巖土中的應(yīng)力測量課件

巖土中的應(yīng)力測量制作者：宋鑫華巖土中的應(yīng)力測量制作者：宋鑫華11.土中的應(yīng)力測量土中應(yīng)力測試類型在界面處的應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，如基礎(chǔ)底面、擋土墻背處、地下洞室襯砌外側(cè)等在土體內(nèi)部，如地基內(nèi)部、邊坡體內(nèi)部、厚襯砌內(nèi)部、地下連續(xù)墻內(nèi)部等1.土中的應(yīng)力測量土中應(yīng)力測試類型在界面處的應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力2土中應(yīng)力測試的基本要求：介質(zhì)是連續(xù)介質(zhì)，也就是說儀器埋設(shè)處是連續(xù)介質(zhì)，而且儀器埋設(shè)要有代表性。土中應(yīng)力測試的基本要求：32.土壓力盒測試原理及技術(shù)1-金屬薄膜2-外殼3-鋼弦4-支架5-底座6-鐵芯7-線圈8-接線栓9-屏蔽線10-環(huán)氧樹脂封口圖1一種鋼弦式土壓力盒示意圖2.土壓力盒測試原理及技術(shù)1-金屬薄膜2-外殼3-鋼弦4（1）振弦式傳感器vibratingwiresensor利用振弦的固有頻率變化來感測相關(guān)參數(shù)的傳感器。（2）參比特性referencecharacteristics振弦式傳感器用作參考和比對的直線或曲線。（3）正行程實際平均特性up-travelactualaveragecharacteristics振弦式傳感器正行程各校準(zhǔn)點上一組測量值的算術(shù)平均值點的連接曲線。（4）反行程實際平均特性down-travelactualaveragecharacteristics振弦式傳感器反行程各校準(zhǔn)點上一組測量值的算術(shù)平均值點的連接曲線。（1）振弦式傳感器vibratingwiresenso5（5）正、反行程實際平均特性up-travelanddown-travelactualaveragecharacteristics振弦式傳感器各校準(zhǔn)點的正行程與反行程算術(shù)平均值的平均值點的連接曲線，又稱實際特性(曲GB/T13606—20072線)。（6）分類振弦式傳感器（以下簡稱傳感器）按被測物理量可分為力傳感器、壓力、位移傳感器，具體為：a)力傳感器——應(yīng)變計；——鋼筋測力計；（5）正、反行程實際平均特性up-travelandd6——錨桿應(yīng)力計；——錨索測力計；——反力計等。b)壓力傳感器——孔隙水壓力計；——土壓力計等。c)位移傳感器——位移計；——測縫計；——測斜儀；——沉降儀；——量水堰計等。其他的規(guī)范請參照右面——錨桿應(yīng)力計；其他的規(guī)范請參照右面73.地應(yīng)力測量原理及類型地應(yīng)力的測量原理及類型地應(yīng)力的概念地應(yīng)力的主要特征地應(yīng)力的測量簡況3.地應(yīng)力測量原理及類型地應(yīng)力的測量原理及類型地應(yīng)力的概念地83.1地應(yīng)力的概念定義：在漫長的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運動等原因使地殼物質(zhì)產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，這種應(yīng)力稱為地應(yīng)力，它是地殼應(yīng)力的統(tǒng)稱。地應(yīng)力是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力，廣義上也指地球體內(nèi)的應(yīng)力。它包括由地?zé)岍p重力﹑地球自轉(zhuǎn)速度變化及其他因素產(chǎn)生的應(yīng)力。通常﹐地殼內(nèi)各點的應(yīng)力狀態(tài)不盡相同﹐并且應(yīng)力隨(地表以下)深度的增加而線性地增加。