應(yīng)力測(cè)量原理與技術(shù).

1、主講人：季明主講人：季明中國(guó)礦業(yè)大學(xué)本科教學(xué)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)本科教學(xué)7 77 7p 7.1 巖體中的自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力巖體中的自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力p 7.2 地應(yīng)力分布的基本規(guī)律地應(yīng)力分布的基本規(guī)律p 7.3 地應(yīng)力的直接測(cè)量法地應(yīng)力的直接測(cè)量法p 7.4 地應(yīng)力的間接測(cè)量法地應(yīng)力的間接測(cè)量法7 7p 巖石是地球表層的物質(zhì)在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里由于地巖石是地球表層的物質(zhì)在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因使地殼物質(zhì)質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因使地殼物質(zhì)產(chǎn)生產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，這了內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，這種應(yīng)力稱(chēng)為地應(yīng)力。它是地殼應(yīng)力的統(tǒng)稱(chēng)。巖石中的種應(yīng)力稱(chēng)為地應(yīng)力。它是地殼應(yīng)力的統(tǒng)稱(chēng)。巖石中的內(nèi)應(yīng)力是在內(nèi)應(yīng)力是在不斷變化不

2、斷變化的應(yīng)力效應(yīng)作用下產(chǎn)生和保存的應(yīng)力效應(yīng)作用下產(chǎn)生和保存的在一定時(shí)間和一定地區(qū)內(nèi)地殼中的應(yīng)力狀態(tài)是的在一定時(shí)間和一定地區(qū)內(nèi)地殼中的應(yīng)力狀態(tài)是各各種起源種起源和特性的綜合作用的結(jié)果。巖體中存在地應(yīng)力和特性的綜合作用的結(jié)果。巖體中存在地應(yīng)力是客觀事實(shí)，因此研究巖石內(nèi)部的是客觀事實(shí)，因此研究巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)無(wú)疑對(duì)巖無(wú)疑對(duì)巖石工程來(lái)說(shuō)是十分重要的石工程來(lái)說(shuō)是十分重要的。7 7p 研究巖石應(yīng)力狀態(tài)的目的在于正確認(rèn)識(shí)巖石的力學(xué)性研究巖石應(yīng)力狀態(tài)的目的在于正確認(rèn)識(shí)巖石的力學(xué)性能，闡明圍巖的破壞機(jī)理，充分能，闡明圍巖的破壞機(jī)理，充分利用利用和發(fā)揮圍巖的自和發(fā)揮圍巖的自承能力使工程設(shè)計(jì)更加合理安全和

3、經(jīng)濟(jì)。承能力使工程設(shè)計(jì)更加合理安全和經(jīng)濟(jì)。7 7p 基本基本概念概念（1）地應(yīng)力：）地應(yīng)力：英語(yǔ)英語(yǔ)名稱(chēng)：名稱(chēng)：virgin stress of rock (rock mass) initial stress of rock (rock mass)指指存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力。也。也稱(chēng)原巖稱(chēng)原巖應(yīng)力、初始應(yīng)力。應(yīng)力、初始應(yīng)力。7 7p 基本基本概念概念（2）原巖：）原巖：英文英文名稱(chēng)：名稱(chēng)：virgin/initial rock 指指未受采掘影響的天然巖體。未受采掘影響的天然巖體。 （3）原巖應(yīng)力場(chǎng)：）原巖應(yīng)力場(chǎng)：英文英文名稱(chēng)：名稱(chēng)：virgin

4、/initial stress field of rock指指原巖應(yīng)力在巖體內(nèi)的分布。原巖應(yīng)力在巖體內(nèi)的分布。7 7p 基本基本概念概念（4）自重應(yīng)力：）自重應(yīng)力：英文英文名稱(chēng)：名稱(chēng)：gravity stress 指指由于上覆巖層重力引起的應(yīng)力由于上覆巖層重力引起的應(yīng)力。也。也稱(chēng)巖重應(yīng)力稱(chēng)巖重應(yīng)力。（5）構(gòu)造應(yīng)力：）構(gòu)造應(yīng)力：英文英文名稱(chēng)：名稱(chēng)：tectonic stress 指指由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體中形成的應(yīng)力由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體中形成的應(yīng)力。也。也稱(chēng)巖重應(yīng)稱(chēng)巖重應(yīng)力。力。7 77 7魏格納大陸漂移說(shuō)（魏格納大陸漂移說(shuō)（1910）2億年前億年前的的地球地球5000萬(wàn)年前的地球萬(wàn)年前的地球

5、1億年前的地球億年前的地球1.7億年前的地球億年前的地球7 7圖中國(guó)圖中國(guó)板塊主應(yīng)力跡線圖板塊主應(yīng)力跡線圖7 7圖圖7-1 7-1 巖塊所在位置及其應(yīng)力狀態(tài)巖塊所在位置及其應(yīng)力狀態(tài) 7 7p 地應(yīng)力形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)有關(guān)，包括：地應(yīng)力形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)有關(guān)，包括：板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入、地殼非均勻擴(kuò)容等。地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入、地殼非均勻擴(kuò)容等。p 溫度溫度不均勻、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學(xué)變不均勻、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學(xué)變化等也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)?；纫部梢鹣鄳?yīng)的應(yīng)力

6、場(chǎng)。p 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力和重力應(yīng)力是地應(yīng)力的主要組成部分。由于和重力應(yīng)力是地應(yīng)力的主要組成部分。由于原巖應(yīng)力場(chǎng)是分析開(kāi)采后空間周?chē)鷳?yīng)力重新分布原巖應(yīng)力場(chǎng)是分析開(kāi)采后空間周?chē)鷳?yīng)力重新分布的基的基礎(chǔ)礎(chǔ)，因此下面對(duì)自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力作重點(diǎn)的分析。，因此下面對(duì)自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力作重點(diǎn)的分析。 7 7p 垂直垂直自重應(yīng)力：自重應(yīng)力：p 水平水平自重應(yīng)力：自重應(yīng)力：金金尼克假說(shuō)：尼克假說(shuō)： p 海海姆假說(shuō)（靜水應(yīng)力狀態(tài)假說(shuō)）姆假說(shuō)（靜水應(yīng)力狀態(tài)假說(shuō)）1H231H 123H7 7p 自重應(yīng)力的特點(diǎn)：自重應(yīng)力的特點(diǎn)： （1）普遍存在；）普遍存在； （2）與埋藏深度成正比關(guān)系；）與埋藏深度成正比關(guān)系； （3）與

