水利工程巖土工程質量檢測要求培訓教材

1、水利工程巖土工程質量檢測要求培訓教材第一節(jié) 孔壁應變法測試第二節(jié) 孔底應變法測試第三節(jié) 孔徑變形法測試第四節(jié) 水壓致裂法測試第五節(jié) 表面應變法測試第六節(jié) 巖體應力測試套鉆孔應力解除法實測 數(shù)據整理說明第六章 巖體應力測試 巖體應力泛指巖體內部存在的應力。在天然狀態(tài)下，巖體內部存在的應力，稱為巖體初始應力、天然應力或巖體原始應力，在地質學中通常都稱為地應力。巖體被擾動后的應力稱為二次應力或圍巖應力（對地下洞室而言）。 巖體初始應力不僅與巖體自重、地質構造運動有關，而且與地形地貌、成巖過程的物理化學變化、地溫梯度、巖體特性等有著密切的關系，它隨著地殼巖體所處的位置和時間不同而變化，因此它是一種復雜

2、的綜合性的應力狀態(tài)。 巖體應力的成因大致有巖體自重、地質構造運動、地形地貌、剝蝕作用和封閉應力等五個方面，其中主要成因為巖體自重應力和地質構造應力。第六章 巖體應力測試 世界范圍內地應力分布的一些基本規(guī)律性主要有以下幾點： 圖6.0-1 地應力與巖體埋藏深度關系曲線地表下深度H/m (1) 實測鉛垂應力基本等于上覆巖層重量。HK布朗總結全世界有關鉛垂應力v資料表明，在深度為25-2700 m范圍內，鉛垂應力v隨深度大致按巖石重度的比率線性增加（圖）。垂直應力v /MPa (2) 水平應力h普遍大于鉛垂應力v。據實測資料統(tǒng)計，最大水平應力與鉛垂應力的比值，即側壓系數(shù)一般為，大部分在之間，總的來說

3、，水平應力h多數(shù)大于鉛垂應力v。 (3) 平均水平應力與鉛垂應力的比值是隨深度而變化的，Brown E.T. 和Hoek E.根據各地實測資料概括為如下經驗公式（見圖）： 100/H0.301500/H 從已有的資料來看，在深度不大的情況下，的變化范圍很大，平均水平應力與鉛垂應力之間不存在固定的關系。隨著深度的增加，值分散度變小，并且趨向于1，表明深部極大時巖體可能處于接近于靜水壓力的狀態(tài)。圖6.0-2 側壓力系數(shù)與深度關系平均水平地應力與鉛垂地應力的比值地表以下深度H/m (4) 最大水平主應力方向與地質構造的關系。現(xiàn)代巖體中最大水平主應力方向，主要取決于現(xiàn)代地質構造應力場，與歷史上曾經出現(xiàn)

4、過的地質構造應力場不存在必然的聯(lián)系，它們之間的關系比較復雜，通過對地質結構面的力學性質及其組合關系分析和地質力學分析，才可以初步判斷地質構造應力場的主壓應力方向。關于巖土工程地應力場： （1）自重應力。假定巖體簡化為均質半無限彈性體，忽略地質構造和地形變化對巖體初始應力的影響，自重應力引起的應力場隨深度的變化如圖所示，其量值為 z H，xyH 式中：為側壓系數(shù)，可根據半無限體側向變形為零的條件求得：圖6.0-3 自重應力場的變化規(guī)律 /（1-）圖6.0-3 自重應力場的變化規(guī)律 （2）構造應力。按照板塊運動（大陸漂移）學說，地質構造應力一般認為是水平向作用力。假定地質構造應力S為沿水平軸x方向

5、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所示。圖6.0-4 地質構造應力場的變化規(guī)律 （3）巖體初始應力場。一般情況下巖體初始應力場為巖體自重引起的應力場與地質構造運動引起的應力場的疊加（忽略巖體初始應力場的次要組成成分），取自重應力場的主軸與地質構造應力場的主軸一致，它隨深度變化如圖所示，規(guī)律如下： 巖體初始應力場的各應力分量，除靠近地表以外，沿深度的變化均可用線性方程來概化，即沿深度呈直線變化； 在巖體初始應力場中，大主應力1在淺層為水平向，到達較大深度后轉變?yōu)殂U垂向；中主應力2或小主應力3在淺層為鉛垂向，到達較大深度后轉變?yōu)樗较?。它們由兩個直線段組成，其轉折點

6、深度為臨界深度；圖6.0-5 初始應力場變化規(guī)律 在臨界深度以上巖體初始應力場是以地質構造應力場為主導，大主應力為水平向，其量值隨深度增加的幅度較小。在臨界深度以下，就轉變以自重應力場為主導，即大主應力為鉛垂向，其量值隨深度增加的幅度較大。臨界深度附近，存在一個主應力方向逐漸調整變化的過渡帶。 河谷應力場，水電工程多建于河谷地區(qū)，其應力場分布有獨特的規(guī)律，見圖。圖6.0-6 河谷地區(qū)地應力場分布規(guī)律（4）二次應力場 當在巖體內或在基巖上修建工程時，由于施工開挖，改變了巖體的初始邊界條件，使巖體內的能量得到釋放，從而引起圍巖的應力重分布，形成新的應力狀態(tài)，產生圍巖變形或破壞。如在地下工程中（地下

7、廠房，礦山，公路、鐵路隧道），常因開挖而引起圍巖失穩(wěn)；在水工大壩基巖中常因開挖卸荷而造成基巖變形或位錯等。為了評估巖土工程的穩(wěn)定性，必需研究二次應力場。 為了分析巖土工程的二次應力場，首先必需知道巖體初始應力狀態(tài)。因此巖體初始應力是巖體工程勘測設計所必須的基本資料。而巖體初始應力場只能通過現(xiàn)場實測獲取，這就是為什么巖體應力測量成為巖土工程研究領域不可缺少的重要技術。 1912年瑞士地質學家海姆（A. Heim）首次提出了地應力的概念，并假定地應力是一種靜水應力狀態(tài)（海姆假定），即地殼中任意一點的應力在各個方向上均相等，且等于單位面積上覆巖層的重量，即自重應力。 金尼克和朗金（W. J. M.

