小孔厚壁套芯應(yīng)力解除：高地應(yīng)力精準(zhǔn)測(cè)試的創(chuàng)新路徑一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下工程逐漸向深部巖體發(fā)展，如深埋隧道、地下廠房、深部礦山開采等。深部巖體所處的地應(yīng)力環(huán)境更為復(fù)雜，高地應(yīng)力問題日益凸顯。地應(yīng)力作為巖體的固有屬性，對(duì)工程的穩(wěn)定性、安全性以及施工過程有著至關(guān)重要的影響。在高地應(yīng)力條件下，巖體的力學(xué)行為會(huì)發(fā)生顯著變化，可能導(dǎo)致諸如隧道大變形、巖爆、地下洞室坍塌等工程災(zāi)害，嚴(yán)重威脅工程的安全施工與運(yùn)營(yíng)。因此，準(zhǔn)確測(cè)量深部巖體的地應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于合理設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)、優(yōu)化施工方案、保障工程安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在眾多地應(yīng)力測(cè)量方法中，小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為高地應(yīng)力測(cè)試領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。該方法基于彈性力學(xué)理論，通過在鉆孔中進(jìn)行套芯應(yīng)力解除操作，測(cè)量巖體的應(yīng)變變化，進(jìn)而計(jì)算出地應(yīng)力的大小和方向。相較于其他方法，小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法具有測(cè)量精度高、適用范圍廣、能夠獲取巖體深部地應(yīng)力信息等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于高地應(yīng)力環(huán)境下的地應(yīng)力測(cè)量。然而，盡管該方法在理論和實(shí)踐上取得了一定的成果，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如測(cè)量過程復(fù)雜、對(duì)測(cè)量設(shè)備和技術(shù)要求高、測(cè)量結(jié)果受多種因素影響等。因此，深入研究小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法，改進(jìn)和完善測(cè)量技術(shù)，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的研究可以追溯到20世紀(jì)中期，隨著巖石力學(xué)和工程建設(shè)的發(fā)展逐步完善。國(guó)外方面，自1949年奧爾森（O.J.Olson）首次將應(yīng)力解除法用于巖石應(yīng)力測(cè)量，此后套孔應(yīng)力解除法歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，成為適用性和可靠性較高的地應(yīng)力測(cè)量方法之一。在理論研究上，國(guó)外學(xué)者基于彈性力學(xué)和巖石力學(xué)理論，對(duì)小孔厚壁套芯應(yīng)力解除過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了深入研究，建立了較為完善的理論模型，如基于胡克定律推導(dǎo)地應(yīng)力與測(cè)量應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為測(cè)量結(jié)果的計(jì)算和分析提供了理論基礎(chǔ)。在技術(shù)和設(shè)備方面，瑞典研發(fā)的深鉆孔水下三向應(yīng)變計(jì)是深鉆孔套芯應(yīng)力解除法中較為突出的設(shè)備，其最大測(cè)量深度可達(dá)510m。該設(shè)備在多個(gè)國(guó)際重大工程中得到應(yīng)用，為深部巖體地應(yīng)力測(cè)量提供了重要技術(shù)支持。此外，國(guó)外在測(cè)量?jī)x器的精度、穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度方面不斷改進(jìn)，研發(fā)出了高精度的應(yīng)變測(cè)量傳感器和自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高了測(cè)量效率和準(zhǔn)確性。在國(guó)內(nèi)，小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法也得到了廣泛的研究和應(yīng)用。上世紀(jì)80年代，北京地質(zhì)力學(xué)研究所將空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)商品化生產(chǎn)，推動(dòng)了該方法在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。長(zhǎng)江科學(xué)院在深鉆孔套芯應(yīng)力解除法的研究和應(yīng)用方面取得了顯著成果，1984年引進(jìn)瑞典的深鉆孔水下三向應(yīng)變計(jì)后，先后在長(zhǎng)江三峽工程、烏江構(gòu)皮灘水利樞紐、廣州、杭州天荒坪、河北張河灣、山東泰安等抽水蓄能電站工程進(jìn)行了大量的地應(yīng)力測(cè)量工作，其中在三峽工程船閘區(qū)、廣州抽水蓄能電站和惠州抽水蓄能電站的地應(yīng)力測(cè)量中，最深測(cè)量深度已突破300m大關(guān)。在理論研究上，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的理論模型進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，考慮了巖體的非線性、各向異性等特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)，在測(cè)量技術(shù)和設(shè)備方面，國(guó)內(nèi)也在不斷創(chuàng)新，研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)量?jī)x器和設(shè)備，如空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)等，提高了測(cè)量的可靠性和適應(yīng)性。在實(shí)際應(yīng)用中，小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法在各類工程中發(fā)揮了重要作用。在隧道工程中，如米倉(cāng)山隧道，通過該方法測(cè)量地應(yīng)力，為隧道的設(shè)計(jì)和施工提供了重要依據(jù)，有效避免了高地應(yīng)力條件下隧道大變形、巖爆等災(zāi)害的發(fā)生。在礦山工程中，如三山島金礦采空區(qū)，利用套孔應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力，為預(yù)留礦柱的二次回采提供了穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。一方面，測(cè)量過程復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)要求較高，測(cè)量過程中的人為因素可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。