7、上覆巖層容重成正比關(guān)系。）與上覆巖層容重成正比關(guān)系。7 77 77 77 7p 構(gòu)造應(yīng)力的判別方法：構(gòu)造應(yīng)力的判別方法： （1）靜水應(yīng)力場(chǎng)與非靜水應(yīng)力場(chǎng)判別：）靜水應(yīng)力場(chǎng)與非靜水應(yīng)力場(chǎng)判別： （2）最大構(gòu)造主應(yīng)力作用方向的判別：）最大構(gòu)造主應(yīng)力作用方向的判別： p 看看巷道頂?shù)?、或不同方向巷道的破壞情況。巷道頂?shù)?、或不同方向巷道的破壞情況。7 7p 構(gòu)造應(yīng)力的判別方法：構(gòu)造應(yīng)力的判別方法：p （）靜水應(yīng)力場(chǎng)（）靜水應(yīng)力場(chǎng)與非靜水應(yīng)力場(chǎng)與非靜水應(yīng)力場(chǎng)判別判別。如果如果方位不同的方位不同的單一水單一水平巷道平巷道的周邊上，巖石破壞的程度的周邊上，巖石破壞的程度不同，而且不同，而且其破壞主要發(fā)生在其

8、破壞主要發(fā)生在巷道巷道頂板，或者頂板，或者主要在主要在巷道巷道兩幫。這種情況兩幫。這種情況說(shuō)明，巖體說(shuō)明，巖體巾的應(yīng)力巾的應(yīng)力呈非靜水狀態(tài)分布。呈非靜水狀態(tài)分布。7 7p 構(gòu)造應(yīng)力的判別方法：構(gòu)造應(yīng)力的判別方法：p （）最大（）最大構(gòu)造主應(yīng)力作用方向的判別。如果已經(jīng)確定應(yīng)力是非構(gòu)造主應(yīng)力作用方向的判別。如果已經(jīng)確定應(yīng)力是非靜水應(yīng)力分布則要靜水應(yīng)力分布則要進(jìn)一步進(jìn)一步確定最大壓應(yīng)力是作用在接近垂直的確定最大壓應(yīng)力是作用在接近垂直的方向還是作用在接近水平的方向。方向還是作用在接近水平的方向。為此，可為此，可對(duì)對(duì)未支護(hù)未支護(hù)的垂直巷的垂直巷道，如暗井、溜眼等進(jìn)行觀察和調(diào)查。如果整個(gè)周邊的巖石穩(wěn)定道，

9、如暗井、溜眼等進(jìn)行觀察和調(diào)查。如果整個(gè)周邊的巖石穩(wěn)定性相同則性相同則最大最大主壓應(yīng)力方向可能是垂直的。否則最大主壓應(yīng)主壓應(yīng)力方向可能是垂直的。否則最大主壓應(yīng)力方向就是水平的。力方向就是水平的。 7 7p 構(gòu)造應(yīng)力的判別方法：構(gòu)造應(yīng)力的判別方法：p 在在確定最大主壓應(yīng)力是作用在水平方向以后為了近似地確定這確定最大主壓應(yīng)力是作用在水平方向以后為了近似地確定這個(gè)方向的方位，在個(gè)方向的方位，在水平主水平主壓應(yīng)力比較大的情況下可根據(jù)垂直巷壓應(yīng)力比較大的情況下可根據(jù)垂直巷道中出現(xiàn)定向脆性破壞的資料，來(lái)確定水平主道中出現(xiàn)定向脆性破壞的資料，來(lái)確定水平主壓應(yīng)力壓應(yīng)力的大致方位。的大致方位。此外，還可利用環(huán)形水

10、平巷道此外，還可利用環(huán)形水平巷道(如車(chē)場(chǎng)等如車(chē)場(chǎng)等)的調(diào)查資料來(lái)判別水的調(diào)查資料來(lái)判別水平方向平方向最大主最大主壓應(yīng)力的方位：一股來(lái)說(shuō)當(dāng)巷道走向與最大主壓壓應(yīng)力的方位：一股來(lái)說(shuō)當(dāng)巷道走向與最大主壓應(yīng)力方向一致時(shí)頂板巖石不發(fā)生應(yīng)力方向一致時(shí)頂板巖石不發(fā)生破壞或破壞或破壞很小而在與這個(gè)破壞很小而在與這個(gè)應(yīng)力方向垂直的巷道中頂板呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的破壞。應(yīng)力方向垂直的巷道中頂板呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的破壞。7 7p 根據(jù)上述可知盡管不能認(rèn)為地殼內(nèi)的水平壓應(yīng)力到根據(jù)上述可知盡管不能認(rèn)為地殼內(nèi)的水平壓應(yīng)力到處都會(huì)超過(guò)垂直應(yīng)力但可以處都會(huì)超過(guò)垂直應(yīng)力但可以肯定肯定，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)地下巖體除受自重應(yīng)力作用

11、外還可能受到的地區(qū)地下巖體除受自重應(yīng)力作用外還可能受到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用。因此作用。因此，只有在地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，只有在地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單的地區(qū)，才能只考慮自重應(yīng)力的作用而不考慮構(gòu)造的地區(qū)，才能只考慮自重應(yīng)力的作用而不考慮構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)力。需要。需要指出的是，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)構(gòu)造指出的是，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的作用常常是巷道難以維護(hù)的重要原因應(yīng)力的作用常常是巷道難以維護(hù)的重要原因。構(gòu)造應(yīng)。構(gòu)造應(yīng)力力場(chǎng)目前只能通過(guò)觀測(cè)或用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行場(chǎng)目前只能通過(guò)觀測(cè)或用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究研究.7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律規(guī)律p 1、地應(yīng)力、地應(yīng)力是一個(gè)具有相

12、對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)它是時(shí)間和是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)它是時(shí)間和空間的函數(shù)。地應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三向不空間的函數(shù)。地應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓應(yīng)力場(chǎng)。三個(gè)主應(yīng)力的大小等壓應(yīng)力場(chǎng)。三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向和方向是隨著空間和時(shí)間而變化是隨著空間和時(shí)間而變化的，因而它是個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)的，因而它是個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)。地應(yīng)力在空間上的變化，小范。地應(yīng)力在空間上的變化，小范圍來(lái)看是不斷變化的，但就某個(gè)地區(qū)來(lái)講，地應(yīng)力的變化不大。圍來(lái)看是不斷變化的，但就某個(gè)地區(qū)來(lái)講，地應(yīng)力的變化不大。在地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)，地應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間變化明顯。在地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)

13、，地應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間變化明顯。7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律規(guī)律p 2、實(shí)測(cè)、實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上層巖層的垂直應(yīng)力基本等于上層巖層的重量。重量。圖圖7-3 世界各國(guó)垂世界各國(guó)垂直地應(yīng)力變化規(guī)律直地應(yīng)力變化規(guī)律(E.Hoek, E.T.Brown)7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律規(guī)律p 2、實(shí)測(cè)、實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上層巖層的垂直應(yīng)力基本等于上層巖層的重量。重量。7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律p 在世界多數(shù)地區(qū)并不存在真正的垂直應(yīng)力，即沒(méi)有一個(gè)主應(yīng)力的在世界多數(shù)地區(qū)并不存在真正的