8、Rankine）分別修正了海姆的靜水壓力假設，認為地殼中各點的垂直應力等于自重應力，而側向應力（水平應力）應為自重應力乘以一個修正系數(shù)。 上世紀20年代，我國地質學家李四光就指出水平應力分量的重要性遠遠超過垂直應力分量。50年代，哈斯特(N. Hast)首先在斯堪的納維亞半島進行了地應力測量工作，發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應力幾乎處處是水平或接近水平的，而且最大水平主應力一般為垂直應力的1-2倍，甚至更多。 后來的進一步研究表明，重力作用和構造運動是引起地應力的主要原因，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的形成影響最大。當前的應力狀態(tài)主要由最近一次的構造運動所控制，但也與歷史上的構造運動有關。

9、 由于億萬年來，地球經歷了無數(shù)次大大小小的構造運動，各次構造運動的應力場也經過多次的疊加、牽引和改造，另外，地應力場還受到其他多種因素的影響，因而造成了地應力狀態(tài)的復雜性和多變性。 即使在同一工程區(qū)域，不同點地應力的狀態(tài)也可能是很不相同的，因此，地應力的大小和方向不可能通過數(shù)學計算或模型分析的方法來獲得。要了解一個地區(qū)的地應力狀態(tài)，最有效的方法就是在現(xiàn)場進行巖體應力測試，包括巖體初始應力測試和洞室圍巖應力測試等。 “應力” 不能直接去度量和觀察，而只能通過測量其間接量（例如應變、變形或其他物理量等）來確定。 早在上世紀三十年代初期，人們就曾利用測量洞壁的應變來計算巖體的初始應力狀態(tài)，特別是19

10、64年李曼（）研究了擋門器和三向應力測量儀器，并為世界各國所采用，開創(chuàng)了巖體應力測試的先河。 我國自上世紀六十年代初期開始進行巖體應力測試，到現(xiàn)在經歷了四十多年的發(fā)展，在廣大科技工作者的努力下，開發(fā)和推出了多種測試方法，測試技術也不斷改進，測量深度也在不斷增加。 早期的地應力測量一般是在巖體的表面進行，分為表面應力恢復法和表面應力解除法兩種。扁千斤頂法是表面應力恢復法的代表，而中心鉆孔法和平行鉆孔法則為表面應力解除法的代表。 表面應力測量一般都在開挖洞室?guī)r體表面進行，只能測量巖體表面的一維或二維應力狀態(tài)，而這種應力狀態(tài)還受到開挖擾動影響，并非原巖應力。因此這類方法不能正確確定測點處的原巖應力狀

11、態(tài)。 為了克服這類方法的缺點，另一類方法是從洞室表面向巖體中打小孔直至原巖應力區(qū)，這就保證了測量在原巖應力區(qū)中進行。這類方法稱為“鉆孔測量法”，目前普遍采用的應力解除法和水壓致裂法均屬此類方法。 巖體應力測試的方法很多，各有其適用范圍。就其測試的物理量來分，有直接法和間接法；就其測量部位來分，有孔內法和表面法；就其測試元件來分，有機械式、電阻式、電感式等。 目前測量地應力的主要方法有：巖體表面地應力測量、套鉆孔應力解除法地應力測量、水壓致裂法地應力測量和聲發(fā)射（AE）地應力測量等幾大類。 各大類又可細分出許多測量方法。如巖體表面地應力測量又可分為巖體表面應力解除法和巖體表面應力恢復法；套鉆孔應

12、力解除法地應力測量可分為鉆孔孔壁應變法、鉆孔孔底應變法和鉆孔孔徑變形法。隨測試原理和測試儀器不同還可分為二維地應力、三維地應力、淺孔地應力和深孔地應力測量。第一節(jié) 孔壁應變法測試 鉆孔套心應力解除技術是巖體應力測試的基本方法?？妆趹兎ㄊ翘卓讘獬夹g的一種應用，此外孔徑變形法亦屬此例。 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)。 套孔應力解除技術工法示意如圖。一 鉆孔套心應力解除技術圖6.1-1 套孔應力解除過程示意圖 由圖可知，鉆孔套心應力解除法是利用大口徑鉆頭將巖心與圍巖分離開來，從而使得巖心內原來承受的應力全部解除，根據此過程中

13、巖心產生的應變（或變形），反演原來的巖體應力狀態(tài)。 按照被測量的物理量及其測量部位的不同，分為（1）鉆孔孔壁應變測量法、（2）鉆孔孔徑變形測量法、（3）鉆孔孔底應變測量法。 鉆孔孔壁應變測量法應用最為廣泛，該方法利用安設在小鉆孔的孔壁應變計測量的解除應變值計算解除前的應力狀態(tài)，在一個鉆孔的一次測量就可以確定巖體的三維應力狀態(tài)。 孔壁應變法測試按其應變計結構和適用環(huán)境分為淺孔孔壁應變法、淺孔空心包體孔壁應變法及深孔水下孔壁應變法三類?？妆趹冇嫅鶕こ桃?、使用環(huán)境及測試方法選用。 （1）淺孔孔壁應變計因直接在孔壁上粘貼應變片，要求孔壁干燥，故適用于地下水位以上完整、較完整細粒結構巖體，孔深不

14、宜超過20m，為排除孔內積水，鉆孔宜向上傾斜3-5。 CJS-1型鉆孔三向應變計是典型淺孔孔壁應變計，其結構示意如圖，應變片布置示意如圖。圖6.1-2 CJS-1型鉆孔三向應變計結構示意圖橡皮岔補嘗室圖6.1-3 CJS-1型鉆孔三向應變計應變片布置形式 （2）空心包體式孔壁應變計是將應變計的應變片粘貼在一預制的薄環(huán)氧樹脂圓筒上，再包裹一層環(huán)氧樹脂制成，適用于完整、較完整的巖體。 CKX-97型空心包體式鉆孔三向應變計結構示意如圖，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。圖6.1-4 CKX-97型空心包體式鉆孔三向應變計結構圖 圖6.1-5 CKX-97型空心包體式鉆孔三

15、向應變計應變片的布置（3）深孔水下孔壁應變計 深鉆孔套心應力解除測量法一般采用孔壁應變計。為解決鉆孔深度大所帶來的一系列問題，在淺鉆孔巖體應力測量技術的基礎上有許多發(fā)展。 關鍵技術包括：（1）能夠在深水中工作的深鉆孔水下三向應變計、（2）配套的應變片水下粘結劑、（3）水下應變計粘貼技術、（4）安裝定位的觸發(fā)裝置、（5）井下測定應變片方向的裝置、（6）深鉆孔套鉆技術以及井下數(shù)據采集系統(tǒng)。 深孔套孔應力測量可以在深達數(shù)百米鉆孔中不間斷地取得應力解除全過程的解除應變數(shù)據。 對測試孔的要求，淺孔應變計及空心包體應變計對測試孔徑要求為測試元件標準外徑（如36應變計為36mm）加上，過大過小都將影響安裝。

16、三類應變計對測試孔深均要求滿足安裝長度（即應變計長度加上100mm）。采用深孔測試時，為防止殘留巖心掉入孔內，測試前宜用試孔器測量孔深。 深孔水下孔壁應變計結構示意如圖。圖6.1-6 深孔水下孔壁應變計結構圖 1 測點布置及地質描述（1）測段內及測段附近巖性應均一完整。（2）每一測段內宜布置2-3個測點，各測點應盡量靠近，避開斷層、裂隙等不良地質構造。（3）在測試巖體初始應力時，測試深度應大于洞室斷面最大尺寸的2倍。 地質描述包括下列內容：（1）鉆孔鉆進過程中的情況。（2）巖石名稱、結構及主要礦物萬分。（3）結構面類型、產狀、寬度、充填物性質。（4）測點區(qū)的地應力現(xiàn)象。二 測試方法2 主要儀器