另一方面，測(cè)量結(jié)果受巖體的不均勻性、各向異性、地下水等多種因素的影響，如何準(zhǔn)確考慮這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性，仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，在深部巖體地應(yīng)力測(cè)量中，隨著測(cè)量深度的增加，測(cè)量設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性面臨更大挑戰(zhàn)，如何研發(fā)適應(yīng)深部復(fù)雜環(huán)境的測(cè)量設(shè)備，也是亟待解決的問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入探究小孔厚壁套芯應(yīng)力解除的高地應(yīng)力測(cè)試方法，具體研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的原理研究：深入剖析小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的理論基礎(chǔ)，基于彈性力學(xué)理論，詳細(xì)推導(dǎo)套芯應(yīng)力解除過程中巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，明確測(cè)量應(yīng)變與地應(yīng)力之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，為后續(xù)的測(cè)量和計(jì)算提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。例如，研究不同彈性力學(xué)模型下，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)比經(jīng)典的胡克定律模型與考慮巖體非線性特性的修正模型。測(cè)量實(shí)施步驟與技術(shù)要點(diǎn)：系統(tǒng)梳理小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)施步驟，從鉆孔的布置、鉆進(jìn)要求，到測(cè)量元件的安裝、應(yīng)力解除過程的操作，再到數(shù)據(jù)采集與記錄等環(huán)節(jié)，進(jìn)行詳細(xì)闡述和分析。同時(shí)，總結(jié)各步驟中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，如鉆孔的垂直度控制、測(cè)量元件的精確安裝、應(yīng)力解除過程中的鉆進(jìn)速度和壓力控制等。測(cè)量過程中的技術(shù)難點(diǎn)及解決方案：針對(duì)小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法在實(shí)際應(yīng)用中面臨的技術(shù)難點(diǎn)，如測(cè)量過程復(fù)雜導(dǎo)致的操作誤差、測(cè)量結(jié)果受巖體不均勻性和各向異性的影響、深部測(cè)量時(shí)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性問題等，進(jìn)行深入分析，并提出相應(yīng)的解決方案。例如，研究如何通過改進(jìn)測(cè)量設(shè)備和技術(shù)，提高測(cè)量的自動(dòng)化程度，減少人為操作誤差；采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法，如多元回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，考慮巖體的復(fù)雜特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)際工程案例分析：選取具有代表性的實(shí)際工程案例，如深埋隧道、地下廠房、深部礦山開采等工程，應(yīng)用小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。通過實(shí)際案例，驗(yàn)證該方法的有效性和可靠性，同時(shí)分析測(cè)量結(jié)果在工程設(shè)計(jì)和施工中的應(yīng)用效果，為類似工程提供參考和借鑒。在研究方法上，本研究將采用多種方法相結(jié)合的方式：理論分析：運(yùn)用彈性力學(xué)、巖石力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的原理、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、測(cè)量誤差等進(jìn)行深入的理論推導(dǎo)和分析，建立完善的理論模型，為測(cè)量方法的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論支持。數(shù)值模擬：利用數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、FLAC3D等，對(duì)小孔厚壁套芯應(yīng)力解除過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過設(shè)定不同的巖體參數(shù)、地應(yīng)力條件和測(cè)量工況，模擬測(cè)量過程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變變化以及測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，分析各種因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響規(guī)律，為實(shí)際測(cè)量提供指導(dǎo)。實(shí)際案例研究：結(jié)合實(shí)際工程，開展小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的地應(yīng)力測(cè)量工作，獲取真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)際案例中的測(cè)量過程、測(cè)量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，提高研究成果的實(shí)用性和可靠性。二、小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法基本原理2.1套芯應(yīng)力解除法概述套芯應(yīng)力解除法作為一種全應(yīng)力解除法，在巖體地應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。其核心原理基于彈性力學(xué)理論，即當(dāng)巖體中的某一部分巖芯通過套芯方式從周圍巖體中分離出來時(shí)，該巖芯所受到的原巖應(yīng)力得以解除，進(jìn)而發(fā)生彈性恢復(fù)變形。通過精確測(cè)量這一變形過程中產(chǎn)生的應(yīng)變，再依據(jù)彈性力學(xué)中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，就能夠反推出巖體初始的應(yīng)力狀態(tài)，即原巖應(yīng)力的大小和方向。從本質(zhì)上講，套芯應(yīng)力解除法是利用了巖石的彈性特性。在自然狀態(tài)下，巖體處于復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)中，各個(gè)方向都承受著應(yīng)力作用。當(dāng)采用套芯技術(shù)將巖芯從巖體中取出時(shí)，巖芯所受的外部約束被去除，應(yīng)力得以釋放，巖芯會(huì)按照自身的彈性性質(zhì)進(jìn)行恢復(fù)變形。這一過程類似于將一個(gè)被壓縮的彈簧突然釋放，彈簧會(huì)恢復(fù)到其初始的形狀，而巖芯的恢復(fù)變形量與它所經(jīng)歷的原巖應(yīng)力大小密切相關(guān)。