14、垂直應(yīng)力，即沒(méi)有一個(gè)主應(yīng)力的方向完全與地表垂直。但在絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都發(fā)現(xiàn)確有一個(gè)主應(yīng)力方向完全與地表垂直。但在絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都發(fā)現(xiàn)確有一個(gè)主應(yīng)力接近于垂直方向，其與垂直方向的偏差不大于接近于垂直方向，其與垂直方向的偏差不大于20。這一事實(shí)說(shuō)。這一事實(shí)說(shuō)明，地應(yīng)力的垂直分量主要受重力的控制，但也受到其它因素的明，地應(yīng)力的垂直分量主要受重力的控制，但也受到其它因素的影響。影響。 7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律p （3）水平）水平地應(yīng)力普遍大于垂直地應(yīng)力。總結(jié)目前全世界地應(yīng)力地應(yīng)力普遍大于垂直地應(yīng)力。總結(jié)目前全世界地應(yīng)力實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)的結(jié)果的結(jié)果，說(shuō)明在淺層地殼，說(shuō)明在

15、淺層地殼中平均中平均水平應(yīng)力也普遍大于垂直應(yīng)水平應(yīng)力也普遍大于垂直應(yīng)力。垂直應(yīng)力在多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力較少數(shù)情況力。垂直應(yīng)力在多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力較少數(shù)情況下為下為中間中間主應(yīng)力只在個(gè)別情況下為最大主應(yīng)力。這再次說(shuō)明，水平方向主應(yīng)力只在個(gè)別情況下為最大主應(yīng)力。這再次說(shuō)明，水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)如板塊的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)如板塊移動(dòng)移動(dòng)、碰撞對(duì)地殼淺層地應(yīng)力的形成起控制作、碰撞對(duì)地殼淺層地應(yīng)力的形成起控制作用。用。 7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律p （）平均（）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加

16、而減小，但在水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，但在不同地區(qū)，變化的速度很不相同。不同地區(qū)，變化的速度很不相同。7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律圖圖7-4 世界各國(guó)平均世界各國(guó)平均水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度變化力的比值隨深度變化的規(guī)律圖的規(guī)律圖 7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律p （）（）最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系系。 Stephansson方程：方程：最大最大水平主應(yīng)力：水平主應(yīng)力：最小最小水平主應(yīng)力：水平主應(yīng)力

17、：7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律p （）（）最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性示出很強(qiáng)的方向性。7 7p 淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律p （）（）地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)持征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特巖體結(jié)構(gòu)持征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。別是地形和斷層的擾動(dòng)影響最大。7 7p 高地應(yīng)力區(qū)的若干特

18、征高地應(yīng)力區(qū)的若干特征p （1）巖芯餅化與地應(yīng)力差）巖芯餅化與地應(yīng)力差有關(guān)。有關(guān)。 餅狀巖芯即鉆探時(shí)取得的巖芯呈燒餅狀，一片片地破壞。餅狀巖芯即鉆探時(shí)取得的巖芯呈燒餅狀，一片片地破壞。 p （2）地下峒室施工過(guò)程中出現(xiàn)巖爆、）地下峒室施工過(guò)程中出現(xiàn)巖爆、剝離。剝離。 我國(guó)最大的煤與瓦斯突出：我國(guó)最大的煤與瓦斯突出：1975年發(fā)生在重慶天府三匯壩一年發(fā)生在重慶天府三匯壩一礦，突出煤巖礦，突出煤巖12780 t，瓦斯，瓦斯1400萬(wàn)萬(wàn)m3。p （3）隧洞、巷道、鉆孔的縮徑）隧洞、巷道、鉆孔的縮徑現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 隧道、巷道、鉆孔的縮徑現(xiàn)象，即嚴(yán)重變形現(xiàn)象，是軟巖流變或柔隧道、巷道、鉆孔的縮徑現(xiàn)象，即嚴(yán)

19、重變形現(xiàn)象，是軟巖流變或柔性剪切破壞的結(jié)果。性剪切破壞的結(jié)果。7 7p 高地應(yīng)力區(qū)的若干特征高地應(yīng)力區(qū)的若干特征p （4）邊坡上出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)臺(tái)階）邊坡上出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)臺(tái)階p 在在邊坡內(nèi)存在有軟弱夾層時(shí)，軟弱夾層的強(qiáng)度低、變形大邊坡內(nèi)存在有軟弱夾層時(shí)，軟弱夾層的強(qiáng)度低、變形大，因而，因而當(dāng)開(kāi)挖到軟弱夾層界面當(dāng)開(kāi)挖到軟弱夾層界面時(shí)時(shí)，下部下部巖石變形巖石變形小，而小，而上部巖層變形大，上部巖層變形大，從而出現(xiàn)了間距為從而出現(xiàn)了間距為l的臺(tái)階，這的臺(tái)階，這一錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象可由圖一錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象可由圖77的力學(xué)模型的力學(xué)模型來(lái)表示，圖中為軟弱夾層上覆連續(xù)巖層來(lái)表示，圖中為軟弱夾層上覆連續(xù)巖層厚度，厚度，t為為軟弱巖層的軟弱

20、巖層的抗剪強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度。7 7p 地應(yīng)力測(cè)量的基本原則和地應(yīng)力測(cè)量的基本原則和方法方法p 基本原則基本原則: （1）點(diǎn)測(cè)量原則；）點(diǎn)測(cè)量原則； （2）盡量少擾動(dòng)原則；）盡量少擾動(dòng)原則； （3）測(cè)點(diǎn)數(shù)量充足原則。）測(cè)點(diǎn)數(shù)量充足原則。7 7p 地應(yīng)力測(cè)量的基本原則和地應(yīng)力測(cè)量的基本原則和方法方法p 主要方法主要方法:p （1）直接測(cè)量法：由儀器直接測(cè)量和記錄各種應(yīng)力量，如補(bǔ)償）直接測(cè)量法：由儀器直接測(cè)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)力的相互應(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)力的相互關(guān)系，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。在計(jì)算過(guò)程中并不涉及不同物關(guān)系

21、，通過(guò)計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。在計(jì)算過(guò)程中并不涉及不同物理量的相互換算，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)理量的相互換算，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。系。p 扁千斤頂扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法是實(shí)際法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法是實(shí)際測(cè)量中較為廣泛應(yīng)用的四種直接測(cè)量法。測(cè)量中較為廣泛應(yīng)用的四種直接測(cè)量法。 7 7p 地應(yīng)力測(cè)量的基本原則和地應(yīng)力測(cè)量的基本原則和方法方法p 主要方法主要方法:p （2）間接測(cè)量法：是借助某些傳感元件或某些媒介，測(cè)量和記）間接測(cè)量法：是借助某些傳感元件或某些媒介，測(cè)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，

22、如巖體中的變形錄巖體中某些與應(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、電磁、電阻、電容的變或應(yīng)變，巖體的密度、滲透性、吸水性、電磁、電阻、電容的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測(cè)得的間接物理量的變化，化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測(cè)得的間接物理量的變化，通過(guò)已知的公式計(jì)算出巖體中的應(yīng)力值。通過(guò)已知的公式計(jì)算出巖體中的應(yīng)力值。p 在在間接測(cè)量法中，為了計(jì)算應(yīng)力值，首先必須確定巖體的某些物間接測(cè)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(cè)物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系等。理力學(xué)性質(zhì)以及所測(cè)物理量和應(yīng)力的相互關(guān)系等。7 7p 地應(yīng)力測(cè)量的基本