17、設備及測試準備工作 主要儀器和設備包括下列各項： 鉆機及附屬設備； 大、小口徑金剛石鉆頭； 磨平鉆頭及導向鉆頭； 孔壁應變計（淺孔孔壁應變計、空心包體 孔壁應變計、深孔水下孔壁應變計）； 靜態(tài)電阻應變儀及接線箱； 安裝工具； 清洗及烘烤器具； 巖心圍壓率定器。2 主要儀器設備及測試準備工作（續(xù)） 測試準備應符合下列規(guī)定： （1）根據工程和測試要求，選擇場地安裝鉆機。 （2）用大口徑鉆頭鉆至預定的測試深度。(圖6.1-11) （3）用卡簧整齊地拉斷并取出巖心，再用磨平鉆頭磨平 孔底，用導向鉆頭鉆導向孔。 （4）用帶擴孔器的小口徑金剛石鉆頭鉆測試孔，孔深約 50cm并與大孔同軸，兩孔孔軸允許偏差為

18、2mm，在 鉆進過程中均勻施壓，不應停鉆，不得更換鉆頭。 (圖6.1-12) （5）取出巖心進行描述，當巖心破碎或不能滿足測試要求 時，應重復本條2-4款，直至取到完整巖心并滿足測 試要求。(圖6.1-13) （6）根據所選類型的孔壁應變計，對測孔孔壁進行清洗或 干燥處理。3 孔壁應變計的安裝 淺孔電阻絲式孔壁應變計安裝應符合下列規(guī)定： （1）在試孔孔壁和應變計上均勻涂抹粘結劑。 （2）用安裝器將應變計送入測試孔，定向就位，施 加并保持一定的預壓力，使應變計牢固地粘結在 孔壁上。（圖6.1-14）、（圖6.1-15） （3）粘結劑充分固化后，檢查系統(tǒng)絕緣值，絕緣值不 應小于50M。 （4）取出

19、安裝器，記錄測點深度及方位。（圖6.1-16）3 孔壁應變計的安裝(續(xù)) 淺孔空心包體孔壁應變計安裝應符合下列規(guī)定：（1）在應變計內腔的膠管里注滿粘結劑。（2）用安裝器將應變計送入測試孔，定向就位，然后推動 安裝桿，切斷定位銷釘，擠出粘結劑。（3）按淺孔孔壁應變計安裝規(guī)定之條（三）（四）款的規(guī) 定測定絕緣值、測點深度及方位。3 孔壁應變計的安裝(續(xù)) 深孔水下孔壁應變計安裝應符合下列規(guī)定：（1）在應變計前端的膠罐里注滿粘結劑。（2）用安裝器將應變計送入測試孔，將應變計牢固地粘結 在孔壁上。（3）接通電源加熱定向羅盤，30min后切斷電源，使定向 羅盤指針定向。（4）按淺孔孔壁應變計安裝規(guī)定之條

20、（三）（四）款的規(guī) 定測定絕緣值、測點深度及方位。4 孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準 淺孔孔壁應變法或空心包體孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準應符合下列規(guī)定： （1）從鉆具中引出應變計電纜，接通儀器。向鉆孔內沖水，每隔5min讀數(shù)一次，連續(xù)三次相鄰讀數(shù)差不超過5且沖水時間不少于30min時，取最后一次讀數(shù)作為穩(wěn)定讀數(shù)，并記為初始值。 （2）按預定深度分10級，開始每級解除深度可為5cm，在接近應變片粘結部位時宜為2cm。逐級鉆進，進行套心解除，每解除到一級深度時，停鉆不停機連續(xù)讀數(shù)兩次。4 孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準(續(xù)) （3）套鉆最終解除深度應超過測孔孔底應力集中影響區(qū)，應變計讀數(shù)趨于穩(wěn)定時可終止解除。但

21、最終解除深度（即從測點到孔底的距離）不得小于解除孔孔徑的倍。 （4）繼續(xù)向鉆孔內沖水，每隔5min讀數(shù)一次，當連續(xù)三次相鄰讀數(shù)差不超過5且沖水時間不少于30min時，取最后一次讀數(shù)為穩(wěn)定讀數(shù)。 （5）解除過程中發(fā)現(xiàn)異常情況時，應及時停機檢查并記錄。 （6）檢查系統(tǒng)緣值，卸下鉆具，小心取出帶有應變計的巖心進行描述。4 孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準（續(xù)） 深孔水下孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準應符合下列規(guī)定： （1）接通儀器，每隔5min讀數(shù)一次，當連續(xù)三次相鄰讀數(shù)差不超過5時，取最后一次讀數(shù)作為初始穩(wěn)定讀數(shù)。 （2）提升安裝器，切斷應變計與安裝托架間的引線，將應變計單獨留在測孔中，讀取定向羅盤所指示的方位

22、。 （3）進行連續(xù)套鉆解除，套心解除深度應滿足淺孔孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準之（3）款的規(guī)定。4 孔壁應變法測試及穩(wěn)定標準（續(xù)） （4）取出帶有應變計的巖心，立即將切斷的引線再次與安裝器托架上的引線連接起來，檢查系統(tǒng)絕緣值并保持巖心的環(huán)境溫度不變。 （5）接通儀器，讀取解除后的應變計讀數(shù)，每5min讀數(shù)一次，連續(xù)三次相鄰讀數(shù)差不超過5時，取最后一次讀數(shù)作為穩(wěn)定讀數(shù)。 （6）對巖心進行描述。5 巖心圍壓試驗應符合下列規(guī)定 （1）現(xiàn)場測試結束后，將解除后帶有應變計的巖心放入圍壓器中，在現(xiàn)場進行圍壓試驗。巖心圍壓率定器如圖。 （2）當采用大循環(huán)法加壓時，壓力宜分5-10級施加。最大壓力應大于預估的巖體

23、最大主應力，循環(huán)法加壓時，每級壓力下每隔5min讀數(shù)一次，相鄰兩次讀數(shù)差不超過5時，即為穩(wěn)定讀數(shù)。圖6.1-7 巖心圍壓率定器5 巖心圍壓試驗應符合下列規(guī)定(續(xù)) （3）當采用逐級一次循環(huán)法加壓時，每級壓力下每隔5min讀數(shù)一次，相鄰兩次讀數(shù)差不超過5時，即為穩(wěn)定讀數(shù)。 （4）繪制壓力p與應變關系曲線，計算巖石彈性模量和泊松比。 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： （）5 巖心圍壓試驗應符合下列規(guī)定(續(xù)) 其中， 、 是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。 （ rH、rB 分別為試驗巖心的外半徑和內半徑，P為圍壓）。 當把巖心圍壓試驗作為平面問題處理時，(