在實(shí)際操作中，套芯應(yīng)力解除法通常需要在鉆孔內(nèi)進(jìn)行。首先在選定的測(cè)量位置鉆取一個(gè)大直徑的鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)安裝測(cè)量元件，如應(yīng)變計(jì)等。接著，使用專門的套芯工具，在測(cè)量元件周圍套取一個(gè)巖芯，使巖芯與周圍巖體完全分離。在套芯過程中，通過測(cè)量元件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖芯的應(yīng)變變化，這些應(yīng)變數(shù)據(jù)將成為后續(xù)計(jì)算原巖應(yīng)力的關(guān)鍵依據(jù)。例如，在一個(gè)理想的均勻、各向同性的巖體中，當(dāng)巖芯受到均勻的三向應(yīng)力作用時(shí)，根據(jù)胡克定律，其在各個(gè)方向上的應(yīng)變與所受應(yīng)力之間存在著明確的線性關(guān)系。假設(shè)巖芯在x、y、z三個(gè)方向上的應(yīng)力分別為\sigma_x、\sigma_y、\sigma_z，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分別為\varepsilon_x、\varepsilon_y、\varepsilon_z，巖石的彈性模量為E，泊松比為\mu，則有：\varepsilon_x=\frac{1}{E}[\sigma_x-\mu(\sigma_y+\sigma_z)]\varepsilon_y=\frac{1}{E}[\sigma_y-\mu(\sigma_x+\sigma_z)]\varepsilon_z=\frac{1}{E}[\sigma_z-\mu(\sigma_x+\sigma_y)]通過測(cè)量得到巖芯在三個(gè)方向上的應(yīng)變\varepsilon_x、\varepsilon_y、\varepsilon_z，以及已知巖石的彈性參數(shù)E和\mu，就可以聯(lián)立上述方程求解出原巖應(yīng)力\sigma_x、\sigma_y、\sigma_z。然而，在實(shí)際的巖體中，情況往往更為復(fù)雜，巖體可能存在不均勻性、各向異性等特性，這就需要對(duì)上述理論進(jìn)行修正和完善，以提高地應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性。2.2小孔厚壁套芯的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)小孔厚壁套芯相較于傳統(tǒng)的套芯方式，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其對(duì)測(cè)量過程中巖芯狀態(tài)的影響以及測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性的提升上。從力學(xué)原理角度來看，增大套孔與測(cè)量孔的孔徑比具有重要意義。在高地應(yīng)力環(huán)境下，巖體內(nèi)部?jī)?chǔ)存著巨大的能量。當(dāng)進(jìn)行套芯應(yīng)力解除操作時(shí)，巖芯從巖體中分離出來，其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生急劇變化。此時(shí)，巖芯會(huì)受到因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力作用。傳統(tǒng)的套芯方式中，由于套孔與測(cè)量孔孔徑比較小，巖芯在應(yīng)力解除過程中抵抗拉伸應(yīng)力的能力相對(duì)較弱。而小孔厚壁套芯通過增大孔徑比，增加了巖芯的橫截面積，根據(jù)材料力學(xué)原理，橫截面積的增大能夠有效提高巖芯的抗拉能力。例如，在相同的應(yīng)力釋放條件下，假設(shè)傳統(tǒng)套芯方式下巖芯的橫截面積為A_1，所能承受的最大拉伸應(yīng)力為\sigma_{max1}，當(dāng)采用小孔厚壁套芯方式使巖芯橫截面積增大為A_2（A_2>A_1）時(shí)，根據(jù)抗拉強(qiáng)度公式F=\sigma_{max}A（其中F為拉力，\sigma_{max}為材料的抗拉強(qiáng)度，A為橫截面積），在材料抗拉強(qiáng)度不變的情況下，巖芯能夠承受更大的拉力，即其抗拉能力得到增強(qiáng)。這種增強(qiáng)的抗拉能力對(duì)于避免巖芯餅化現(xiàn)象起到了關(guān)鍵作用。巖芯餅化是高地應(yīng)力測(cè)量中常見的問題，當(dāng)巖芯受到的拉伸應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生餅化現(xiàn)象。餅化的巖芯無法準(zhǔn)確反映巖體初始的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)失真。而小孔厚壁套芯通過提高巖芯的抗拉能力，有效降低了巖芯在應(yīng)力解除過程中因拉伸應(yīng)力作用而發(fā)生餅化的可能性。以某深埋隧道工程的地應(yīng)力測(cè)量為例，在采用傳統(tǒng)套芯方式時(shí)，巖芯餅化率高達(dá)30%，測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性受到嚴(yán)重影響。而改用小孔厚壁套芯方式后，巖芯餅化率降低至5%以下，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性得到了極大提升。此外，小孔厚壁套芯還能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的巖體條件。在實(shí)際工程中，巖體往往存在不均勻性和各向異性。小孔厚壁套芯由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在面對(duì)這些復(fù)雜巖體條件時(shí)，能夠更穩(wěn)定地獲取巖體的應(yīng)變信息。其較大的孔徑比使得巖芯在應(yīng)力解除過程中，對(duì)巖體局部缺陷和結(jié)構(gòu)面的敏感性相對(duì)降低。即使巖體中存在一些微小的裂隙或結(jié)構(gòu)面，厚壁巖芯也能夠在一定程度上保持完整性，從而確保測(cè)量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映巖體的整體應(yīng)力狀態(tài)。2.3相關(guān)力學(xué)理論基礎(chǔ)小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的理論基礎(chǔ)涵蓋彈性力學(xué)和巖石力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，這些理論從不同角度為該方法提供了關(guān)鍵的支撐，使得從巖體受力變形到地應(yīng)力計(jì)算的整個(gè)過程得以科學(xué)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。彈性力學(xué)是研究彈性體在外部荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布規(guī)律的學(xué)科。在小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法中，彈性力學(xué)的理論起著核心作用。當(dāng)巖體處于自然狀態(tài)時(shí)，它承受著原巖應(yīng)力的作用。根據(jù)彈性力學(xué)理論，在這種應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)部各點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。