23、原則和地應(yīng)力測(cè)量的基本原則和方法方法p 地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)發(fā)展概況地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)發(fā)展概況p 1932年，美國(guó)勞倫斯（年，美國(guó)勞倫斯（R.S.Lieurace)在胡佛水壩下一個(gè)隧道中首在胡佛水壩下一個(gè)隧道中首次成功進(jìn)行地應(yīng)力的測(cè)量。次成功進(jìn)行地應(yīng)力的測(cè)量。p 20世紀(jì)世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)三維地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)。代表成果：南非三年代中期出現(xiàn)三維地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)。代表成果：南非三軸孔壁應(yīng)變計(jì)、澳大利亞三軸空心包體應(yīng)變計(jì)、美國(guó)水壓裂法。軸孔壁應(yīng)變計(jì)、澳大利亞三軸空心包體應(yīng)變計(jì)、美國(guó)水壓裂法。p 目前目前地應(yīng)力測(cè)量的最大深度已經(jīng)超過(guò)地應(yīng)力測(cè)量的最大深度已經(jīng)超過(guò)5000m。7 7p 地應(yīng)力測(cè)量的基本原則和地應(yīng)力測(cè)量

24、的基本原則和方法方法p 地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)發(fā)展概況地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)發(fā)展概況p 中國(guó)：中國(guó)：1964年武漢巖土力學(xué)研究所在湖北大冶進(jìn)行首次地應(yīng)力測(cè)年武漢巖土力學(xué)研究所在湖北大冶進(jìn)行首次地應(yīng)力測(cè)量；量；1966年在河北上堯縣建立第一個(gè)地應(yīng)力觀測(cè)站；年在河北上堯縣建立第一個(gè)地應(yīng)力觀測(cè)站；1980年在河年在河北易縣首次進(jìn)行水壓致裂應(yīng)力測(cè)量。地應(yīng)力測(cè)量最多的是地震、北易縣首次進(jìn)行水壓致裂應(yīng)力測(cè)量。地應(yīng)力測(cè)量最多的是地震、水利水電、采礦部門(mén)。水利水電、采礦部門(mén)。7 7p 扁千斤頂法扁千斤頂法p 扁扁干斤頂又稱(chēng)干斤頂又稱(chēng)“壓力枕壓力枕”，由兩塊薄鋼板沿周邊焊接在一起而成。，由兩塊薄鋼板沿周邊焊接在一起而成。在周邊

25、處有一個(gè)在周邊處有一個(gè)油壓入口油壓入口和一個(gè)出氣閥。和一個(gè)出氣閥。7 7p 扁千斤頂法扁千斤頂法p 測(cè)量步驟：測(cè)量步驟： 1、準(zhǔn)備測(cè)面，安裝二個(gè)測(cè)量柱，并用微米表測(cè)其距離；、準(zhǔn)備測(cè)面，安裝二個(gè)測(cè)量柱，并用微米表測(cè)其距離； 2、在、在與兩測(cè)柱對(duì)稱(chēng)的中間位置向巖體內(nèi)開(kāi)挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱與兩測(cè)柱對(duì)稱(chēng)的中間位置向巖體內(nèi)開(kāi)挖一個(gè)垂直于測(cè)量柱連線的扁槽槽的連線的扁槽槽的大小大小、形狀和厚度需和扁千斤頂相一致。一般槽、形狀和厚度需和扁千斤頂相一致。一般槽的厚度為的厚度為50 mm，由盤(pán)鋸切割而成。，由盤(pán)鋸切割而成。由于扁由于扁槽的開(kāi)挖，造成局槽的開(kāi)挖，造成局部應(yīng)力釋放并引起測(cè)量柱之間距離的變化測(cè)量井記錄這一

26、變化部應(yīng)力釋放并引起測(cè)量柱之間距離的變化測(cè)量井記錄這一變化。7 7p 扁千斤頂法扁千斤頂法p 測(cè)量步驟：測(cè)量步驟： 3、裝扁千斤頂、裝扁千斤頂；將；將扁千斤頂完全塞人槽內(nèi)必要時(shí)需注漿將扁扁千斤頂完全塞人槽內(nèi)必要時(shí)需注漿將扁千斤頂和巖石膠結(jié)在一起，然后用千斤頂和巖石膠結(jié)在一起，然后用電動(dòng)電動(dòng)或手動(dòng)液壓泵向其加壓。隨或手動(dòng)液壓泵向其加壓。隨著壓力的增加兩測(cè)量柱之間的距離辦增加。當(dāng)兩測(cè)量柱著壓力的增加兩測(cè)量柱之間的距離辦增加。當(dāng)兩測(cè)量柱之間之間的距的距離恢復(fù)到扁槽開(kāi)挖前的大小時(shí)停止加壓，記錄下此時(shí)扁千斤頂所離恢復(fù)到扁槽開(kāi)挖前的大小時(shí)停止加壓，記錄下此時(shí)扁千斤頂所示的壓力。該示的壓力。該壓力稱(chēng)為壓力稱(chēng)

27、為“平衡應(yīng)力平衡應(yīng)力”或或“補(bǔ)償應(yīng)力補(bǔ)償應(yīng)力”等于槽開(kāi)挖等于槽開(kāi)挖前表面巖體中垂直于扁千斤頂方向即平行前表面巖體中垂直于扁千斤頂方向即平行于兩于兩測(cè)量柱連線方向的應(yīng)測(cè)量柱連線方向的應(yīng)力。力。7 7p 扁千斤頂法扁千斤頂法p 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）一維測(cè)量方法；）一維測(cè)量方法； （2）只能在井巷開(kāi)挖表面進(jìn)行，測(cè)量的非原巖應(yīng)力場(chǎng)，而是受）只能在井巷開(kāi)挖表面進(jìn)行，測(cè)量的非原巖應(yīng)力場(chǎng)，而是受采動(dòng)擾動(dòng)的再生應(yīng)力場(chǎng)（采動(dòng)應(yīng)力）；采動(dòng)擾動(dòng)的再生應(yīng)力場(chǎng)（采動(dòng)應(yīng)力）； （3）以完全線彈性理論為基礎(chǔ)。）以完全線彈性理論為基礎(chǔ)。7 7p 剛性包體應(yīng)力計(jì)剛性包體應(yīng)力計(jì)法法p 剛性包體應(yīng)力計(jì)的主要組成部分是剛性包體應(yīng)力計(jì)

28、的主要組成部分是個(gè)由鋼、銅合金或其他硬質(zhì)個(gè)由鋼、銅合金或其他硬質(zhì)金屬材料制成的金屬材料制成的空心圓柱空心圓柱。在其中心部位有一個(gè)壓力傳感元件。在其中心部位有一個(gè)壓力傳感元件。測(cè)量時(shí)首先在測(cè)點(diǎn)打一鉆孔，然后將該圓柱測(cè)量時(shí)首先在測(cè)點(diǎn)打一鉆孔，然后將該圓柱擠壓進(jìn)擠壓進(jìn)鉆孔鉆孔中，以中，以使使圓柱和鉆孔保持緊密圓柱和鉆孔保持緊密接觸。理論接觸。理論分布表明，位于一個(gè)無(wú)限體中的分布表明，位于一個(gè)無(wú)限體中的剛性包體，當(dāng)周?chē)鷰r體中的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，在剛性包體中會(huì)產(chǎn)剛性包體，當(dāng)周?chē)鷰r體中的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，在剛性包體中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均勻分布的應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)的大小和巖體中的應(yīng)力變化生一個(gè)均勻分布的應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)的