24、6.1-1)式可以簡化為： （）6 測試成果整理及測試記錄（1）根據巖心解除應變值和解除深度，繪制解除過程曲 線，選取合理的解除應變值。（2）根據圍壓試驗或在現(xiàn)場取樣進行的室內巖塊力學試 驗，確定巖石的彈性模量和泊松比。（3）測試記錄應包括工程名稱、巖石名稱、測點編號、 測點位置、試驗方法、地質描述、測試深度、相應 于各解除深度的電阻片的應變值、靈敏系數(shù)、系統(tǒng) 絕緣值、沖水時間、各電阻片及應變叢布置方向、 鉆孔軸向方位角、傾角、圍壓試驗資料、測試過程 中發(fā)生的異?，F(xiàn)象、測試人員、測試日期。7 實測數(shù)據整理分析 （1）坐標系及測量元件序號規(guī)定 坐標系應符合下列規(guī)定： 巖體應力測試計算坐標系應采用

25、右手系。 大地坐標系oxyz：軸z為鉛垂向上，軸x 為建筑物軸線方向或正北向，其方位為0。 鉆孔坐標系oxiyizi：軸zi為鉆孔軸向，指 向孔口為正，軸xi為水平向，以按右手系確 定的軸yi位于上半空間的指向為正。7 實測數(shù)據整理分析（續(xù)） 鉆孔方向應符合下列規(guī)定： 鉆孔傾角i以仰角為正，方位角i為鉆孔在水平面投影線的方位，如果鉆孔為鉛垂向，i為軸xi的方位，這時0為垂直建筑物軸線（軸y）的方位或正西向。 測量元件序號應符合下列規(guī)定： 鉆孔孔壁應變計：i為布置在孔壁上的應變叢序號，j為應變叢內應變片序號。為應變計安裝偏斜角，以水平軸起始逆時針向度量。 鉆孔孔徑變形計：i為測量鉆孔序號，j為安

26、裝在測量鉆孔內變形計的觸頭序號，d為測孔孔徑。 鉆孔孔底應變計：i為測量鉆孔序號，j為布置在測量鉆孔孔底上應變片的序號。7 實測數(shù)據整理分析（續(xù)） （2）孔壁應變測試法應力計算 應力解除完成以后孔壁應變計各應變叢得到一組應變測量值，即觀測方程的觀測值，從理論上可以證明從鉆孔應變計獲得的應變觀測方程有6個是線性獨立的，因此，將觀測結果代入觀測方程組（一般情況為912個方程），解聯(lián)立方程就可求得圍巖的6個應力分量。 觀測方程的表達式為： （）7 實測數(shù)據整理分析（續(xù)） 式中 k應變觀測值。 k觀測值方程序號，應變計內布設幾個應變叢，其序號用i表示，對應的極角為i。每個應變叢由幾個應變片組成，其序號

27、用j表示，對應的角度為j。 k=m(i-1)+j (i=1-3，j=1-m ) ，m為應變計內應變叢中應變片個數(shù)。 應力系數(shù)Ak1、Ak2、Ak6用下式確定： （） 對于孔壁應變測量（）式中K1=K2=K3=K4=1。7 實測數(shù)據整理分析（續(xù)） （3）空心包體鉆孔三向應變計應力計算 觀測方程和應力系數(shù)計算分別為式（）、（），但修正系數(shù)Ki（i=1-4）不等于1，由鉆孔半徑R，應變計內半徑R1，應變片嵌固部位的半徑，圍巖的彈性模量E、泊松比和環(huán)氧樹脂層的彈性模量E1、泊松比1確定：7 實測數(shù)據整理分析（續(xù)） （） （）7 實測數(shù)據整理分析（續(xù)） （）7 實測數(shù)據整理分析（續(xù)） （4）鉆孔坐標系同

28、大地坐標系的轉換 公式（）-（）是在鉆孔坐標系下圍巖應力的計算公式，為了求得大地坐標系下的圍巖應力，必須進行坐標變換。 鉆孔坐標系和大地坐標系都采用右手系，大地坐標系oxyz：軸z為鉛垂向上；軸x為建筑物軸線方向，其方位角為0；軸y的方位角為090。鉆孔坐標系oxiyizi：軸zi為鉆孔軸線方向，指向孔口為正，軸xi為水平向，以軸yi位于上半空間為仰角的指向為正。即傾角為0，方位角為i90；軸yi的傾角為90i，方位角為i+180。鉆孔坐標系oxiyizi與大地坐標系oxyz相互關系如圖所示，鉆孔坐標系各坐標軸相對大地坐標系的方向余弦如表。圖6.1-8 鉆孔坐標系與大地坐標系的相對關系表6.1

29、-1 鉆孔坐標系各坐標軸相對大地坐標系的方向余弦7 實測數(shù)據整理分析（續(xù)） 鉆孔坐標系表達的應力分量xi，yi，zi和xiyi轉換到大地坐標系表達的應力分量的轉換公式為（）： （）三 關鍵技術問題1套心解除速率的要求 通過多年的測試經驗，在淺孔孔壁應變法和淺孔空心包體孔壁應變法淺孔全過程的測量中，力爭獲取較好的全過程曲線，規(guī)程要求按預定深度分10級，開始每級解除深度可為5，在接近應變片粘結部位時宜為2。逐級鉆進，進行套心解除，每解除到一級深度時，停鉆不停機連續(xù)讀數(shù)兩次。2 應變計的制作 在巖體應力的測量試驗中，對試驗的影響因素很多，如溫度、濕度、介質和墊層等，這些都要在應變計的制作過程中予以考

30、慮。應變計的制作是十分關鍵的技術之一。首先是電阻片的選擇，同一組試件的工作片與溫度補償片的規(guī)格和靈敏系數(shù)應相同，電阻值在120左右，允許偏差為。并對溫度變化不敏感。其次是制作應變計的底托材料在滿足其他要求的基礎上，其彈性模量應盡可能低，不致對電阻片隨應力解除的變化構成約束影響。3 粘結劑的配制 要將制作好的應變計牢固地粘結在測量孔中，就必須選擇好的粘結劑，并且有一套完整的應變計粘結工藝。對水平淺孔要求鉆孔略向上傾斜5左右，以便排出巖粉和積水，并對鉆孔進行清洗干燥，因而對粘結劑的要求僅限于粘結強度和固化時間。在垂直深孔應力測量中，對粘結劑要求則更高一些，除需滿足以上要求外，還須在水下可固化，耐油

31、，強度高等。長江科學院研制的CKJ1型水下粘結劑能滿足以上要求，在工程中應用是比較成功的。4 鉆孔機具的選配 套心解除法一般要求使用金剛石鉆頭鉆孔，每百m傾斜不超過3，且測量小孔和解除大孔同心度允許偏差不超過2mm。因此在鉆進過程中要求在一定間隔內，在鉆桿上加接定向（導向）接頭，使用專用的76 mm（薄壁）和36 mm的金剛石鉆頭，且解除鉆具有能較完整地取出巖心，巖心殘留不大于5，起伏差不大于2。5 二次儀表的配置和標定 由于地應力測試對成果質量的影響因素較多，現(xiàn)場環(huán)境差，因此要求二次儀表具有一定的精度和抗干擾能力，并經過計量部門計量合格。儀器設備運抵現(xiàn)場組裝后，應在現(xiàn)場進行檢查和標定。第二節(jié)

