巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應

第三節(jié)巖體初始應力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法一、巖體應力現(xiàn)場量測方法概述1.目的：（1）了解巖體中存在的應力大小和方向（2）為分析巖體的工程受力狀態(tài)以及為支護及巖體加固提供依據(jù)（3）預報巖體失穩(wěn)破壞以及預報巖爆的有力工具巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!2.方法分類(表6-1)巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!二、水壓致裂法（一）方法原理及技術要點：通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù)，計算測點附近巖體中地應力大小和方向。壓裂點上下用止水封隔器密封，其結構如圖6-10所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖6-11。巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!各特征壓力的物理意義①P0-巖體內(nèi)孔隙水壓力或地下水壓力②Pb-注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力③Ps-液體進入巖體內(nèi)連續(xù)的將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力④Ps0-關泵后壓力表上保持的壓力，稱為關閉壓力。如圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減⑤Pb0-停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!鉆孔周圍巖體內(nèi)應力(Kirsch.G-基爾斯解)巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!若巖體中有孔隙水壓力Pw，（6-18）式變成：(6-19)由圖6-11知水泵重新加壓使裂縫重新開裂的壓力Pb0，則上式變成：(6-20)19和20兩式對比得：Pb–Pb0=T0(6-21)在關閉壓力Pb0點上，孔壁已經(jīng)開裂，則T0=0,穩(wěn)定開裂壓力由P0下降到Ps0。此時，ps0等于與裂縫垂直的應力，即：巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!因為開裂點方位或開裂裂縫方向可以確定的方位或的方向，所以三個地主應力的方位也就可以相應確定。（2）如果，并且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時為最小地應力，與各為中間主應力及最大地主應力，垂直開裂方向即為最大地應力方向。（四）水壓致裂法的特點設備簡單操作方便測值直觀適應性強

受到重視和推廣缺陷：主應力方向不準巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!2.應力解除法分類按測試深度表面應力解除淺孔應力解除深孔應力解除按測試應變或變形孔徑變形測試孔壁應變測試孔底應力解除法孔壁應力解除法測1個平面3個方向上的應變1平面3方向上的徑位移3平面9個方向應變巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!工作步驟應變觀測系統(tǒng)巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!表面應力解除法直角應變花等邊三角形應變花應力解除槽巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!工作步驟套孔應力解除工作步驟巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!孔徑變形測試傳感器布置巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!計算公式應力解除法，由測試數(shù)據(jù)換算成應力，根據(jù)測試參數(shù)的不同可以分為兩類：(1)由應變換算成應力；(2)徑向位移換算成應力。換算的基本理論和方法都在彈性力學中學過，這僅以(2)為例。由孔徑變形測試換算初始應力，在大多數(shù)試驗場合下，往往進行簡化計算例如假定鉆孔方向和一致，并認為，則（6-24）巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!空間原始應力測試測試空間原始應力，孔壁應變法只須1鉆孔，孔底應變法和孔徑變形法需要3個鉆孔巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!圖6-18應力恢復法原理圖巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!當在槽中埋設壓力枕，并由壓力枕對槽加壓，若施加壓力為p，則在OA線上B點產(chǎn)生的應力分量為