29、大小和巖體中的應(yīng)力變化之間存在一定的比例關(guān)系。之間存在一定的比例關(guān)系。 7 7p 剛性包體應(yīng)力計(jì)剛性包體應(yīng)力計(jì)法法7 7p 剛性包體應(yīng)力計(jì)剛性包體應(yīng)力計(jì)法法p 根據(jù)剛性包體中壓力測(cè)試原理的不同剛性包體應(yīng)力計(jì)可分為液根據(jù)剛性包體中壓力測(cè)試原理的不同剛性包體應(yīng)力計(jì)可分為液壓式應(yīng)力計(jì)壓式應(yīng)力計(jì)、電阻、電阻應(yīng)變片式應(yīng)力計(jì)壓磁式應(yīng)力計(jì)、光彈應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變片式應(yīng)力計(jì)壓磁式應(yīng)力計(jì)、光彈應(yīng)力計(jì)、鋼弦應(yīng)力計(jì)等幾種。鋼弦應(yīng)力計(jì)等幾種。如下圖所如下圖所示是示是一種一種液壓式應(yīng)力計(jì)的結(jié)構(gòu)示意液壓式應(yīng)力計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖在該應(yīng)力計(jì)的中心槽中裝有油水混合液體，端部有一個(gè)圖在該應(yīng)力計(jì)的中心槽中裝有油水混合液體，端部有一個(gè)薄膜薄膜

30、。鉆孔周?chē)鷰r體中的壓力發(fā)生變化時(shí)引起剛性包體中的液壓發(fā)生鉆孔周?chē)鷰r體中的壓力發(fā)生變化時(shí)引起剛性包體中的液壓發(fā)生變化該變化被傳遞變化該變化被傳遞到薄膜到薄膜上，并由粘貼在該薄膜上的電阻應(yīng)變上，并由粘貼在該薄膜上的電阻應(yīng)變片將這種壓力變化測(cè)量出來(lái)。片將這種壓力變化測(cè)量出來(lái)。7 7p 剛性包體應(yīng)力計(jì)剛性包體應(yīng)力計(jì)法法液壓式應(yīng)力計(jì)示意圖液壓式應(yīng)力計(jì)示意圖p 剛性包體應(yīng)力計(jì)具有很高的穩(wěn)定性，但只能測(cè)量垂直于鉆孔平面剛性包體應(yīng)力計(jì)具有很高的穩(wěn)定性，但只能測(cè)量垂直于鉆孔平面的單向或雙向應(yīng)力變化情況，無(wú)法測(cè)量原巖應(yīng)力的單向或雙向應(yīng)力變化情況，無(wú)法測(cè)量原巖應(yīng)力7 7p 水壓致裂水壓致裂法法p 水壓致裂法在水壓致

31、裂法在20世紀(jì)世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于油田，通過(guò)在鉆井中制年代被廣泛應(yīng)用于油田，通過(guò)在鉆井中制造人工的裂隙來(lái)造人工的裂隙來(lái)提高石油提高石油的產(chǎn)量。哈伯持的產(chǎn)量。哈伯持)和威利斯在實(shí)踐中發(fā)和威利斯在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了水壓致裂致隙現(xiàn)了水壓致裂致隙和原巖應(yīng)力和原巖應(yīng)力之間的關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)又被負(fù)爾赫之間的關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)又被負(fù)爾赫斯待和海姆森用于地應(yīng)力測(cè)量。斯待和海姆森用于地應(yīng)力測(cè)量。7 7p 水壓致裂水壓致裂法法圖圖7-11 7-11 水壓致裂應(yīng)力原理水壓致裂應(yīng)力原理7 712122()cos2p 鉆孔周邊的切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力鉆孔周邊的切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力7 7p 水壓致裂水壓致裂法法圖圖7-12 水壓致裂應(yīng)

32、力測(cè)量系水壓致裂應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)示意圖統(tǒng)示意圖1.記錄儀記錄儀 2.高壓泵高壓泵 3.流量計(jì)流量計(jì) 4.壓力計(jì)壓力計(jì) 7.高壓高壓鋼管鋼管 6.高壓膠高壓膠管管 7.壓力表壓力表 8.泵泵 9.封封隔膜隔膜 10.壓裂段壓裂段 7 7p 水壓致裂水壓致裂法法圖圖7-13 水壓致裂試驗(yàn)壓力水壓致裂試驗(yàn)壓力-時(shí)間、流量時(shí)間、流量-時(shí)間曲線圖時(shí)間曲線圖p 2、測(cè)量步驟：、測(cè)量步驟：A 鉆孔，封隔加壓段；鉆孔，封隔加壓段；B 多循環(huán)注水測(cè)壓；多循環(huán)注水測(cè)壓；C 封隔器卸壓，回撤儀器；封隔器卸壓，回撤儀器；D 測(cè)量壓裂裂隙和天然裂隙測(cè)量壓裂裂隙和天然裂隙位置、方向。位置、方向。7 7p 水壓致裂水壓致裂法法

33、p 3、特點(diǎn)分析：、特點(diǎn)分析： （1）是一種二維應(yīng)力測(cè)量方法，只能測(cè)垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大）是一種二維應(yīng)力測(cè)量方法，只能測(cè)垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小和方向；主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小和方向； （2）以巖石連續(xù)、均勻和各向同性假設(shè)為條件，適用于完整脆性）以巖石連續(xù)、均勻和各向同性假設(shè)為條件，適用于完整脆性巖石中；巖石中； （3）能夠測(cè)量深部應(yīng)力。）能夠測(cè)量深部應(yīng)力。7 7p 聲發(fā)射法聲發(fā)射法p 1、測(cè)量原理、測(cè)量原理 p 材料材料在受到外載荷作用時(shí)，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈在受到外載荷作用時(shí)，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響，稱(chēng)為聲發(fā)射。性波，發(fā)生聲響，稱(chēng)

34、為聲發(fā)射。 p 多晶多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)、很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)、很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過(guò)歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做超過(guò)歷史最高水平后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象叫做Kaiser效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)為效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)為Kaiser點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。 7 7p 聲發(fā)射法聲發(fā)射法p 1、測(cè)量原理

