巖體原位應(yīng)力測試課件

1、第10章 巖體原位應(yīng)力測試1. 巖體表面應(yīng)力測量2. 鉆孔孔徑變形法3. 鉆孔孔壁應(yīng)變法(自學(xué))4. 鉆孔孔底應(yīng)變法5. 水壓致裂法目 錄巖體應(yīng)力是泛指存在于巖體內(nèi)部的應(yīng)力，它包括巖體初始應(yīng)力和圍巖應(yīng)力。巖體初始應(yīng)力是指天然狀態(tài)下巖體內(nèi)賦存的應(yīng)力，它又稱原巖應(yīng)力，在地震地質(zhì)領(lǐng)域常稱地應(yīng)力，它主要由上覆巖層重力形成的自重應(yīng)力和由地殼運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力(包括現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力和殘余構(gòu)造應(yīng)力)所組成。圍巖應(yīng)力是指巖體被擾動(dòng)后引起重分布的應(yīng)力，又稱二次應(yīng)力，它是由于入工開挖等工程活動(dòng)而形成。 前 言巖體應(yīng)力在有些地區(qū)表現(xiàn)很高，在那里進(jìn)行地下洞室等巖土工程建設(shè)時(shí)，常會(huì)遇到巖層剝落、彎曲變形、隆起或其他穩(wěn)定問

2、題。在這些地區(qū)了解場地的巖體應(yīng)力大小和方向，對工程設(shè)計(jì)與施工是至關(guān)重要的。在另一些地區(qū)巖體應(yīng)力雖然不是很高，但它對重大地下工程的最佳形狀、布置方向、支護(hù)系統(tǒng)和最終費(fèi)用也可能有重大影響。所以巖體應(yīng)力已成為巖土工程建設(shè)極其重要的基本資料。 巖體應(yīng)力與場地的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、巖體特性、成巖過程以及人為的工程活動(dòng)有關(guān)。前 言巖體應(yīng)力測量方法分類表1.1 應(yīng)力恢復(fù)法1.2 應(yīng)力解除法1. 巖體表面應(yīng)力測量 (1)測試原理 應(yīng)力恢復(fù)法是在巖體表面或地下洞室圍巖表面預(yù)先布置好測量元件，當(dāng)其旁邊開槽解除巖體中的應(yīng)力時(shí)，測量元件讀數(shù)便發(fā)生變化。再把平面扁千斤頂放入槽內(nèi)加壓，使測量元件恢復(fù)到原來狀態(tài)，此時(shí)千斤頂

3、的應(yīng)力就是垂直槽壁方向的巖體應(yīng)力。 1.1 應(yīng)力恢復(fù)法(2)應(yīng)用范圍 1)本法僅適用于巖體表面應(yīng)力測量，每次只能確定一個(gè)方向的應(yīng)力。如果要測定三向應(yīng)力至少要在各個(gè)獨(dú)立方向上進(jìn)行六次測量。 2)此法可在相對破碎巖體中進(jìn)行測量，但必須有可能切割出安裝扁千斤頂?shù)牟邸?3)此法只能恢復(fù)正(壓)應(yīng)力，不能恢復(fù)剪應(yīng)力，也不適用于負(fù)(拉)應(yīng)力地區(qū)。(4)測試要點(diǎn)1)把試驗(yàn)面上的松動(dòng)巖石清除，并使之基本平整，并做好現(xiàn)場描述;2)在已處理好的巖面上安裝應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)的方向應(yīng)與解除槽長軸垂直，應(yīng)變計(jì)的中心點(diǎn)與解除槽長軸中心的距離應(yīng)為槽長的1 /3。應(yīng)變計(jì)安裝好后應(yīng)加蓋保護(hù)罩，然后進(jìn)行多次讀數(shù)，以確定應(yīng)變計(jì)的初值。

4、也可在解除槽兩側(cè)預(yù)埋測點(diǎn)，用可拆卸的位移計(jì)量測;3)用鉆機(jī)或切割機(jī)進(jìn)行分級(jí)掏槽，每級(jí)掏槽深度為2cm，同時(shí)記錄相應(yīng)的應(yīng)變計(jì)讀數(shù)。槽的深度一般要求大于扁千斤頂?shù)某叽?，并使加載的扁千斤頂外緣埋入巖面25mm，以防止加載過程中巖石局部破壞;4)用清水將槽內(nèi)的巖粉等沖洗干凈，并把調(diào)制好的水泥砂漿灌入槽內(nèi)，再把扁千斤頂推入并搗實(shí)砂漿。必須嚴(yán)防漿體中夾入氣泡，否則將損壞扁千斤頂或使試驗(yàn)結(jié)果不可靠;5)待砂漿凝固后，接通扁千斤頂和油泵，即可加壓進(jìn)行應(yīng)力恢復(fù)試驗(yàn)，一般采用分級(jí)加壓并同時(shí)記錄應(yīng)變計(jì)讀數(shù)。最大一級(jí)壓力應(yīng)大于解除結(jié)束時(shí)應(yīng)變計(jì)測讀的相應(yīng)壓力。應(yīng)力恢復(fù)法試驗(yàn)示意圖 (5)資料整理 1)修正記錄的扁千斤頂