假設(shè)巖體為各向同性的彈性體，在笛卡爾坐標(biāo)系下，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系遵循胡克定律，即：\varepsilon_{x}=\frac{1}{E}[\sigma_{x}-\mu(\sigma_{y}+\sigma_{z})]\varepsilon_{y}=\frac{1}{E}[\sigma_{y}-\mu(\sigma_{x}+\sigma_{z})]\varepsilon_{z}=\frac{1}{E}[\sigma_{z}-\mu(\sigma_{x}+\sigma_{y})]\gamma_{xy}=\frac{1}{G}\tau_{xy}\gamma_{yz}=\frac{1}{G}\tau_{yz}\gamma_{zx}=\frac{1}{G}\tau_{zx}其中，\varepsilon_{x}、\varepsilon_{y}、\varepsilon_{z}分別為x、y、z方向的線應(yīng)變；\gamma_{xy}、\gamma_{yz}、\gamma_{zx}分別為xy、yz、zx平面內(nèi)的剪應(yīng)變；\sigma_{x}、\sigma_{y}、\sigma_{z}分別為x、y、z方向的正應(yīng)力；\tau_{xy}、\tau_{yz}、\tau_{zx}分別為xy、yz、zx平面內(nèi)的剪應(yīng)力；E為彈性模量，反映了材料抵抗彈性變形的能力；\mu為泊松比，表示橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值；G為剪切模量，與彈性模量和泊松比之間存在關(guān)系G=\frac{E}{2(1+\mu)}。在套芯應(yīng)力解除過程中，當(dāng)巖芯從巖體中分離出來時(shí)，原有的應(yīng)力狀態(tài)被打破，巖芯會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)變形。此時(shí)，通過測(cè)量巖芯表面的應(yīng)變值，利用上述彈性力學(xué)公式，就可以反推得到巖體在解除應(yīng)力前的應(yīng)力狀態(tài)，即原巖應(yīng)力。例如，在某一測(cè)量實(shí)例中，通過在巖芯表面粘貼應(yīng)變片，測(cè)量得到在x方向的應(yīng)變\varepsilon_{x}=1.5\times10^{-4}，已知巖石的彈性模量E=3\times10^{4}MPa，泊松比\mu=0.25，假設(shè)\sigma_{y}和\sigma_{z}對(duì)\varepsilon_{x}的影響可以忽略不計(jì)（在特定的應(yīng)力狀態(tài)下），則根據(jù)胡克定律\sigma_{x}=E\varepsilon_{x}=3\times10^{4}\times1.5\times10^{-4}=4.5MPa，從而得到了巖體在x方向的應(yīng)力值。巖石力學(xué)則主要研究巖石的物理力學(xué)性質(zhì)以及巖體在各種荷載作用下的力學(xué)行為。在小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法中，巖石力學(xué)理論為理解巖體的特性提供了重要依據(jù)。巖體并非理想的均勻、連續(xù)介質(zhì)，它具有復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和賦存條件，存在節(jié)理、裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面會(huì)顯著影響巖體的力學(xué)性質(zhì)，使得巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變得更為復(fù)雜。例如，節(jié)理的存在會(huì)降低巖體的強(qiáng)度和彈性模量，改變其變形特性。在測(cè)量地應(yīng)力時(shí)，需要考慮巖體的這些特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。通過巖石力學(xué)的研究，可以獲取巖體的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等，這些參數(shù)是利用彈性力學(xué)公式計(jì)算地應(yīng)力的關(guān)鍵輸入。同時(shí)，巖石力學(xué)中的巖石破壞準(zhǔn)則，如莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則、格里菲斯破壞準(zhǔn)則等，也有助于判斷在套芯應(yīng)力解除過程中巖芯是否發(fā)生破壞，以及分析破壞對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。以莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則為例，其表達(dá)式為\tau=c+\sigma\tan\varphi，其中\(zhòng)tau為剪切強(qiáng)度，c為粘聚力，\sigma為正應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角。在套芯過程中，如果巖芯所受的剪應(yīng)力超過了根據(jù)該準(zhǔn)則計(jì)算得到的剪切強(qiáng)度，巖芯就可能發(fā)生破壞，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。三、小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法實(shí)施步驟3.1測(cè)量前準(zhǔn)備工作測(cè)量前準(zhǔn)備工作對(duì)于確保小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的測(cè)量準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用，涵蓋了測(cè)量位置選擇、設(shè)備儀器準(zhǔn)備以及巖體參數(shù)初步測(cè)定等多個(gè)關(guān)鍵方面。在測(cè)量位置選擇上，需綜合考慮多方面因素。從工程需求角度出發(fā)，應(yīng)緊密結(jié)合工程的具體類型和設(shè)計(jì)要求來確定測(cè)量位置。例如，對(duì)于深埋隧道工程，重點(diǎn)關(guān)注隧道穿越的關(guān)鍵地層部位、可能出現(xiàn)高地應(yīng)力問題的地段，像斷層破碎帶附近、不同巖性的接觸帶等。這些區(qū)域的地應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)隧道的穩(wěn)定性影響較大。在某深埋鐵路隧道工程中，通過地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)一處斷層破碎帶，該區(qū)域巖體破碎，地應(yīng)力分布異常。為準(zhǔn)確獲取該區(qū)域的地應(yīng)力信息，在隧道軸線方向上，距離斷層破碎帶5m、10m、15m處分別設(shè)置了測(cè)量鉆孔，以便全面了解地應(yīng)力在該區(qū)域的變化規(guī)律。從地質(zhì)條件方面考慮，要詳細(xì)分析測(cè)量區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)、巖石特性、地質(zhì)構(gòu)造等。優(yōu)先選擇地層較為穩(wěn)定、巖石完整性較好的位置進(jìn)行測(cè)量，避免在節(jié)理裂隙密集發(fā)育、巖體嚴(yán)重破碎或存在明顯地質(zhì)構(gòu)造薄弱帶的區(qū)域設(shè)置測(cè)點(diǎn)。因?yàn)樵谶@些區(qū)域，巖體的力學(xué)性質(zhì)不均勻，測(cè)量結(jié)果可能受到干擾，無法準(zhǔn)確反映巖體的真實(shí)地應(yīng)力狀態(tài)。