35、、測(cè)量原理 p 實(shí)驗(yàn)證明，巖石也具有實(shí)驗(yàn)證明，巖石也具有Kaiser效應(yīng)效應(yīng)。所以。所以Kaiser效應(yīng)為測(cè)量巖石效應(yīng)為測(cè)量巖石應(yīng)力提供了一個(gè)途徑，即如果從原巖中取回定向的巖石試件，通應(yīng)力提供了一個(gè)途徑，即如果從原巖中取回定向的巖石試件，通過(guò)對(duì)加工的不同方向的巖石試件進(jìn)行加載聲發(fā)射試驗(yàn)，測(cè)定凱澤過(guò)對(duì)加工的不同方向的巖石試件進(jìn)行加載聲發(fā)射試驗(yàn)，測(cè)定凱澤點(diǎn)，即可找出每個(gè)試件以前所曾受到的最大應(yīng)力，并進(jìn)而求出取點(diǎn)，即可找出每個(gè)試件以前所曾受到的最大應(yīng)力，并進(jìn)而求出取樣點(diǎn)的原始樣點(diǎn)的原始(歷史歷史)三維應(yīng)力狀態(tài)。三維應(yīng)力狀態(tài)。 7 7p 聲發(fā)射法聲發(fā)射法p 2、 試件試件制備制備p 從從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔提取巖

36、石式樣，式樣在原環(huán)境狀態(tài)下應(yīng)力的方向必須現(xiàn)場(chǎng)鉆孔提取巖石式樣，式樣在原環(huán)境狀態(tài)下應(yīng)力的方向必須確定。為了確定測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)必須在該點(diǎn)的巖樣中沿六個(gè)確定。為了確定測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)必須在該點(diǎn)的巖樣中沿六個(gè)不同方向制備試件。不同方向制備試件。7 7p 聲發(fā)射法聲發(fā)射法圖圖7-14 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖1,2.上下壓頭；上下壓頭；3,4.換能器換能器A,B；5,6.前置放大器前置放大器A,B；7,8.輸入鑒別單元輸入鑒別單元A,B; 9.定區(qū)檢測(cè)單元；定區(qū)檢測(cè)單元； 10,11.計(jì)數(shù)控制單元計(jì)數(shù)控制單元A,B；12 壓機(jī)油路壓力傳感器；壓機(jī)油路壓力傳感器；13.壓力電信號(hào)轉(zhuǎn)換儀表

37、；壓力電信號(hào)轉(zhuǎn)換儀表；14.三筆函數(shù)記錄儀三筆函數(shù)記錄儀 7 7p 聲發(fā)射法聲發(fā)射法p 3、測(cè)量步驟：測(cè)量步驟： （1）試件準(zhǔn)備：測(cè)三維應(yīng)力狀態(tài)，須沿）試件準(zhǔn)備：測(cè)三維應(yīng)力狀態(tài)，須沿6個(gè)方向制備試件，每個(gè)個(gè)方向制備試件，每個(gè)方向方向1525塊。塊。 （2）聲發(fā)射測(cè)試：加載速率恒定。）聲發(fā)射測(cè)試：加載速率恒定。 （3）計(jì)算地應(yīng)力：）計(jì)算地應(yīng)力：7 7p 聲發(fā)射法聲發(fā)射法圖圖7-15 應(yīng)力應(yīng)力-聲發(fā)射事件試驗(yàn)曲線圖聲發(fā)射事件試驗(yàn)曲線圖7 7p 聲發(fā)射法聲發(fā)射法p 4、計(jì)算、計(jì)算地應(yīng)力地應(yīng)力p 由聲發(fā)射監(jiān)測(cè)所獲得的應(yīng)力聲發(fā)射事件數(shù)曲線，即可確定每次由聲發(fā)射監(jiān)測(cè)所獲得的應(yīng)力聲發(fā)射事件數(shù)曲線，即可確定每

38、次試驗(yàn)的凱澤點(diǎn)，并進(jìn)而確定該試件軸線方向先前收到的最大應(yīng)力試驗(yàn)的凱澤點(diǎn)，并進(jìn)而確定該試件軸線方向先前收到的最大應(yīng)力值。由個(gè)試件可獲得一個(gè)方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，六個(gè)方向值。由個(gè)試件可獲得一個(gè)方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，六個(gè)方向的應(yīng)力值即可確定取樣點(diǎn)的歷史最大三維應(yīng)力的大小和方向。的應(yīng)力值即可確定取樣點(diǎn)的歷史最大三維應(yīng)力的大小和方向。7 7p 聲發(fā)射法聲發(fā)射法p 5、特點(diǎn)、特點(diǎn)分析：分析： （1）最大歷史應(yīng)力與地應(yīng)力；）最大歷史應(yīng)力與地應(yīng)力； （2）不能測(cè)定比較軟弱疏松巖體中的應(yīng)力。）不能測(cè)定比較軟弱疏松巖體中的應(yīng)力。7 7p 套孔應(yīng)力解除套孔應(yīng)力解除法法p 套孔應(yīng)力解除法是發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)上比較成熟的一種地應(yīng)力

39、套孔應(yīng)力解除法是發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)上比較成熟的一種地應(yīng)力測(cè)量方法。測(cè)量方法。p 在在測(cè)定原巖應(yīng)力測(cè)定原巖應(yīng)力(絕對(duì)應(yīng)力絕對(duì)應(yīng)力)的適用性和可靠性方面，目前還沒(méi)有的適用性和可靠性方面，目前還沒(méi)有哪種方法可以和應(yīng)力解除法相比。哪種方法可以和應(yīng)力解除法相比。 7 7p 套孔應(yīng)力解除套孔應(yīng)力解除法法p 目前，應(yīng)力解除法已形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量程序，具體步騾目前，應(yīng)力解除法已形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量程序，具體步騾如下如下:第一第一步：從巖體表面。一般是從地下巷道、隧道、硐室或其他開(kāi)挖步：從巖體表面。一般是從地下巷道、隧道、硐室或其他開(kāi)挖體的表面向巖體內(nèi)部體的表面向巖體內(nèi)部打大孔打大孔，直至需要測(cè)量巖體應(yīng)力的部

40、位。大孔，直至需要測(cè)量巖體應(yīng)力的部位。大孔直徑為下一步即將打的用于安裝探頭的小孔直徑為下一步即將打的用于安裝探頭的小孔直徑直徑3倍倍以上。大孔深以上。大孔深度為度為巷遁、隧道或已開(kāi)挖硐室跨度的巷遁、隧道或已開(kāi)挖硐室跨度的25倍以上，從而保證測(cè)點(diǎn)是倍以上，從而保證測(cè)點(diǎn)是在未受巖體開(kāi)挖擾動(dòng)的在未受巖體開(kāi)挖擾動(dòng)的原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力區(qū)區(qū)。7 7p 套孔應(yīng)力解除套孔應(yīng)力解除法法第二步：從大孔底打同心第二步：從大孔底打同心小孔，供小孔，供安裝探頭安裝探頭用，用，小孔直徑由所選用小孔直徑由所選用的探頭直徑?jīng)Q定的探頭直徑?jīng)Q定，般為一般為一38mm。小孔深度一般為孔徑的小孔深度一般為孔徑的10倍左右，以保證小孔中

