上的大、小平面主應力 Pb巖體破裂單位壓力，MPa； P0巖體孔隙單位壓力，MPa； 巖體抗力強度，MPa； Ps瞬間關閉單位壓力，MPa; Pr瞬間關閉單位壓力，MPa

14、;tHohai UniversityHohai University 第五節(jié)第五節(jié) 表面應變法測試表面應變法測試5.1 本測試方法包括兩種：表面應力解除法和表面 應力恢復法。圖6- 20 表面應力解除法布置 圖6-21 恢復法液壓枕及應變計 5.2 5.2 表面應力解除法表面應力解除法 （一）測區(qū)布置（一）測區(qū)布置（二）主要儀器和設備（二）主要儀器和設備（三）測試準備（三）測試準備（四）儀器安裝（四）儀器安裝（五）解除法測試及穩(wěn)定標準（五）解除法測試及穩(wěn)定標準（六）解除法測試成果整理（六）解除法測試成果整理Hohai UniversityHohai University（1）采用電阻片應變計時按下式計算：Hohai UniversityHohai University式中