32、 孔底應變法測試一 測試技術 孔底應變法測試仍屬于應力解除法，是采用電阻應變計（或其他感應元件）作為傳感元件，測量套鉆解除后鉆孔孔底巖面應變變化，根據經驗公式，求出孔底周圍的巖體應力狀態(tài)，適用于各向同性巖體的應力測試。主要優(yōu)點為所需的完整巖心長度較短，在較軟弱或完整性較差的巖體內較易成功。 鉆孔孔底應變計結構圖如圖，應變片布置如圖。圖6.2-1 鉆孔孔底應變計元件示意圖圖6.2-2 孔底應變計應變片布置圖 孔底應變計的安裝工作要求烘烤孔底，需在鉆孔無水狀態(tài)下進行。為排除鉆孔孔內積水，鉆孔宜向上傾斜3-5。二 測試方法 1 測點布置 測點布置同孔壁應變法測試之二的規(guī)定，當測量巖體中某一點的三向應

33、力狀態(tài)時，宜在同一平面內，布置交會于巖體某點的三個鉆孔（如45、90、-45），如圖6. 2-3所示。地質描述與孔壁應變法測試之二的規(guī)定相同。圖6. 2-3 三孔交匯示意圖 2 主要儀器設備 測試儀器設備與節(jié)相同，只需將孔壁應變計換成孔底應變計。 測試準備應符合下列規(guī)定： （1）根據測試要求選擇場地，安裝鉆機。鉆進到預定深度，取出巖心，觀察節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，判斷是否滿足試驗條件，否則應繼續(xù)鉆進，直至滿足試驗條件。 （2）粗磨、細磨孔底至平整光滑。 （3）用清潔劑洗凈孔底并用烘烤器烘干。3 應變計安裝 （1）在孔底及孔底應變計底表面均勻涂上一層粘結劑。 （2）用安裝桿將帶有孔底應變計的安裝器送

34、入孔中，當接近孔底時定向就位，將孔底應變計壓貼在孔底平面中部1/3直徑范圍內，并保持一定的預壓力，使應變計與孔底巖面緊密粘貼。 （3）粘結劑固化后，檢查系統(tǒng)絕緣值，絕緣值不應小于50M. （4）取出安裝器。4 測試及穩(wěn)定標準 （1）從鉆具中引出測量電纜，接通儀器。向鉆孔內沖水，每隔5min讀數(shù)一次，當連續(xù)三次相鄰讀數(shù)差不超過5且沖水時間不少于30min時，取最后一次讀數(shù)作為穩(wěn)定讀數(shù)，并作為初始值。 （2）按預定深度逐級鉆進，進行套心解除。每級解除深度，開始時宜為1cm，當解除孔徑倍后宜為2cm，每解除一級，停鉆不停機讀數(shù)，連續(xù)讀數(shù)兩次。4 測試及穩(wěn)定標準（續(xù)） （3）套鉆最終解除深度應超過孔底

35、應力集中影響區(qū)，最小解除深度應大于解除孔孔徑的倍。 （4）繼續(xù)向鉆孔內沖水，每隔5min讀數(shù)一次，當連續(xù)三次相鄰讀數(shù)差不超過5且沖水時間不少于30min時，取最后一次讀數(shù)作為穩(wěn)定讀數(shù)。 （5）在解除過程中，發(fā)現(xiàn)異常情況時，應立即停機檢查，作好記錄。 （6）檢查系統(tǒng)絕緣值，卸下鉆具，取出帶有應變計的巖心進行描述。 5 巖心圍壓試驗、測試成果整理及測試記錄與第一節(jié)相同。 6 應力計算 鉆孔孔底應變測量需要布置s個交匯鉆孔(s3，其中不同方向的鉆孔至少為3個)，其序號用i表示，并設鉆孔的傾角為i，方位角為i。應變計端面上布置1個應變叢，應變叢內由t個應變片組成，其序號用j表示，對應的角度為i。由孔底

36、應變測量得到的應變觀測值k（k=(i1)t+j，i=1-s，j=1-t）可建立一組觀測方程，解觀測方程組即可獲得大地坐標系下的圍巖應力狀態(tài)。觀測方程組成如（）式： （）6 應力計算(續(xù)) 觀測方程的應力系數(shù)Ak1-Ak6可由（）式、（）式求出： （） 如果交匯的測量鉆孔取在同一水平面上，即i=0，則應力系數(shù)Ak1-Ak6表達式（）變成 （） （）三 關鍵技術問題 孔底應變法測量方法的關鍵在于應變測量元件的制作。由于試驗是在鉆孔中進行，難以用人工直接將電阻片貼入孔底，為此設計了一種應變盒。預先把電阻片粘貼在應變盒的底平面上，以專用工具將其送入孔底，使它粘貼在孔底平面上。在處理、粘貼、防潮過程中，

37、電阻片表面已形成一層薄膜，以及塑料殼體對電阻片的正常工作是否有影響，其大小如何，這些均需通過率定確定。由于每個應變元件粘貼后不能重復使用，因此率定工作只能采用抽樣率定的方法。 因該測量方法要求鉆孔干燥無水，故鉆孔應略向上傾斜5左右。該測量方法需配置專用鉆孔機具和孔底磨平裝置。測量三向應力宜在同一平面內布置交會于巖體某點的三個鉆孔（如45、90、45）。第三節(jié) 孔徑變形法測試一 測試技術 孔徑變形法測試包括壓磁應力計測試和孔徑變形計測試兩種方法。它是在鉆孔預定孔深處安放壓磁應力計或四分向環(huán)式鉆孔變形計，然后套鉆解除，測量解除前后的變形或應變差值，按彈性理論建立的孔徑變化與應力之間的關系式，計算出

38、巖體中鉆孔橫截面上的平面應力狀態(tài)。 典型的鉆孔變形計有YJ-81型壓磁式應力計和36-2型鋼環(huán)式變形計，分別示意如圖6.3-1和圖。圖6.3-1 YJ-81型壓磁式應力計結構示意圖圖6.3-2 36-2型鋼環(huán)式變形計結構示意圖 當需要測求巖體的空間力狀態(tài)時，應采用三孔交匯測試的方法，一般采用兩側測孔與中間測孔分別構成45夾角的布置方法。二 測試方法 1 主要儀器設備 鉆機及其附屬設備； 大、小口徑金剛石鉆頭； 磨平鉆頭及導向鉆頭； 壓磁應力計及讀數(shù)儀或四分量環(huán)式 變形計及靜態(tài)應變儀； 圍壓率定器； 安裝設備。2 測試準備 選擇場地，安裝鉆機。 用大口徑鉆頭鉆至預定部位，取出巖心。 用磨平鉆頭磨