41、央部位處于倍左右，以保證小孔中央部位處于平面應(yīng)變平面應(yīng)變狀態(tài)。小孔打完后需放狀態(tài)。小孔打完后需放水沖洗水沖洗小孔，保證小孔，保證小孔沒(méi)有鐵屑和其他雜物。小孔沒(méi)有鐵屑和其他雜物。為此，鉆孔需為此，鉆孔需上傾上傾度。度。7 7p 套孔應(yīng)力解除套孔應(yīng)力解除法法第三步：用一套專(zhuān)用裝置將測(cè)量探頭如孔徑變形計(jì)、孔壁應(yīng)變計(jì)等第三步：用一套專(zhuān)用裝置將測(cè)量探頭如孔徑變形計(jì)、孔壁應(yīng)變計(jì)等安裝安裝(固定或膠結(jié)固定或膠結(jié))到小孔到小孔中央中央部位。部位。7 7p 套孔應(yīng)力解除套孔應(yīng)力解除法法第四步：用第一步打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔從而使小孔第四步：用第一步打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔從而使小孔周?chē)鷰r芯實(shí)現(xiàn)周?chē)?/p>

42、巖芯實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除應(yīng)力解除由于應(yīng)力解除引起的小孔變形或應(yīng)變由包由于應(yīng)力解除引起的小孔變形或應(yīng)變由包括測(cè)試探頭在內(nèi)的量測(cè)系統(tǒng)測(cè)定并括測(cè)試探頭在內(nèi)的量測(cè)系統(tǒng)測(cè)定并通過(guò)記錄儀通過(guò)記錄儀記錄下來(lái)。根據(jù)測(cè)得記錄下來(lái)。根據(jù)測(cè)得的小孔變形或應(yīng)變通過(guò)有關(guān)公式即可求出小孔周?chē)牡男】鬃冃位驊?yīng)變通過(guò)有關(guān)公式即可求出小孔周?chē)脑瓗r應(yīng)力原巖應(yīng)力狀態(tài)。狀態(tài)。7 7p 套孔應(yīng)力解除套孔應(yīng)力解除法法p 從從理淪上理淪上講，不管講，不管套孔的形狀和尺寸套孔的形狀和尺寸如何，套如何，套孔巖芯中的應(yīng)力都孔巖芯中的應(yīng)力都將完全被解除。將完全被解除。但是，若但是，若測(cè)量探頭對(duì)應(yīng)力解除過(guò)程中的小孔變形測(cè)量探頭對(duì)應(yīng)力解除過(guò)程中的小孔變形有

43、限制或有限制或約束，它們約束，它們就會(huì)對(duì)套孔巖芯中的應(yīng)力就會(huì)對(duì)套孔巖芯中的應(yīng)力釋放釋放產(chǎn)生產(chǎn)生影響，此影響，此時(shí)時(shí)就必須考慮套孔的形狀和大小。就必須考慮套孔的形狀和大小。7 7p 切槽局部應(yīng)力解除法切槽局部應(yīng)力解除法p 本節(jié)切槽局部應(yīng)力解除法只能實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的部分本節(jié)切槽局部應(yīng)力解除法只能實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的部分應(yīng)力解除。具體步應(yīng)力解除。具體步驟：驟：p (1)向巖體內(nèi)部打直徑為向巖體內(nèi)部打直徑為96mm的的鉆孔，直到鉆孔，直到需要測(cè)定應(yīng)力的需要測(cè)定應(yīng)力的部位，部位，若若有現(xiàn)成鉆孔有現(xiàn)成鉆孔可利用可利用則測(cè)試成本將更低則測(cè)試成本將更低。p (2)將一個(gè)包含金剛石鋸片和切向?qū)⒁粋€(gè)包含金剛石鋸片和切向(周向周向

44、)應(yīng)變傳感器的裝置預(yù)先固應(yīng)變傳感器的裝置預(yù)先固定在鉆孔中需測(cè)定在鉆孔中需測(cè)應(yīng)力應(yīng)力的部位的部位。p 3)利用風(fēng)動(dòng)壓力將切向應(yīng)變傳成器預(yù)壓固定在孔壁上非常取近利用風(fēng)動(dòng)壓力將切向應(yīng)變傳成器預(yù)壓固定在孔壁上非常取近切槽的切槽的部位，然后驅(qū)動(dòng)部位，然后驅(qū)動(dòng)鋸片在孔壁上開(kāi)出徑向鋸片在孔壁上開(kāi)出徑向槽，即槽，即該槽和鉆孔該槽和鉆孔中心位于同一平面中心位于同一平面內(nèi)，以便內(nèi)，以便使該槽附近巖體使該槽附近巖體實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除。實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除。7 7p 切槽局部應(yīng)力解除法切槽局部應(yīng)力解除法p (4)為了確定測(cè)點(diǎn)垂直于鉆孔軸線平面內(nèi)的為了確定測(cè)點(diǎn)垂直于鉆孔軸線平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，至少應(yīng)力狀態(tài)，至少要在要在三個(gè)不同三個(gè)不同

45、方位進(jìn)行方位進(jìn)行這樣的切槽測(cè)量試驗(yàn)。由彈性力學(xué)的一般公式這樣的切槽測(cè)量試驗(yàn)。由彈性力學(xué)的一般公式即可計(jì)算出切向應(yīng)變傳感器即可計(jì)算出切向應(yīng)變傳感器所在所在的垂直于鉆孔軸線的平面內(nèi)的二的垂直于鉆孔軸線的平面內(nèi)的二維應(yīng)力狀態(tài)維應(yīng)力狀態(tài)。p (5)要確定測(cè)點(diǎn)的三維要確定測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)，必須應(yīng)力狀態(tài)，必須打交匯于測(cè)點(diǎn)的三個(gè)互不打交匯于測(cè)點(diǎn)的三個(gè)互不平行的鉆孔，進(jìn)行上述割槽解除試驗(yàn)。平行的鉆孔，進(jìn)行上述割槽解除試驗(yàn)。7 7p 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法非彈性應(yīng)變恢復(fù)法p 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法在某種程度上是應(yīng)力解除法的延伸。沃伊特等非彈性應(yīng)變恢復(fù)法在某種程度上是應(yīng)力解除法的延伸。沃伊特等人認(rèn)為由應(yīng)力解除人認(rèn)為由應(yīng)力解

46、除引起引起的巖芯的變形由兩部分組成一是彈性部的巖芯的變形由兩部分組成一是彈性部分，它是在應(yīng)力解除的瞬間完成的：另一部分分，它是在應(yīng)力解除的瞬間完成的：另一部分是非彈性是非彈性部分它部分它要經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能完成非彈性恢復(fù)應(yīng)變和總的恢復(fù)要經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能完成非彈性恢復(fù)應(yīng)變和總的恢復(fù)應(yīng)變應(yīng)變成正比成正比主非彈性快復(fù)應(yīng)變的方向和原巖主應(yīng)力方向相一致。主非彈性快復(fù)應(yīng)變的方向和原巖主應(yīng)力方向相一致。同時(shí)，如果巖石是均質(zhì)和線同時(shí)，如果巖石是均質(zhì)和線黏性的黏性的，且其泊松比已知，并不隨時(shí)，且其泊松比已知，并不隨時(shí)間而變化而且自重是一個(gè)主應(yīng)力，那么由測(cè)得的主非彈性間而變化而且自重是一個(gè)主應(yīng)力，那