由于所處的構(gòu)造部位和地理位置不同﹐各處的應(yīng)力增加的梯度也不相同。地殼內(nèi)各點的應(yīng)力狀態(tài)在空間分布的總合，稱為地應(yīng)力場。與地質(zhì)構(gòu)造運動有關(guān)的地應(yīng)力場，稱為構(gòu)造應(yīng)力場，通常指導(dǎo)致構(gòu)造運動的地應(yīng)力場。3.1地應(yīng)力的概念定義：在漫長的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運動93.2地應(yīng)力的主要特征新構(gòu)造期和在它之前的喜馬拉雅構(gòu)造期的最大不同，在于應(yīng)力作用的主應(yīng)力方向出現(xiàn)了全新的特征。在喜馬拉雅構(gòu)造期，中國巖石圈的主應(yīng)力方向總體來說是南北向的，其中中國西部的主應(yīng)力方向是北北東-南南西走向，中國東部則為北南走向至北北西-南南東走向。到新構(gòu)造期，主應(yīng)力方向發(fā)生了重大變化，除青藏高原西部和新疆大部仍主要為北北東-南南西走向外，中國北方大部已經(jīng)變?yōu)楸睎|東-南西西走向至東西走向，而中國南方大部則變?yōu)楸蔽?南東走向，三者合起來呈現(xiàn)出放射狀散布的特點，這種構(gòu)造應(yīng)力場是以前的地史上不曾有過的，它說明印度板塊向北碰撞造成的影響已經(jīng)較喜馬拉雅期為弱，而西太平洋俯沖帶的影響又開始顯現(xiàn)出來，二者勢均力敵的結(jié)果便是這種放射狀應(yīng)力場的形成。3.2地應(yīng)力的主要特征新構(gòu)造期和在它之前的喜馬拉雅構(gòu)造期的最103.3地應(yīng)力測量簡況李四光教授是中國地應(yīng)力測量的創(chuàng)始人。早在20世紀(jì)40年代就提出地殼中水平運動為主，水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用。他提出，地殼內(nèi)的應(yīng)力活動是以往和現(xiàn)今使地殼克服阻力，不斷運動發(fā)展的原因；地殼各部分所發(fā)生的一切變形，包括破裂，都是地應(yīng)力作用的反映；劇烈的地應(yīng)力活動會引起地震。因此，“地應(yīng)力的探測是地質(zhì)力學(xué)具有重大實際意義的一個新方面，是值得予以重視的”。新豐江水庫地震和邢臺地震后，更加重視地應(yīng)力測量工作。提出，地應(yīng)力測量是實現(xiàn)地震預(yù)報的重要途徑。他將近八十高齡還親自參加野外地應(yīng)力解除試驗工作，親自分析研究由邢臺地應(yīng)力觀測站發(fā)回的地應(yīng)力變化曲線。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，中國的地應(yīng)力研究與測量工作得到迅速發(fā)展。已具備了完善的理論，多種測試儀器、手段，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、油田、礦山、水工、電站、地震等各個領(lǐng)域。他特別注重從活動地帶里尋找穩(wěn)定地區(qū)，提出了“安全島”理論，為建廠選址提供了依據(jù)，為國民經(jīng)濟建設(shè)做出了重大貢獻。3.3地應(yīng)力測量簡況李四光教授是中國地應(yīng)力測量的創(chuàng)始人。早在114.巖土表面應(yīng)力恢復(fù)測量應(yīng)力恢復(fù)法有時也被稱為應(yīng)力補償方法,應(yīng)用最廣泛的是扁千斤頂法.扁千斤頂法最初主要是在土木工程中作為監(jiān)測應(yīng)力變化的一種手段,它的主要缺點是:在測量時,由于一個扁槽的測量只能確定測點處垂直于扁千斤頂方向的應(yīng)力分量,要確定測點的6個應(yīng)力分量就必須沿測點不同方向切割6個扁槽,這樣可能會使扁槽之間相互干擾而使得測量的結(jié)果失去意義;該法僅局限于地下巷道、洞室表面的應(yīng)力測量,受開挖擾動影響大;測試結(jié)果的可靠性受測量時的環(huán)境條件影響較大,因而在一定程度上限制了它在實際工程中的應(yīng)用.