39、平孔底，用導向鉆頭鉆深約4- 5cm的導向孔。 用測試鉆頭鉆測試孔，孔深約50cm，要求 與大孔同軸，允許偏差為2mm。取出測試孔 巖心并沖洗鉆孔。 觀測巖心并進行描述，當巖心不滿足試驗要 求時應重復本條2-4款。 四分向環(huán)式變形計，應在安裝前進行率定。3 壓磁應力計安裝 應力計定向底座送入孔底定向，再將應力計送至孔底，將尾部插入底座定向凹槽內，對應力計施加預壓力。 對水平測量孔，采用鉆桿將應力計和水平定向器送至孔底定向固定，并施加預壓力。 預壓力的大小宜為應力計最大讀數(shù)范圍的1/3-2/3，并保持該預壓力不變。 記錄安裝定向方向。4 四分向環(huán)式變形計安裝 將變形計中各組鋼環(huán)的引出線按順序連接

40、在應變儀的接線箱上，并預調平衡。 接上定向器，與變形計一起用安裝桿緩慢送入測量孔內，并不斷監(jiān)視應變儀，讀數(shù)壓縮值宜控制在2000。 用鐵錘輕擊安裝桿端部，使變形計錐體與測量孔孔口緊密接觸。 記錄安裝定向方向。5 壓磁應力計法的測試及穩(wěn)定標準 將應力計導線從鉆具中引出接入二次儀表上，沖水讀數(shù)，每隔5min讀數(shù)一次，連續(xù)三次相鄰讀數(shù)差不超過3個儀器最小讀數(shù)單位且沖水時間不少于30min時，取最后一次讀數(shù)作為穩(wěn)定讀數(shù)，并記為初始值。 每鉆進解除2cm，停鉆不停機讀數(shù)一次。 最終解除深度（即從測點到孔底的距離）不得小于解除孔孔徑的倍。6 四分向環(huán)式變形計法的測試及穩(wěn)定標準 將應變計導線從鉆具中引出，接

41、入二次儀表上，沖水讀數(shù)，每隔5min讀數(shù)一次，連續(xù)三次相鄰讀數(shù)差不超過5且沖水時間不少于30min時，取最后一次讀數(shù)作為穩(wěn)定讀數(shù)，并記為初始值。 每鉆進2cm，停鉆不停機讀數(shù)一次。 最終解除深度（即從測點到孔底的距離）不得小于解除孔徑的倍。 解除過程鉆孔孔徑變形同鉆進深度變化曲線如圖。圖6.3-3 孔徑變形法應力解除應變全過程曲線7 壓磁應力計法測試成果整理 繪制解除深度h與應力計各元件讀數(shù)差u的解除全過程關系曲線，確定最終穩(wěn)定值。 繪制應力計各元件率定曲線，各元件率定系數(shù)按下式計算： （） 式中 K 元件率定系數(shù)； Sw圍壓器單位壓力MPa； u 儀器讀數(shù)差。7 壓磁應力計法測試成果整理（續(xù)

42、） 記錄應力值Sij按下式計算： Sij=Kiu 式中 Sij對于空間問題為Sij，對于平面問題為 、 和 。 平面應力計算。當符合平面問題假設，且壓磁應力計各元件互成60布置時，平面應力按下式計算： 7 壓磁應力計法測試成果整理（續(xù)） （） （） 式中 1、2最大、最小主應力，MPa； 、 、 三個測試方向的記錄應力，MPa； 當 0時為最大主應力1與記錄應力的夾角； 當 0時為最大主應力2與記錄應力的夾角。 7 壓磁應力計法測試成果整理（續(xù)） 空間應力計算。根據三個不同方向的鉆孔測試所取得的各個應力值Sij，空間應力分量x、y、z、xy、yz、zx按下列公式計算： （）7 壓磁應力計法測試

43、成果整理（續(xù)）式中 i鉆孔序號； j測試方向序號； 鉆孔內某點測試方向與鉆孔坐標系ij的夾角； li1、mi1、ni1、li2、mi2、ni2、li3、mi3、ni3分別為相應測點鉆孔坐標系各軸對大地坐標系的方向余弦。 8 四分向環(huán)式鉆孔變形計法測試成果整理 繪制解除深度h與各鋼環(huán)應變i關系曲線。 根據h-i關系曲線，參照地質條件和試驗情況，確定最終穩(wěn)定讀數(shù)ni。 繪制各元件率定的千分表讀數(shù)Si與電阻應變儀讀數(shù)i的關系曲線。各元件率定系數(shù)按下式計算： （）8 四分向環(huán)式鉆孔變形計法測試成果整理（續(xù)） 式中 Ki元件i的率定系數(shù)，1/mm； i各元件的應變值； Si千分表讀數(shù)，mm。8 四分向環(huán)

44、式鉆孔變形計法測試成果整理（續(xù)） 鉆孔徑向變形按下式計算： （）式中 d 鉆孔徑向變形，mm； i測試元件的序號； 0i 元件i的初始應變值； ni 元件i的最終穩(wěn)定應變值。 巖體三維應力計算比較復雜，請參見規(guī)程附錄。 三 關鍵技術問題 1 應變元件的制作 孔徑變形測試法一般采用四分向環(huán)式鉆孔變形計。鋼環(huán)處理是影響變形計質量好壞的關鍵，應按下列方法和步驟進行。 （1）選用膠基絲繞式電阻片或箔式電阻片，尺寸不大于35（越小越好）。電阻值不小于80（越大越好），電阻值允許偏差不大于。 （2）全部應變鋼環(huán)經零號砂紙打磨光滑后，用紗布蘸丙酮清洗至少3次。 （3）室溫下，用寬約5的軟排筆，蘸上ky-1聚

45、乙烯醇縮甲乙醛酸，均勻地薄薄涂敷整個鋼環(huán)。每隔15min涂刷一次，反復涂刷4次。 1 應變元件的制作（續(xù)） (4)將涂過膠水的鋼環(huán)放入烘箱，進行固化處理。 (5)在貼片處涂刷底膠。 (6)取出鋼環(huán)套，在專用加溫架上，保持約60溫度。在電阻片背面及鋼環(huán)貼片處各涂一層膠，粘貼電阻片。 (7)貼片后，用特制夾具對電阻片均勻加壓，壓力控制在左右。 (8)按規(guī)定進行固化處理，但最高溫度不得超過1802。 1 應變元件的制作（續(xù)） (9)應變鋼環(huán)經過固化處理后，逐一檢查各電阻片的電阻值及絕緣度，剔出不合格者。 (10)在電阻片上再涂2-4層膠水，并作同樣的固化處理。 (11)用70.07塑料線作引線，聯(lián)成