5、油壓，使之成為實(shí)際作用在槽上的壓力，扁千斤頂修正系數(shù)在室內(nèi)作出率定。 2)計(jì)算出每級(jí)開槽和加壓的巖體應(yīng)變值。計(jì)算的方法是每一級(jí)開槽和加壓時(shí)應(yīng)變計(jì)讀數(shù)減去初始值。 3)畫出巖體應(yīng)變值和開挖深度、扁千斤頂壓力的關(guān)系曲線。只要該關(guān)系曲線中巖體應(yīng)變值與壓力之間不出現(xiàn)顯著的滯后現(xiàn)象，扁千斤頂?shù)幕謴?fù)壓力(pc)大體上等于解除壓力，亦即該方向的巖體應(yīng)力。 (1)測試原理 應(yīng)力解除法是在巖體表面和地下洞室壁上預(yù)先埋設(shè)應(yīng)變計(jì)(或貼電阻片)，然后在其周圍掏環(huán)形槽(圖)，并同時(shí)測量巖體應(yīng)力解除后的應(yīng)變值。根據(jù)巖體應(yīng)力解除前后的應(yīng)變變化和巖體的彈性模量，計(jì)算巖體的表面應(yīng)力。1.2 應(yīng)力解除法(2)應(yīng)用范圍 應(yīng)力解除法

6、常用于巖體表面和地下洞室圍巖表面的應(yīng)力測量。每次試驗(yàn)只能確定平面上兩個(gè)方向的最大、最小主應(yīng)力。如果要確定該處的三向應(yīng)力，至少要在三個(gè)不同方向的面上進(jìn)行三次測量。 (3)主要儀器設(shè)備 1)鋼弦應(yīng)變計(jì)和鋼弦應(yīng)變儀或電阻應(yīng)變片和電阻應(yīng)變儀。 2)應(yīng)變計(jì)保護(hù)罩。 3)鉆機(jī)及相應(yīng)配套的器材，用于掏槽。 應(yīng)力解除法試驗(yàn)布置示意圖(4)測試要點(diǎn) 1)清除試面上松動(dòng)巖塊并把它整平，其范圍不小于解除巖芯直徑的2倍。巖面起伏差不超過0.5cm，要做好試面的現(xiàn)場描述; 2)在已處理的試驗(yàn)面上，埋設(shè)應(yīng)變計(jì)叢(或貼應(yīng)變片叢)。每組應(yīng)變叢不得少于三只應(yīng)變計(jì)(片)。應(yīng)變計(jì)(片)埋好后，應(yīng)加保護(hù)罩，以防損壞; 3)把應(yīng)變計(jì)(

7、片)與應(yīng)變儀接通，讀出并記錄各應(yīng)變計(jì)(片)的初始值; 4)用鉆機(jī)分級(jí)掏槽，并記錄其應(yīng)變讀數(shù)。每級(jí)掏深一般為2cm，掏槽的最終深度一般要求達(dá)到應(yīng)變讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)為止，并不得小于解除巖芯直徑的0.5倍。(5)資料整理1)根據(jù)測得的物理量換算成應(yīng)變值后，計(jì)算各級(jí)解除深度下的應(yīng)變值 iH=nH-0H2)繪制應(yīng)變叢各應(yīng)變計(jì)(片)的應(yīng)變值與解除深度的關(guān)系曲線，并根據(jù)曲線選取各應(yīng)變計(jì)(片)的穩(wěn)定應(yīng)變值。3)根據(jù)穩(wěn)定應(yīng)變值，計(jì)算主應(yīng)變及其方向。4)計(jì)算最大、最小主應(yīng)力2.1 測試原理2.2 應(yīng)用范圍2.3 主要儀器設(shè)備2.4 測試要點(diǎn)2.5 資料整理2. 鉆孔孔徑變形法鉆孔孔徑變形法是通過套孔鉆進(jìn)測量解除前后孔徑