目前該法已很少被用于地應(yīng)力測量,但在礦山中仍被作為監(jiān)測礦柱和圍巖應(yīng)力變化的一種方法.4.巖土表面應(yīng)力恢復(fù)測量應(yīng)力恢復(fù)法有時也被稱為應(yīng)力補償方法,125.水壓致裂法水壓致裂法常規(guī)水壓致裂法(HF法)原生裂隙水壓致裂法(HTPF法)5.水壓致裂法水壓致裂法常規(guī)水壓致裂法(HF法)原生裂隙135.1常規(guī)水壓致裂法(HF法）

HF法是從射井方法移植而來,假定鉆孔軸向為1個主應(yīng)力方向,巖石均質(zhì)、各向同性、連續(xù)、線彈性,采用抗拉破壞準(zhǔn)則,在垂直于最小主應(yīng)力方向出現(xiàn)對稱裂縫,其僅能測得垂直于鉆孔橫截面上的二維應(yīng)力.構(gòu)造作用弱和地形平坦區(qū),垂直孔所測結(jié)果可代表2個水平主應(yīng)力,垂直應(yīng)力約等于上覆巖體自重,裂縫方位為最大水平主應(yīng)力方位.5.1常規(guī)水壓致裂法(HF法）HF法是從射井方法14

HF法測試周期短,不需要巖石力學(xué)參數(shù)參與計算,適合工程初勘階段,不需試驗洞,可進行大深度測量,是目前惟一一種可直接進行深部地應(yīng)力測定的方法.通過對HF法的改進,德國大陸科學(xué)深鉆計劃(KTB)在主孔6000m和9000m處已成功獲得了地應(yīng)力資料.HF法是一種平面應(yīng)力測量方法,為獲得三維應(yīng)力,YMzutaI和MKuriyagawaE提出3孔交匯地應(yīng)力測量,我國長江科學(xué)院和地殼所也進行了大量的測試.但研究表明,當(dāng)鉆孔軸向偏離主應(yīng)力方向

,其結(jié)果就有疑問,要精確獲得三維地應(yīng)力較困難.為此,文獻[7]基于最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則,對3孔交匯HF法測試?yán)碚撨M行了完善,其有助于提高測量結(jié)果的計算精度,但還有待足夠的測量數(shù)據(jù)來驗證.HF法測試周期短,不需要巖石力學(xué)參數(shù)參與計算,適合155.2原生裂隙水壓致裂法(HTPF法)HTPF法是HF法的發(fā)展,其要求在含有原生節(jié)理和裂隙的鉆孔段進行裂隙重張試驗以確定原位應(yīng)力.HTPF法假定裂隙面是平的,且面上應(yīng)力一致.對于深孔三維地應(yīng)力直接測量,HTPF法可進行大尺度的地殼地應(yīng)力測試,很有發(fā)展前途.HTPF法同HF法相比,假設(shè)少,不需考慮巖石破壞準(zhǔn)則和孔隙水壓力,在單孔中便可獲得三維地應(yīng)力.但用HTPF法測試費時,且裂隙產(chǎn)狀和位置的確定誤差都可降低計算精度.5.2原生裂隙水壓致裂法(HTPF法)HTPF法是HF166.套鉆孔應(yīng)力解除法套鉆孔應(yīng)力解除法孔壁應(yīng)變法孔徑變形法孔底應(yīng)變法套鉆孔應(yīng)力解除法根據(jù)解除方式和傳感器的安裝部位分為探孔應(yīng)力解除法、孔底應(yīng)變解除法和孔壁切割解除法.探孔應(yīng)力解除法根據(jù)傳感器的類型可分為孔壁應(yīng)變法和孔徑變形法.6.套鉆孔應(yīng)力解除法套鉆孔應(yīng)力解除法孔壁應(yīng)變法孔徑變形法孔底176.1孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法基于巖石各向同性、均質(zhì)、連續(xù)、線彈性的假設(shè),通過孔壁6個以上不同方向的應(yīng)變值來計算巖體的三維地應(yīng)力.