設(shè)備儀器準(zhǔn)備是測(cè)量前的另一重要環(huán)節(jié)。對(duì)測(cè)量所用的各類儀器，如鉆孔設(shè)備、應(yīng)變測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，都要進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和校準(zhǔn)。以應(yīng)變測(cè)量傳感器為例，在每次使用前，需采用高精度的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)磳?duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，確保傳感器的測(cè)量精度和準(zhǔn)確性。同時(shí)，要保證傳感器的靈敏度滿足測(cè)量要求，能夠精確測(cè)量出巖體在應(yīng)力解除過程中產(chǎn)生的微小應(yīng)變變化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地記錄測(cè)量過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)。在某大型地下廠房的地應(yīng)力測(cè)量項(xiàng)目中，采用了先進(jìn)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠以每秒100次的頻率采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。在測(cè)量前，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了多次模擬測(cè)試，驗(yàn)證其在不同工況下的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，確保在實(shí)際測(cè)量中能夠可靠運(yùn)行。巖體參數(shù)初步測(cè)定也是不可或缺的準(zhǔn)備工作。巖石的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)是計(jì)算地應(yīng)力的關(guān)鍵依據(jù)。因此，在測(cè)量前，需要通過現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，初步測(cè)定巖體的這些參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)采用巖芯鉆機(jī)鉆取巖芯樣本，選取具有代表性的巖芯進(jìn)行加工，制成符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試件。然后在實(shí)驗(yàn)室中，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，測(cè)定巖石的彈性模量和泊松比。例如，通過單軸壓縮試驗(yàn)，記錄巖石在加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)曲線的斜率計(jì)算得到彈性模量；通過測(cè)量巖石在軸向加載時(shí)的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，確定泊松比。此外，還需對(duì)巖體的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行初步分析，如節(jié)理裂隙的分布、產(chǎn)狀、密度等，這些信息有助于在后續(xù)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析中，更好地理解巖體的力學(xué)行為和地應(yīng)力分布規(guī)律。3.2鉆孔操作流程鉆孔操作流程是小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其操作的準(zhǔn)確性和規(guī)范性直接影響到后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的精度。整個(gè)鉆孔過程主要包括大孔和小孔的鉆進(jìn)，且需嚴(yán)格遵循特定的順序、孔徑要求以及深度控制標(biāo)準(zhǔn)。在鉆孔順序上，首先要進(jìn)行大孔的鉆進(jìn)。大孔作為后續(xù)操作的基礎(chǔ)，其直徑通常要求達(dá)到130mm左右。以米倉(cāng)山隧道地應(yīng)力測(cè)量項(xiàng)目為例，在需要測(cè)量應(yīng)力的位置，采用專用的大孔徑鉆機(jī)，按照設(shè)計(jì)要求，精準(zhǔn)地鉆進(jìn)一個(gè)直徑為130mm的鉆孔。在鉆進(jìn)過程中，要嚴(yán)格控制鉆孔的垂直度，確保鉆孔的軸線與預(yù)定方向偏差不超過±1°。因?yàn)殂@孔的垂直度偏差會(huì)導(dǎo)致后續(xù)安裝的測(cè)量元件位置不準(zhǔn)確，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)大孔鉆進(jìn)至13m深度時(shí)，需將孔底磨平。這一步驟至關(guān)重要，磨平的孔底能夠?yàn)楹罄m(xù)的小孔鉆進(jìn)提供穩(wěn)定的支撐面，保證小孔鉆進(jìn)的精度。磨平孔底時(shí)，使用專門的磨孔工具，通過緩慢旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給，使孔底達(dá)到規(guī)定的平整度要求，一般要求孔底平面度誤差控制在±0.5mm以內(nèi)。磨平孔底后，還要在孔底打一個(gè)喇叭孔。喇叭孔主要起到導(dǎo)正作用，方便后續(xù)小孔的鉆進(jìn)，確保小孔與大孔的同心度。喇叭孔的角度和尺寸需根據(jù)測(cè)量設(shè)備和工藝要求進(jìn)行精確控制，通常喇叭孔的錐角為120°左右，深度為50-80mm。完成大孔相關(guān)操作后，接著進(jìn)行小孔的鉆進(jìn)。小孔的直徑一般在36-36.5mm之間。在大孔中心位置，利用高精度的小孔鉆機(jī)，開始鉆進(jìn)測(cè)量小孔。測(cè)量小孔的深度約為290mm。在鉆進(jìn)過程中，要密切關(guān)注鉆孔的進(jìn)度和質(zhì)量。例如，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)過程中的扭矩和壓力變化，當(dāng)扭矩突然增大或壓力異常波動(dòng)時(shí)，可能意味著遇到了巖體中的堅(jiān)硬夾層或節(jié)理裂隙，此時(shí)應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，分析原因并采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)、更換鉆頭等。同時(shí)，要確保小孔的孔徑均勻，避免出現(xiàn)擴(kuò)徑或縮徑現(xiàn)象。擴(kuò)徑或縮徑會(huì)導(dǎo)致測(cè)量元件安裝不緊密，影響應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過使用高精度的鉆頭和先進(jìn)的鉆孔設(shè)備，以及嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度和壓力，可以有效保證小孔的孔徑精度，一般要求小孔孔徑誤差控制在±0.1mm以內(nèi)。在鉆孔過程中，還需注意諸多事項(xiàng)。鉆進(jìn)過程中的沖洗液使用至關(guān)重要。沖洗液不僅能夠冷卻鉆頭，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命，還能攜帶巖屑，保持鉆孔的清潔。選擇合適的沖洗液類型和濃度，根據(jù)巖體的性質(zhì)和鉆孔深度進(jìn)行調(diào)整。在鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石時(shí)，可適當(dāng)增加沖洗液的濃度，以提高攜帶巖屑的能力；在鉆進(jìn)易坍塌的巖體時(shí)，要選擇具有護(hù)壁性能的沖洗液，防止孔壁坍塌。同時(shí)，要確保沖洗液的流量穩(wěn)定，一般流量控制在30-50L/min。此外，對(duì)鉆孔設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)也不容忽視。定期檢查鉆機(jī)的各個(gè)部件，如鉆頭的磨損情況、鉆桿的彎曲度等。當(dāng)鉆頭磨損超過規(guī)定限度時(shí)，及時(shí)更換鉆頭，以保證鉆孔的效率和質(zhì)量。鉆桿出現(xiàn)彎曲時(shí)，要進(jìn)行校直或更換，避免因鉆桿彎曲導(dǎo)致鉆孔偏斜。3.3測(cè)量元件安裝要點(diǎn)測(cè)量元件的安裝是小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其安裝質(zhì)量直接關(guān)系到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)而影響地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的精度。測(cè)量元件主要包括位移傳感器和應(yīng)變計(jì)等，它們?cè)谛】字械陌惭b方法、固定方式及定向技巧都有嚴(yán)格要求。位移傳感器和應(yīng)變計(jì)的安裝需遵循特定的操作流程。在安裝前，要對(duì)測(cè)量元件進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保其性能完好，無損壞或故障。以應(yīng)變計(jì)為例，需檢查應(yīng)變計(jì)的電阻值是否在正常范圍內(nèi)，一般標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變計(jì)的電阻值為120Ω左右，偏差應(yīng)控制在±0.5Ω以內(nèi)。同時(shí)，要檢查應(yīng)變計(jì)的敏感柵是否有斷裂、短路等問題。在小孔中安裝時(shí)，通常采用特制的安裝工具，確保測(cè)量元件能夠準(zhǔn)確地放置在預(yù)定位置。例如，對(duì)于孔壁應(yīng)變計(jì)的安裝，可使用專用的安裝桿，將應(yīng)變計(jì)緩慢送入小孔內(nèi)，使其緊密貼合孔壁。在這個(gè)過程中，要避免應(yīng)變計(jì)與孔壁發(fā)生碰撞，以免損壞應(yīng)變計(jì)或?qū)е缕湮恢闷啤．?dāng)應(yīng)變計(jì)到達(dá)預(yù)定位置后，通過安裝桿施加一定的壓力，使應(yīng)變計(jì)與孔壁充分接觸，保證良好的粘結(jié)效果。測(cè)量元件的固定方式至關(guān)重要，常用的固定方式有粘結(jié)法和機(jī)械固定法。粘結(jié)法是利用粘結(jié)劑將測(cè)量元件牢固地粘貼在小孔孔壁或孔底。選擇合適的粘結(jié)劑是關(guān)鍵，粘結(jié)劑應(yīng)具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度、耐水性和穩(wěn)定性。在高地應(yīng)力測(cè)量中，常用的粘結(jié)劑有環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑。在使用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑時(shí)，要按照規(guī)定的比例調(diào)配粘結(jié)劑，確保其性能穩(wěn)定。將調(diào)配好的粘結(jié)劑均勻地涂抹在測(cè)量元件的粘貼面上，然后迅速將測(cè)量元件安裝到小孔中，施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使粘結(jié)劑充分填充測(cè)量元件與孔壁之間的間隙。在粘結(jié)劑固化過程中，要保持測(cè)量元件的位置穩(wěn)定，避免其發(fā)生移動(dòng)。一般環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的固化時(shí)間在24小時(shí)左右，在固化期間，要避免測(cè)量元件受到外力干擾。機(jī)械固定法則是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)將測(cè)量元件固定在小孔內(nèi)，如采用膨脹螺栓、卡箍等方式。以膨脹螺栓固定為例，在小孔壁上預(yù)先鉆好安裝孔，將膨脹螺栓插入安裝孔中，然后將測(cè)量元件通過螺栓與膨脹螺栓連接固定。這種固定方式適用于對(duì)測(cè)量元件穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，但安裝過程相對(duì)復(fù)雜，需要精確控制安裝位置和尺寸。測(cè)量元件的定向技巧對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量地應(yīng)力方向至關(guān)重要。在安裝過程中，需要確定測(cè)量元件的方向，使其能夠準(zhǔn)確測(cè)量到不同方向的應(yīng)變或位移。通常采用定向器來實(shí)現(xiàn)測(cè)量元件的定向。定向器上標(biāo)有明確的方向標(biāo)識(shí)，如角度刻度、方位指針等。在安裝測(cè)量元件時(shí)，將定向器與測(cè)量元件一起安裝到小孔中，通過調(diào)整定向器的位置，使測(cè)量元件的敏感方向與預(yù)定的測(cè)量方向一致。例如，在測(cè)量巖體的主應(yīng)力方向時(shí)，需要將應(yīng)變計(jì)的敏感軸方向與預(yù)計(jì)的主應(yīng)力方向?qū)R。可以利用鉆孔內(nèi)的原有標(biāo)記或借助測(cè)量?jī)x器，如陀螺儀、羅盤等，來確定定向器的方向。在某深埋隧道地應(yīng)力測(cè)量項(xiàng)目中，采用了高精度的電子羅盤與定向器配合使用。在安裝應(yīng)變計(jì)時(shí)，先將電子羅盤安裝在定向器上，通過電子羅盤測(cè)量鉆孔的方位角和傾角。根據(jù)測(cè)量得到的角度數(shù)據(jù)，調(diào)整定向器的位置，使應(yīng)變計(jì)的敏感軸方向與隧道軸線方向成特定角度，從而準(zhǔn)確測(cè)量巖體在該方向上的應(yīng)變，為后續(xù)地應(yīng)力方向的計(jì)算提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。3.4套芯應(yīng)力解除過程在完成測(cè)量元件的安裝并確保其正常工作后，便進(jìn)入套芯應(yīng)力解除的關(guān)鍵階段，這一過程通過特定的鉆孔操作，逐步實(shí)現(xiàn)巖芯的應(yīng)力解除，并實(shí)時(shí)記錄測(cè)量元件的數(shù)據(jù)，為后續(xù)地應(yīng)力計(jì)算提供關(guān)鍵依據(jù)。套芯應(yīng)力解除采用大鉆頭進(jìn)行套芯鉆進(jìn)操作。使用與前期大孔鉆進(jìn)相同直徑（通常為130mm）的鉆頭，在已安裝測(cè)量元件的小孔周圍進(jìn)行同心鉆進(jìn)。以某深埋地下廠房的地應(yīng)力測(cè)量項(xiàng)目為例，在小孔安裝好應(yīng)變計(jì)后，利用大功率的鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)130mm的鉆頭，圍繞小孔緩慢鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，鉆頭不斷切削巖體，使小孔周圍的巖芯逐漸與周圍巖體分離，巖芯所受的原巖應(yīng)力也隨之逐步解除。隨著套芯鉆進(jìn)的深入，巖芯的應(yīng)力釋放過程不斷加劇，測(cè)量元件會(huì)實(shí)時(shí)感應(yīng)到巖芯的應(yīng)變變化。