8、變化來確定巖體應(yīng)力的一種方法，目前主要采用鉆孔變形計(jì)和壓磁應(yīng)力計(jì)兩種測試方法，適用于完整和較完整巖法體。2.1 測試原理四個(gè)彈性鋼環(huán)，電阻片應(yīng)變-直徑-應(yīng)力變形應(yīng)變應(yīng)力2.2 應(yīng)用范圍量測儀表及安裝設(shè)備四分向環(huán)式鉆孔變形計(jì)、電阻應(yīng)變儀或壓磁應(yīng)力計(jì)(包括加力裝置)、壓磁應(yīng)力儀、送進(jìn)桿、水平及垂直定向裝置、圍壓率定器、穩(wěn)壓電源設(shè)備鉆孔設(shè)備鉆機(jī)及相應(yīng)配套的巖芯管、鉆桿等;36mm鉆頭，110mm或130mm鉆頭;孔底磨平鉆頭和錐形鉆頭2.3 主要儀器設(shè)備2.4 測試要點(diǎn)（3）用f36mm鉆頭鉆一深約300-400mm的同心孔，并將鉆孔沖洗干凈；2.5 資料整理2)計(jì)算與鉆孔軸垂直平面內(nèi)的最大、最小主

9、應(yīng)力及其方向4.1 測試原理4.2 應(yīng)用范圍4.3 主要儀器設(shè)備4.4 測試要點(diǎn)4.5 資料整理4. 鉆孔孔底應(yīng)變法孔底應(yīng)變法是借助于粘貼在鉆孔底面上的電阻應(yīng)變片測量套鉆解除前后孔底巖體的應(yīng)變變化，利用彈性理論的經(jīng)驗(yàn)公式及巖石的彈性模量計(jì)算應(yīng)力。孔底應(yīng)變計(jì)有一個(gè)硬塑料外殼，在其端面借助于厚0.5mm的有機(jī)玻璃片或賽璐珞片(或薄橡皮)上貼有一組電阻應(yīng)變叢。外殼另一端用膠粘劑(通常為環(huán)氧樹脂)粘貼在孔底表面中央三分之一面積內(nèi)。這樣，當(dāng)孔底巖面由于套鉆解除發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變計(jì)將隨之變化。4.1 測試原理 (1)此法適用于地下水位以上完整和較完整的致密與細(xì)粒結(jié)構(gòu)的巖體。由于此法要求解除巖芯較短，僅需大于

10、孔徑的深度即可，因此在有一定程度破碎的巖體和出現(xiàn)餅狀巖芯的地區(qū)，有時(shí)也可使用。(2)采用孔底應(yīng)變計(jì)測量巖體三向應(yīng)力，需要鉆三個(gè)交會(huì)孔，三孔的布置應(yīng)將兩側(cè)斜孔與中間垂直孔形成455的夾角。(3)此法測試深度不大，一般在20m以內(nèi)。4.2 應(yīng)用范圍量測儀器及安裝設(shè)備孔底應(yīng)變計(jì)、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和預(yù)調(diào)平衡接線箱、安裝桿、安裝器及定位裝置、孔底擦洗器及烘干器、圍巖率定器、穩(wěn)壓電源設(shè)備鉆孔設(shè)備鉆機(jī)及配套的巖芯管、鉆桿等器材、76mm鉆頭、76mm磨平鉆頭及細(xì)磨鉆頭4.3 主要儀器設(shè)備 (1)鉆孔 (2)磨平孔底 (3)洗孔 (4)粘貼應(yīng)變計(jì) (5)套鉆解除與應(yīng)變測試 (6)記錄測試段孔深、鉆孔方位及其傾角

11、。4.4 測試要點(diǎn)4.5 資料整理5.1 測試原理5.2 應(yīng)用范圍5.3 主要儀器設(shè)備5.4 測試要點(diǎn)5.5 資料整理5. 水壓致裂法水壓致裂法是在鉆孔內(nèi)用兩個(gè)可膨脹的橡膠封隔器將鉆孔的試驗(yàn)段隔離開來，施加水壓，通過測量(在試驗(yàn)水平面)巖石的裂隙產(chǎn)生、傳播、保持和重新開裂所需水壓力來確定垂直于鉆孔平面的最大、最小主應(yīng)力。它們的方向，一般是通過觀測和測量由水壓力導(dǎo)致鉆孔壁破裂(水壓致裂)面的方位獲得的。5.1 測試原理 (1)這種方法是在超深孔內(nèi)唯一能確定巖體應(yīng)力的一種技術(shù)。它的測試深度，在我國已達(dá)到1000m以上。 (2)此法的優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先知道巖石的彈性模量，而且在水下測試也無困難。 (3)此法假設(shè)鉆孔方向是其中一個(gè)主應(yīng)力方向，垂直應(yīng)力一般是根據(jù)上覆巖層重量來計(jì)算的。如果鉆孔方向偏離主應(yīng)力方向甚大(大于士15)，這樣得出的成果，誤差就