47、么由測(cè)得的主非彈性恢復(fù)恢復(fù)應(yīng)變的大小即可計(jì)算出原巖應(yīng)力的大小。具體步騾如下：應(yīng)變的大小即可計(jì)算出原巖應(yīng)力的大小。具體步騾如下：7 7p 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法非彈性應(yīng)變恢復(fù)法p (1)從從鉆孔巖芯中采集試樣，采樣工作在巖芯到達(dá)地表的很短時(shí)鉆孔巖芯中采集試樣，采樣工作在巖芯到達(dá)地表的很短時(shí)間內(nèi)即間內(nèi)即完成，試樣完成，試樣需需標(biāo)明標(biāo)明在地下的原始在地下的原始方位，并用方位，并用密封材料包好、密封材料包好、以防水分蒸發(fā)以防水分蒸發(fā)。p (2)將將試樣置于恒溫恒濕環(huán)境中。對(duì)每一試樣用三個(gè)彈簧加壓夾試樣置于恒溫恒濕環(huán)境中。對(duì)每一試樣用三個(gè)彈簧加壓夾緊約變形計(jì)測(cè)量緊約變形計(jì)測(cè)量直徑方向直徑方向的位移三個(gè)變形計(jì)相

48、互間隔的位移三個(gè)變形計(jì)相互間隔45度度。分。分辨率辨率為為1um。如果試樣采集自垂直鉆孔中由。如果試樣采集自垂直鉆孔中由測(cè)得測(cè)得的三個(gè)直徑方的三個(gè)直徑方向的應(yīng)變可確定水平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變。軸向位移由固定于試祥向的應(yīng)變可確定水平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變。軸向位移由固定于試祥表面的表面的平行平行干試樣軸線方向的位移計(jì)監(jiān)測(cè)每隔干試樣軸線方向的位移計(jì)監(jiān)測(cè)每隔1小時(shí)測(cè)量一次小時(shí)測(cè)量一次位移數(shù)據(jù)同時(shí)記錄試祥的溫度位移數(shù)據(jù)同時(shí)記錄試祥的溫度變化。變化。7 7p 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法非彈性應(yīng)變恢復(fù)法p (3)對(duì)完成了全部非彈性恢復(fù)應(yīng)變的試樣進(jìn)行溫度標(biāo)定試驗(yàn)，以對(duì)完成了全部非彈性恢復(fù)應(yīng)變的試樣進(jìn)行溫度標(biāo)定試驗(yàn)，以確定試祥在

49、相應(yīng)確定試祥在相應(yīng)方向由方向由溫度引起的膨脹率。一般全部非彈性恢復(fù)溫度引起的膨脹率。一般全部非彈性恢復(fù)應(yīng)變?cè)趹?yīng)變?cè)?0小時(shí)左右完成小時(shí)左右完成。p (4)由經(jīng)過(guò)由經(jīng)過(guò)溫度修正的非彈性恢復(fù)應(yīng)變值根據(jù)下列公式計(jì)算原溫度修正的非彈性恢復(fù)應(yīng)變值根據(jù)下列公式計(jì)算原巖主應(yīng)力值：巖主應(yīng)力值：,max,min,max,max,min(1)()(1)()hhvhvbvhhvvPvv ,min,max,min,min,max(1)()(1)()hhvhvbvhhvvPvv 7 7p 地球物理探測(cè)法地球物理探測(cè)法p 1、聲波、聲波觀測(cè)觀測(cè)法法p 從從20世紀(jì)世紀(jì)60年代切開(kāi)始聲波法即用于測(cè)量巖體中的應(yīng)力狀態(tài)。年代切

50、開(kāi)始聲波法即用于測(cè)量巖體中的應(yīng)力狀態(tài)。這種方法是基于這種方法是基于這樣這樣的現(xiàn)象即聲波特別是縱波的傳播速度和振的現(xiàn)象即聲波特別是縱波的傳播速度和振幅隨巖體中的應(yīng)力狀態(tài)而定量地變化。幅隨巖體中的應(yīng)力狀態(tài)而定量地變化。測(cè)量步驟測(cè)量步驟如下：如下：p (1)選擇巖性、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的地段取某一點(diǎn)作為聲波發(fā)射點(diǎn)選擇巖性、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的地段取某一點(diǎn)作為聲波發(fā)射點(diǎn)；p (2)以發(fā)射點(diǎn)為以發(fā)射點(diǎn)為中心，在中心，在其周?chē)煌较虿贾媒邮芷渲車(chē)煌较虿贾媒邮茳c(diǎn)，組成監(jiān)測(cè)點(diǎn)，組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)。網(wǎng)。p (3)使用微爆破、機(jī)械振動(dòng)或其他專(zhuān)用儀器向巖體中發(fā)出使用微爆破、機(jī)械振動(dòng)或其他專(zhuān)用儀器向巖體中發(fā)出聲波聲波,并并在各接受

51、點(diǎn)使用在各接受點(diǎn)使用儀器儀器(如聲巖儀如聲巖儀)接受聲波接受聲波：7 7p 地球物理探測(cè)法地球物理探測(cè)法p 1、聲波、聲波觀測(cè)觀測(cè)法法p (4)測(cè)量發(fā)射點(diǎn)至各接受點(diǎn)的聲波傳播速度，繪制如圖測(cè)量發(fā)射點(diǎn)至各接受點(diǎn)的聲波傳播速度，繪制如圖717所示所示的速度橢圓，橢圓長(zhǎng)、短軸的方向即代表了巖體中最大和最小主的速度橢圓，橢圓長(zhǎng)、短軸的方向即代表了巖體中最大和最小主應(yīng)力的方向。應(yīng)力的方向。p (5)使用合理的方法對(duì)聲波傳播速度和地應(yīng)力大小之間的關(guān)系使用合理的方法對(duì)聲波傳播速度和地應(yīng)力大小之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)定結(jié)果由測(cè)得的速度橢圓確定巖體中的應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)定結(jié)果由測(cè)得的速度橢圓確定巖體中的應(yīng)力狀態(tài)。力狀態(tài)。7 7p 地球物理探測(cè)法地球物理探測(cè)法p 2超聲波譜法超聲波譜法p 阿阿格森于格森于178年首次年首次提出超聲提出超聲波譜法。該方法依據(jù)的物理現(xiàn)象波譜法。該方法依據(jù)的物理現(xiàn)象是：當(dāng)是：當(dāng)巖石巖石受到超聲剪波的作用時(shí)將成為雙折射受到超聲剪波的作用時(shí)將成為雙折射性的性的其雙折射其雙折射率是應(yīng)力的函數(shù)測(cè)量步驟為：率是應(yīng)力的函數(shù)測(cè)量步驟為：p (1)向巖體內(nèi)打一鉆孔。向巖體內(nèi)打一鉆孔。p (2)使用專(zhuān)用儀器向鉆孔內(nèi)發(fā)射偏振使用專(zhuān)用儀器向鉆孔內(nèi)發(fā)射偏振剪切波剪切