例如，安裝在小孔孔壁的應(yīng)變計(jì)，會(huì)將巖芯在不同方向上因應(yīng)力解除而產(chǎn)生的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這些電信號(hào)通過預(yù)先連接好的導(dǎo)線傳輸?shù)娇淄獾臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照設(shè)定的頻率，如每秒10次，快速、準(zhǔn)確地記錄下應(yīng)變計(jì)傳輸?shù)碾娦盘?hào)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)記錄過程中，技術(shù)人員需要密切關(guān)注數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。當(dāng)巖芯開始應(yīng)力解除時(shí)，應(yīng)變數(shù)據(jù)會(huì)迅速發(fā)生變化。隨著應(yīng)力解除過程的持續(xù)，應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化速率會(huì)逐漸減小。當(dāng)巖芯的應(yīng)力接近完全解除時(shí)，應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化會(huì)趨于穩(wěn)定。當(dāng)巖芯的應(yīng)力解除達(dá)到一定程度，即巖芯基本與周圍巖體完全分離，其應(yīng)力狀態(tài)不再發(fā)生明顯變化時(shí)，視為巖芯完全應(yīng)力解除。此時(shí)，測(cè)量元件記錄的數(shù)據(jù)也基本保持穩(wěn)定。判斷巖芯完全應(yīng)力解除的標(biāo)準(zhǔn)通常依據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化情況來確定。一般來說，當(dāng)連續(xù)多次采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)變化量小于設(shè)定的閾值，如±5με時(shí)，即可認(rèn)為巖芯已完全應(yīng)力解除。在實(shí)際操作中，為確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，還需對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多次驗(yàn)證和檢查。例如，在停止鉆進(jìn)后，繼續(xù)觀察一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。如果在10-15分鐘內(nèi)，應(yīng)變數(shù)據(jù)始終保持在極小的波動(dòng)范圍內(nèi)，可最終確定巖芯已完成應(yīng)力解除。完成應(yīng)力解除后，小心取出巖芯和測(cè)量元件。在取出過程中，要避免對(duì)巖芯和測(cè)量元件造成損壞，確保巖芯的完整性和測(cè)量元件的數(shù)據(jù)完整性。取出的巖芯可用于后續(xù)的巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，如進(jìn)一步測(cè)定巖石的彈性模量、泊松比等參數(shù)，為地應(yīng)力計(jì)算提供更準(zhǔn)確的巖石力學(xué)參數(shù)依據(jù)。而測(cè)量元件在取出后，需進(jìn)行再次校準(zhǔn)和檢查，以確保其在測(cè)量過程中性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。3.5數(shù)據(jù)處理與地應(yīng)力計(jì)算在完成套芯應(yīng)力解除并獲取測(cè)量數(shù)據(jù)后，緊接著進(jìn)入數(shù)據(jù)處理與地應(yīng)力計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這一過程涉及對(duì)應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)的整理、分析，以及利用彈性力學(xué)公式和相關(guān)算法來精確計(jì)算地應(yīng)力的大小和方向。首先，對(duì)測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行全面整理。檢查數(shù)據(jù)的完整性和有效性，剔除明顯異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)。異常數(shù)據(jù)可能由于測(cè)量元件故障、外界干擾等原因產(chǎn)生。例如，在某一測(cè)量實(shí)例中，發(fā)現(xiàn)某個(gè)應(yīng)變計(jì)記錄的應(yīng)變值在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了大幅突變，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常范圍。通過對(duì)測(cè)量設(shè)備和測(cè)量過程的檢查，確定是由于該應(yīng)變計(jì)的導(dǎo)線接觸不良導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。將該異常數(shù)據(jù)剔除后，對(duì)剩余有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算應(yīng)變的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度和可靠性。同時(shí)，繪制應(yīng)變隨時(shí)間或套芯鉆進(jìn)深度的變化曲線，直觀展示應(yīng)變的變化趨勢(shì)。在曲線中，觀察應(yīng)變的變化是否符合理論預(yù)期，如在巖芯應(yīng)力解除過程中，應(yīng)變應(yīng)逐漸增大，當(dāng)巖芯完全應(yīng)力解除后，應(yīng)變應(yīng)趨于穩(wěn)定。然后，基于彈性力學(xué)理論和巖石力學(xué)參數(shù)，利用相關(guān)公式計(jì)算地應(yīng)力大小。假設(shè)巖體為各向同性的彈性體，根據(jù)胡克定律和套芯應(yīng)力解除法的基本原理，可建立地應(yīng)力與測(cè)量應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。以孔壁應(yīng)變法為例，在笛卡爾坐標(biāo)系下，地應(yīng)力分量\sigma_x、\sigma_y、\sigma_z、\tau_{xy}、\tau_{yz}、\tau_{zx}與測(cè)量得到的孔壁應(yīng)變\varepsilon_{i}（i=1,2,\cdots,6）之間存在如下關(guān)系：\begin{cases}\sigma_x=\frac{E}{(1+\mu)(1-2\mu)}[(1-\mu)\varepsilon_{1}+\mu\varepsilon_{2}+\mu\varepsilon_{3}-\frac{1}{2}(1+\mu)\varepsilon_{4}]\\\sigma_y=\frac{E}{(1+\mu)(1-2\mu)}[(1-\mu)\varepsilon_{2}+\mu\varepsilon_{1}+\mu\varepsilon_{3}-\frac{1}{2}(1+\mu)\varepsilon_{4}]\\\sigma_z=\frac{E}{(1+\mu)(1-2\mu)}[(1-\mu)\varepsilon_{3}+\mu\varepsilon_{1}+\mu\varepsilon_{2}-\frac{1}{2}(1+\mu)\varepsilon_{4}]\\\tau_{xy}=\frac{E}{2(1+\mu)}\varepsilon_{4}\\\tau_{yz}=\frac{E}{2(1+\mu)}\varepsilon_{5}\\\tau_{zx}=\frac{E}{2(1+\mu)}\varepsilon_{6}\end{cases}其中，E為巖石的彈性模量，\mu為泊松比。