孔壁應(yīng)變法又可分為直接粘貼方法和包體方法.CSIR型三軸應(yīng)變計就是將應(yīng)變元件直接貼到孔壁中.空心包體是將應(yīng)變元件貼到薄筒壁中,再用膠將薄筒和孔壁粘結(jié),典型的如澳大利亞CSIRO型空心包體應(yīng)變計和長江科學(xué)院的CKY-ó空心包體應(yīng)變計(如圖1所示).還有一種實心圓柱式包體技術(shù),由于受包體材料和巖石物理力學(xué)性質(zhì)差異影響大,已基本不用.孔壁應(yīng)變法最大的優(yōu)點是單孔單點可準(zhǔn)確測量巖體的三維地應(yīng)力,缺點是:對巖石的完整性要求高,巖芯解除長度大于40~60cm,并且在巖芯易餅化時測試很難成功;存在應(yīng)變元件的粘貼、防潮、全過程測量和定向等問題;受溫度變化、巖性差異影響大,測量結(jié)果離散性大.目前國內(nèi)空心包體最大測試深度是長江科學(xué)院在惠州抽水蓄能水電站創(chuàng)下的530m記錄.6.1孔壁應(yīng)變法孔壁應(yīng)變法基于巖石各向同性、均質(zhì)、連續(xù)、線彈186.2孔徑變形法孔徑變形法基本上分為直接測量孔徑變形或通過測量環(huán)向變形反算徑向變形2種方式,常用的有USBM型鉆孔變形計和鋼環(huán)式應(yīng)變計等.測試過程與孔壁應(yīng)變法相同,都先把探頭安裝到小孔內(nèi),再進行解除,克服了空心包體材料與巖體的差異帶來的影響,2種方法都通過感應(yīng)元件的觸頭與鉆孔孔壁緊密接觸來測量孔徑變形.因感應(yīng)元件不與孔壁解除,方便標(biāo)定,變形計的線性、重復(fù)性、穩(wěn)定性好,防水性強,靈敏度較高,且測量周期短,可重復(fù)使用.6.2孔徑變形法孔徑變形法基本上分為直接測量孔徑變形或通過測196.3孔底應(yīng)變法孔底應(yīng)變法可分為平底和錐體2種,在底面貼上3個以上的應(yīng)變片進行測量,不需要先鉆小導(dǎo)孔,對巖芯的完整性要求不高,僅5cm長即可,適合破碎巖體以及高應(yīng)力巖芯易餅化區(qū),測試成功率高,周期短,我國曾進行過大量的測試,但目前應(yīng)用已較少,在國外卻得到了廣泛應(yīng)用.孔底應(yīng)變法的缺點是僅能獲得平面應(yīng)力,且孔底必須打磨平滑或磨成錐體,在水下測試成功率低,若想獲得三維地應(yīng)力結(jié)果,通常需在3個以上不同方向鉆孔中進行測試.6.3孔底應(yīng)變法孔底應(yīng)變法可分為平底和錐體2種,在底面貼207.鉆孔崩落法鉆孔崩落是孔壁巖石在高應(yīng)力作用下發(fā)生破壞脫落掉塊的現(xiàn)象,最初僅能獲得鉆孔橫截面上的最大主應(yīng)力方向.它借助于地球物理測井、深部巖體的變形破壞機理和室內(nèi)試驗研究結(jié)果,根據(jù)崩落形狀要素及巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角可估算應(yīng)力大小.該法最大水平主應(yīng)力方向測試較精確,但應(yīng)力量值計算精度還需進一步的提高;當(dāng)鉆孔不存在崩落時,就不能獲得相關(guān)的地應(yīng)力信息;另若巖石各向異性或非均質(zhì)性突出,也會給地應(yīng)力量值和方位的確定帶來很大誤差.7.鉆孔崩落法鉆孔崩落是孔壁巖石在高應(yīng)力作用下發(fā)生破壞脫落掉218.震源機制分析法震源機制分析法是了解地下深處應(yīng)力狀態(tài)的最主要方法.當(dāng)震源體積相對于所研究區(qū)域很小時,可將其近似看成是點源,根據(jù)一組震源機制解或地震矩張量確定該組地震所在區(qū)域的平均構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力方向和應(yīng)力比.震源機制解通常給出地震斷層面及與地震斷層面正交的輔助面的空間位置,多數(shù)情況只能給出這一對垂直面的空間位置.