（6－28）巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!實驗過程1.在選定的試驗點上，沿解除槽的中垂線上安裝好量測元件（見圖6-19）巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!如圖6-20所示，ODE為壓力枕加荷曲線，壓力枕不僅加壓到初始讀數(shù)（D點），即恢復了彈性變形，而且繼續(xù)加壓到E點，得到全應變：由應力-應變曲線求巖體應力圖6-20巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!P0PbPsPs0P0Pb0Ps圖6-11壓裂過程泵壓變化及特征壓力圖6-10止水、壓裂工作原理PbPsPsPs0Pb0P0巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!（二）基本理論和計算公式當孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時，設孔周邊兩個水平地應力分別為和，孔壁還受有水壓Pb.如圖6-12。圖6-12孔壁開裂力學模型a巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!在孔壁上r=a，有：當時有最大拉應力：按最大拉應力理論，有(6-15)(6-16)將(6-15)代入(6-16)得孔壁開裂應力條件(6-18)即孔壁開裂在與垂直,的面上式中：T0-巖體的抗強度巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!求得主應力及巖體抗拉強度（三）根據(jù)水壓致裂法試驗結果計算地應力（1）一般來講作為地主應力之一。我們可以將與作比較，若，則可以肯定此時為最小主應力；進一步將與作比較，也就可以以此確定地應力的三個主應力。巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!三、應力解除法1.基本原理：當需要測定巖體中某點的應力狀態(tài)時，人為的將該處巖體單元和周圍的巖體分離，此時，巖體單元上所受的拉力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復。應用一定的儀器，測定彈性恢復的應變值或變形值，并且認為巖體時連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答計算巖體單元所受的應力狀態(tài)。切斷聯(lián)系解除應力應變恢復測試應變計算應力流程要點巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!原理要點向巖體中的測點先鉆進一個平底鉆孔，在孔底中心處粘貼應變傳感器；套孔鉆出巖芯，使孔底平面完全卸載，應變傳感器測得孔底平面中心恢復應變；在室內(nèi)測得巖石的彈性常數(shù)；計算孔底中心處的平面應力狀態(tài)。由于孔底應力解除法只需要鉆進一段不長的巖芯，所以對較破碎的巖體也能應用。（1）巖體孔底應力解除法在孔底平面粘貼3應變片應變花一個平面有3個獨立的應力分量巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!（2）套孔應力解除法原理要點對巖體中某點進行應力量測時，先向該點鉆進一定深度的超前小孔，在此小孔中埋設鉆孔傳感器，再通過鉆取一段同心的管狀巖芯而使應力解除，根據(jù)恢復應變及巖石的彈性常數(shù)，即可求得該點的應力狀態(tài)?？讖阶冃螠y試，孔壁應力解除法，均屬于套孔應力解除法。前者測試套孔應力解除后的孔徑變化；后者測試套孔應力解除后的孔壁應變。其操作步驟和原理基本相同巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!鉆孔的深度必須超過開挖影響區(qū)，才能測到巖體內(nèi)的原始應力，否則測出的是二次應力。巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!套孔應力解除使用的傳感器

孔徑變形測試采用位移傳感器；孔壁應力解除采用應變傳感器。，巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!孔壁應力解除法傳感器布置巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!式中：-鉆孔直徑變化值-鉆孔直徑-量測方向和水平軸的夾角-巖石彈性模量與泊松比在實際計算中，由于考慮到應力解除是逐步向深處進行的，實際上不是平面變形而是平面應力，則有式中：

分別為在0度，45度和90度三個方向上同時測定的孔徑變化。巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!四、應力恢復法

應力恢復法是用來直接測定巖體應力大小的一種測試方法，目前此法僅用于巖體表層，應力。當己知某巖體中的主應力方向時，采用本法比較方便。如圖6-18，當洞室某側墻上的表層圍巖應力的主應力方向各為垂直于水平方向時，就可用到應力恢復法測得的大小。巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!基本原理：在側墻上沿測點o，先沿水平方向開一個解除槽，則在槽的上下附近，圍巖應力得到部分解除，應力狀態(tài)重新分布。在槽的中心線OA上的應力狀態(tài)，根據(jù)H.N.穆斯海里什維里理論，把槽看作一條縫，得到：

（6－27）式中—OA線上某點B上的應力分量—B點離槽中心O的距離的倒數(shù)。巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!當壓力枕所施加的力時，這時B點的總應力分量為

可見當壓力枕所施加的力時，則巖體中的應力狀態(tài)已完全恢復，所求的應力即由P值而得知，這就是應力恢復法的基本原理。巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!2.記錄量測元件—應變計的讀數(shù)。3.開鑿解除鑿，巖體產(chǎn)生變形并記錄應變計上的讀數(shù)。4.在開挖好的解除鑿中埋設壓力枕，并用水泥砂漿充填空隙。5.待充填水泥漿達到一定強度后，即將壓力枕聯(lián)接油泵，通過壓力枕對巖體施壓。隨著壓力枕所施加的力p的增加，巖體變形逐漸恢復。逐點記錄壓力p與恢復變形的關系。6.假設巖體為理想彈性體，則當應變計回復到初始讀數(shù)時，此時壓力枕對巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應力。巖體力學第六章巖體的初始應力狀態(tài)第三節(jié)巖體初始應共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!由壓力枕逐步卸載，