46、全橋或半橋，將引線固定在鋼環(huán)上。 (12)接通電阻應變儀，檢查調零效果，并復查其絕緣度。 1 應變元件的制作（續(xù)） (13)檢驗符合要求后，用環(huán)氧樹脂膠在電阻片及引線處（特別是引線處）反復涂刷2-4次，膠層宜薄而勻。 (14)待環(huán)氧樹脂膠在室溫下固化后，將鋼環(huán)置于水中，測其絕緣度。若絕緣度在4h不小于50M，即為合格。 (15)將應變鋼環(huán)放入烘箱，在60-80溫度下烘烤2-14天；或在-40-+50溫度范圍內使其驟冷驟熱，反復10余次，進行溫度老化處理。 2 變形計組裝 (1)按順序在鋼環(huán)架上裝上處理好的鋼環(huán)。旋緊鋼環(huán)架，沿凸齒方向輕輕移動鋼環(huán)，檢查是否靈活。 (2)將鋼環(huán)電阻片引線分別焊在測

47、量導線上，再次測量其電阻值及絕緣度，并檢查橋路。 (3)將16心屏蔽電纜穿入變形計錐形塞孔中，并按組分別焊在接線室中。 (4)接通電阻應變儀，檢查應變鋼環(huán)是否正常。 (5)將已經裝好且符合要求的應變鋼環(huán)及其鋼環(huán)架裝入外殼，插進銷釘定位。 2 變形計組裝(續(xù)) (6)旋緊螺桿，卡緊電纜，嵌上觸頭。 (7)將純凈凡士林加熱溶化，在60-80溫度下，用注射器將其從外殼觸頭孔注入變形計內，排出空氣，最好是真空灌注。 (8)裝上保護套，將鋼環(huán)壓縮量控制在0.4-0.6范圍內。 (9)接通電阻應變儀，觀測各鋼環(huán)隨時間的應變變化情況，繪制常溫下電阻片應變蠕變曲線。要求24h內相對蠕變量不大于0.5%。3 四

48、分向環(huán)式鉆孔變形計的率定 為求出各鉆孔變形計的率定系數(shù)，需對鉆孔變形計進行率定。率定程序如下： (1)將應變計與電阻應變儀接通、調零。 (2)將變形計安裝在率定架上，觸頭、移動滑塊、千分表（或位移計）應保持在同一軸線上。 (3)千分表（或位移計）調整指針至0.2左右。 (4)首先對鋼環(huán)預先壓縮0.5，再放松。重復3-4次。然后每增加0.1，記錄應變值一次。壓縮至0.5 逐級放松，至少重復進行3個循環(huán)。加壓、卸壓時，讀數(shù)差不得超過20。一 測試原理及基本公式 鉆孔套心應力解除技術在工程巖體應力測量中有廣泛的應用并可獲得比較準確的應力量值，但鉆孔套心工法十分復雜，測試成本較高，比較適合不太深的鉆孔

49、中進行，對于深度較大巖體中的初始應力（如深度大于300m或超過1000m深孔中）比較常用的方法是水壓致裂法。第四節(jié) 水壓致裂法測試一 測試原理及基本公式（續(xù)） 水壓致裂法是迄今為止進行深部地應力測量最有效的手段，國外最大測量深度達5105m。除此之外，該方法還具有鉆孔套心應力解除法無法比擬的突出優(yōu)點：資料整理不需要巖石彈性常數(shù)參與計算，避免因彈性常數(shù)取值不準確而引起的誤差；巖壁受力范圍較大，避免點應力狀態(tài)的局限性和地質條件不均勻性的影響；可以利用現(xiàn)有地質勘探鉆孔進行測量，不需要專門鉆孔；操作簡易，測量周期短。 一 測試原理及基本公式（續(xù)） 該方法主要設備由三部分組成：鉆孔承壓段的封隔系統(tǒng)、加壓

50、系統(tǒng)和測量、記錄系統(tǒng)。利用一對可膨脹的橡膠封隔器，在預測深度處取一段鉆孔進行封隔，然后泵入液體對中間段鉆孔施壓，加壓到鉆孔圍巖出現(xiàn)破裂縫（此時的壓力稱破裂壓力），立即關閉壓力泵，維持裂縫張開（此時的壓力稱為瞬時關閉壓力），最后將壓力泵卸壓至零。圍巖第一次破裂后，重復注液施壓至破裂縫繼續(xù)開裂（這時的壓力為重張壓力），以獲得較準確的壓裂參數(shù)。根據實測壓裂過程曲線確定壓裂參數(shù)并計算測段巖體最大和最小水平主應力，根據裂縫張開方向確定主應力方向。水壓致裂法地應力測量場景見圖。 圖6.4-1 水壓致裂法實測現(xiàn)場一 測試原理及基本公式（續(xù)） 水壓致裂法地應力測量原理建立在彈性力學平面問題理論基礎上，經典理論

51、以如下三個假設條件為前提：1) 圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體；2) 圍巖為多孔介質時，注入的流體按達西定律在巖石孔隙中流動；3) 巖體中初始應力的一個主應力方向為鉛垂向，與鉆孔方向一致，它的大小近似等于上覆巖層的自重。因此水壓致裂法地應力測量的力學原理可以簡化為彈性平面問題，如圖，含有圓孔的無限大平板受兩向應力A和B（AB）的作用，則孔周附近的二次應力狀態(tài)為：(6.4-1) 式中： R 為鉆孔半徑， r 徑向距離， 極徑與軸x的夾角， r、和r 徑向應力、切向應力和剪切應力， A 和B 鉆孔橫截面上最大和最小主應力。一 測試原理及基本公式（續(xù)）XrrAB圖6.4-2 含圓孔無限大平面的應

52、力狀態(tài)一 測試原理及基本公式（續(xù)） 考慮巖體中的孔隙壓力體P0 ，并以 ， ，表示巖體的地應力，則海姆森給出一 測試原理及基本公式（續(xù)）SB = Ps (6.4-10) (6.4-11)其中：Pb為自裂過程曲線的初始破裂壓力， Ps為關閉壓力， t為巖石抗拉強度。 式（）中的抗拉強度t，目前采用兩種方法確定： （1）在試驗室里，將所測孔段的巖樣，加工成厚壁空心圓柱體，對中心孔內壁加壓直至巖樣破裂： 式中：B=b/a， b圓柱體試件外徑， a圓柱體試件中心孔的孔徑， Pb圓柱體試件破裂時的內壓。一 測試原理及基本公式（續(xù)）(6.4-12) （2）在現(xiàn)場可從對封隔段的多次循環(huán)加壓過程求出。在第一次

53、加壓循環(huán)過程中，使完整的孔壁圍巖破裂，出現(xiàn)明顯的破裂壓力Pb ，而在以后的加壓循環(huán)過程中，因巖石已破裂，故其抗拉強度t=0，則重張壓力Pr為：一 測試原理及基本公式（續(xù)）(6.4-13) 這樣，在求解鉆孔橫截面上最大主應力時，也可以直接采用重張壓力計算：(6.4-14) 比較式（）和式（）可得到巖石的抗拉強度： t = Pb Pr (6.4-15) 水壓致裂破裂面一般沿垂直于橫截面上最小主應力方向的平面擴展（形成平行于鉆孔軸線的裂縫），其延伸方向就是鉆孔橫截面上的最大主應力方向。 由于測量儀表放置在鉆孔孔口地面，所測的巖體應力SA、SB還需加上鉆孔的靜水壓力PH。一 測試原理及基本公式（續(xù)）1