現(xiàn)在實際中還發(fā)展了多震源機制解法.但震源實際過程復(fù)雜,難用沿平面的純剪切錯動描述.目前,已用測定震源的地震矩張量來代替雙力偶模型的震源機制解答,也可用求多個地震的平均地震矩張量的主軸方向來推斷地震所在地區(qū)的主應(yīng)力方向.8.震源機制分析法震源機制分析法是了解地下深處應(yīng)力狀態(tài)的最主229.凱塞效應(yīng)法(Kaiser法)1950年德國學(xué)者凱塞(Kaiser)發(fā)現(xiàn),受過應(yīng)力作用的巖石被再次加載時,在未達到上次加載應(yīng)力前,巖石基本沒有聲發(fā)射,在達到并超過上次加載的應(yīng)力后,聲發(fā)射顯著增加.從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點被稱為Kaiser點,Kaise點所對應(yīng)的應(yīng)力即為材料在歷史上受到的最高應(yīng)力.古德曼(Goodman)在20世紀(jì)60年代初通過實驗驗證了巖石材料具有Kaiser效應(yīng).若利用巖芯地下定位或古地磁法確定巖芯方位,確定不同方向巖芯的最大應(yīng)力值,可得三維應(yīng)力狀態(tài).Kaiser法地應(yīng)力測量可73第29卷第2期景鋒等:地應(yīng)力測量方法研究綜述方便測量其他方法很難到的深度.Kaiser法存在記憶的多期性和記憶衰退問題,且試驗圍壓對結(jié)果影響大.當(dāng)鉆孔很深時,巖芯定位多采用古地磁法,但巖芯從被磁化到現(xiàn)在,巖芯的方位在地下可能發(fā)生變化.9.凱塞效應(yīng)法(Kaiser法)1950年德國學(xué)者凱塞2310.應(yīng)變恢復(fù)法應(yīng)變恢復(fù)法包括非彈性應(yīng)變恢復(fù)法和差應(yīng)變曲線分析法.盡管非彈性應(yīng)變恢復(fù)法測定原位應(yīng)力由沃伊特(Voight)1968年提出,但首次成功應(yīng)用則是由圖菲爾(Teufel)在1982年首次完成的當(dāng)巖芯從周圍巖體分離之后會因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生變形,認(rèn)為變形由瞬時彈性變形和非彈性恢復(fù)變形組成.假定非彈性恢復(fù)應(yīng)變和總的恢復(fù)應(yīng)變成正比,主非彈性恢復(fù)的方向和原巖石主應(yīng)力方向相一致,并已知巖石的本構(gòu)關(guān)系,就可以確定原位應(yīng)力的大小和方向.應(yīng)變恢復(fù)法在巖芯中存在溫度變化、巖芯失水崩解、孔隙壓力變化、巖石各向異性、應(yīng)變恢復(fù)時間長、巖芯定位精度差等影響時,測量精度差.實際中會碰到應(yīng)力恢復(fù)法測得的應(yīng)力方位與解除法不符,這主要與應(yīng)變恢復(fù)法僅能測得部分小應(yīng)變有關(guān).但隨著測試精度的提高,以及大測深的優(yōu)勢,應(yīng)變恢復(fù)法也是深部和非常深部巖體的一種有效的地應(yīng)力測量方法.10.應(yīng)變恢復(fù)法應(yīng)變恢復(fù)法包括非彈性應(yīng)變恢復(fù)法和差應(yīng)變曲線分2411.其他方法

此外還有原子磁性共振法、放射性同位素法、地質(zhì)資料分析法、地球物理探測法、巖芯微裂隙統(tǒng)計法等,這些方法局限于探測大范圍內(nèi)的地殼應(yīng)力狀態(tài),還不能夠為工程建設(shè)提供可靠的地應(yīng)力資料.但對于不同研究程度和工程設(shè)計階段,可對巖體的地應(yīng)力狀態(tài)進行評估.11.其他方法此外還有原子磁性共振法、放射性同位素法2512.地應(yīng)力測量的發(fā)展趨勢隨著深部巖體工程出現(xiàn)的新特征,如:巖體處于高應(yīng)力、高地溫、高孔隙水壓力環(huán)境中,巖體結(jié)構(gòu)特征呈埋深越