54、 鉆孔測試段布置（1）在測試段上下范圍內，巖性應均一完整。（2）由于水壓致裂法需對測試孔壓裂段加壓直至巖壁破裂，故要求測試段串接起來的封隔器加上壓裂段共約3m長的巖體透水性小，根據計算公式的假定及目前工程實例統(tǒng)計巖體滲透系數(shù)應小于1個呂容值。（3）地質描述除應與第一節(jié)的第二條相同外，還應該提供鉆孔柱狀圖，包括巖性、裂隙密度、巖心獲得率、RQD及巖體滲透系數(shù)值。二 測試方法2 主要儀器設備鉆機及附屬設備；橡膠封隔器（與鉆孔孔徑匹配）及高壓軟管；壓力傳感器和流量傳感器；函數(shù)記錄儀；高壓大流量電動壓力泵，壓力泵的選擇宜采用大流量和高壓力的電動壓力泵，考慮到測試設備的輕便化和適用性，本方法要求泵壓不小

55、于40MPa，流量不小于8L/min，可兩臺并聯(lián)；印模器或鉆孔電視錄像設備。3 測試準備 根據鉆孔地質資料或鉆孔錄像資料選擇測段。 清洗鉆孔。 率定傳感器，并進行封隔器預壓試驗。 對加壓管路進行高壓密封試驗，試驗壓力不應小于20MPa。 檢查定向設備。4 測試步驟（1）串接兩個橡膠封隔器，用安裝工具放至選定的壓裂段，加壓至預定的座封壓力，使封隔器膨脹座封于孔壁上。原測上座封壓力應大于橡膠封隔器的擴張壓力小于測試巖體破裂縫的重張壓力，宜在現(xiàn)場通過試驗或用同類巖體測試的經驗確定。（2）對壓裂段注水加壓，打開函數(shù)記錄儀連續(xù)記錄壓力，p與時間t關系曲線和流量Q與時間t關系曲線。（3）從函數(shù)記錄儀上觀察

56、時間與壓力關系曲線走勢，當泵壓上升至某一臨界值pb時，曲線出現(xiàn)拐點，巖壁破裂，立即關閉壓力泵停止加壓。4 測試步驟（續(xù)）（4）當曲線下拐并逐步趨于穩(wěn)定后，打開壓力泵閥門卸壓，并關閉記錄儀。 （5）按本條2-4款連續(xù)進行3-4次加壓循環(huán)。 （6）測試完畢后，封隔器卸壓，排出封隔器內的液壓劑，從鉆孔中移動封隔器，按本條1-5款進行下一測試段測試，直至全孔測試完成后，從鉆孔中取出封隔器。 （7）用定向印模器或鉆孔錄像儀記錄壓裂縫。當使用定向印模器記錄壓裂縫時應選擇破裂壓力明顯的壓裂段。5 測試成果整理 （1）根據實測壓裂過程曲線（圖），確定壓裂過程中各特征點參數(shù)。具體步驟如下：圖6.4-3 水壓致裂

57、過程與工程巖體應力的關系5 測試成果整理(續(xù)) 利用兩個串聯(lián)的可膨脹橡膠封隔器（中間以花管和高壓油管聯(lián)接）加壓座封于孔壁上，形成壓裂段（即花管段）。 向壓裂段注水加壓，使其孔壁承受著逐漸增強的液壓作用。 當泵壓上升至某一臨界值Pb（稱為破裂壓力）時，由于巖石破裂導致泵壓值急劇下降而流量值急劇上升。5 測試成果整理(續(xù)) 關閉壓力泵，當泵壓開始趨向穩(wěn)定時，此段壓裂過程曲線的拐點即為瞬時關閉壓力Ps。 當泵壓趨向穩(wěn)定時，打開壓力泵閥卸壓，壓裂段液壓作用被解除后破裂縫完全閉合，泵壓降為零。 重張，連續(xù)多次（宜為3-4次）加壓循環(huán)（此時壓力與時間關系曲線上的最高點即為重張壓力Pr），以便取得合理的壓裂

58、參數(shù)以及正確地判斷巖石破裂和裂縫延伸的過程。5 測試成果整理(續(xù)) （2）根據印?；蜚@孔錄像資料，繪制壓裂縫形狀，確定壓裂縫方位。（3）測試成果包括各測試段的破裂壓力pb、瞬時關閉壓力ps、重張壓力pr、孔隙壓力po、靜水壓力ph、巖體抗拉強度t、鉆孔橫截面上大主應力SH及方位和小主應力Sh。在水壓致裂過程中，隨著壓力段液壓增大，孔壁上切向有效壓應力將逐漸下降，最終在某部位變?yōu)槔瓚?，當此拉應力值等于或大于巖石的抗拉強度t時，孔壁上開始出現(xiàn)裂縫，巖石破裂出現(xiàn)的臨界壓力Pb為5 測試成果整理(續(xù)) （） 式中 K孔隙滲透彈性參數(shù)，可在試驗室內確定，其變化范圍為1K2； 、 分別為鉆孔橫斷面上最大

59、、最小平面有效主應力（MPa）。 對非滲透性巖石（巖石滲透系數(shù)小于1個呂容值），K值近似等于1。式（）可簡化為： （） 5 測試成果整理(續(xù))（4）按下列公式計算巖體應力： Sh=ps SH=3Shpbpo+t （） 或 SH=3Shprpo式中 SH、Sh分別為鉆孔橫斷面上的大、小平面主應力； Pb巖體破裂單位壓力，MPa； Po巖體孔隙單位壓力，MPa； t巖體抗拉強度，MPa； Ps瞬時關閉單位壓力，MPa； Pr巖體重張單位壓力，MPa。當壓力傳感器安置在地面時，實測的應力還需疊加單位靜水壓力Ph（MPa）。 5 測試成果整理(續(xù))（5）當鉆孔為鉛直方向時，鉆孔橫截面上大、小主應力為最

60、大和最小水平主應力，最大水平主應力方向為水平面內破裂縫的方向。第五節(jié) 表面應變法測試一 測試基本原理 巖體表面應力測試是通過測量巖體表面應變或位移來計算應力，用于測量巖體表面或地下洞室圍巖表面受擾動后重新分布的巖體應力狀態(tài)。本測試方法包括兩種：表面應力解除法和表面應力恢復法。采用應力恢復法需已知巖體某一主應力的方向，然后根據主應力方向來確定液壓枕和應變計或位移計埋設方向。本方法適用于完整和較完整巖體。 二 測試方法 1 測區(qū)布置（1）測區(qū)及附近巖性應均一完整。（2）每一測區(qū)應布置2-3個測點，各測點應盡量靠近，并避開斷層、裂隙等不良地質構造。（3）當需測求巖體三維應力時，應采用在現(xiàn)場平洞（最好