在實(shí)際計(jì)算中，需要準(zhǔn)確獲取巖石的彈性模量和泊松比等參數(shù)。這些參數(shù)可通過現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定，也可參考類似工程或地質(zhì)條件下的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以某深部礦山地應(yīng)力測(cè)量為例，通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得巖石的彈性模量E=40GPa，泊松比\mu=0.2。將測(cè)量得到的孔壁應(yīng)變數(shù)據(jù)\varepsilon_{1}=1.2\times10^{-4}、\varepsilon_{2}=0.8\times10^{-4}、\varepsilon_{3}=1.0\times10^{-4}、\varepsilon_{4}=0.5\times10^{-4}、\varepsilon_{5}=0.3\times10^{-4}、\varepsilon_{6}=0.4\times10^{-4}代入上述公式，可計(jì)算得到地應(yīng)力分量：\begin{align*}\sigma_x&=\frac{40\times10^{3}}{(1+0.2)(1-2\times0.2)}[(1-0.2)\times1.2\times10^{-4}+0.2\times0.8\times10^{-4}+0.2\times1.0\times10^{-4}-\frac{1}{2}(1+0.2)\times0.5\times10^{-4}]\\&=\frac{40\times10^{3}}{0.96}[(0.96\times1.2\times10^{-4})+(0.2\times0.8\times10^{-4})+(0.2\times1.0\times10^{-4})-(0.6\times0.5\times10^{-4})]\\&=\frac{40\times10^{3}}{0.96}(1.152\times10^{-4}+0.16\times10^{-4}+0.2\times10^{-4}-0.3\times10^{-4})\\&=\frac{40\times10^{3}}{0.96}\times1.212\times10^{-4}\\&=50.5MPa\end{align*}同理，可計(jì)算得到\sigma_y、\sigma_z、\tau_{xy}、\tau_{yz}、\tau_{zx}的值。在計(jì)算地應(yīng)力方向時(shí)，通常需要確定主應(yīng)力的方向。主應(yīng)力是指在某一點(diǎn)上，切應(yīng)力為零的平面上的正應(yīng)力。通過對(duì)計(jì)算得到的地應(yīng)力分量進(jìn)行坐標(biāo)變換，可求解出主應(yīng)力的大小和方向。設(shè)地應(yīng)力張量為\sigma_{ij}（i,j=1,2,3），其特征方程為：\sigma^{3}-I_1\sigma^{2}-I_2\sigma-I_3=0其中，I_1=\sigma_{11}+\sigma_{22}+\sigma_{33}，I_2=\begin{vmatrix}\sigma_{11}&\sigma_{12}\\\sigma_{21}&\sigma_{22}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}\sigma_{22}&\sigma_{23}\\\sigma_{32}&\sigma_{33}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}\sigma_{33}&\sigma_{31}\\\sigma_{13}&\sigma_{11}\end{vmatrix}，I_3=\begin{vmatrix}\sigma_{11}&\sigma_{12}&\sigma_{13}\\\sigma_{21}&\sigma_{22}&\sigma_{23}\\\sigma_{31}&\sigma_{32}&\sigma_{33}\end{vmatrix}。求解上述特征方程，可得到三個(gè)主應(yīng)力\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3（\sigma_1\geq\sigma_2\geq\sigma_3）。主應(yīng)力的方向可通過求解特征向量得到。以某深埋隧道地應(yīng)力測(cè)量為例，計(jì)算得到地應(yīng)力分量后，通過求解特征方程，得到主應(yīng)力\sigma_1=60MPa、\sigma_2=35MPa、\sigma_3=15MPa。進(jìn)一步求解特征向量，確定主應(yīng)力\sigma_1的方向與隧道軸線方向夾角為30^{\circ}，\sigma_2的方向與隧道軸線方向夾角為120^{\circ}，\sigma_3的方向垂直于隧道軸線平面。這些主應(yīng)力的大小和方向信息對(duì)于評(píng)估隧道圍巖的穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)等具有重要的指導(dǎo)意義。四、技術(shù)難點(diǎn)與解決方案4.1高應(yīng)力下巖芯餅化問題在高地應(yīng)力環(huán)境中進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，巖芯餅化是一個(gè)常見且嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的問題。其產(chǎn)生的原因主要與高應(yīng)力狀態(tài)下巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布以及巖芯在應(yīng)力解除過程中的力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān)。從應(yīng)力分布角度來看，當(dāng)巖體處于高地應(yīng)力環(huán)境時(shí)，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存著巨大的彈性應(yīng)變能。在進(jìn)行小孔厚壁套芯應(yīng)力解除操作時(shí)，巖芯從周圍巖體中分離出來，原有的應(yīng)力平衡被打破。此時(shí)，巖芯會(huì)受到因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力作用。由于巖芯在鉆孔過程中，其徑向和軸向的約束條件發(fā)生了改變，使得巖芯在應(yīng)力解除時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。尤其是在巖芯的端部和周邊區(qū)域，拉伸應(yīng)力更容易達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度極限。以某深部礦山為例，在高地應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯時(shí)，地應(yīng)力值高達(dá)40MPa以上。當(dāng)巖芯從巖體中被套取出來后，在應(yīng)力解除的瞬間，巖芯端部和周邊的拉伸應(yīng)力迅速增大，超過了巖石本身的抗拉強(qiáng)度（該巖石抗拉強(qiáng)度約為5MPa），從而導(dǎo)致巖芯出現(xiàn)餅化現(xiàn)象。巖芯餅化會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生諸多不利影響。一方面，餅化的巖芯無法準(zhǔn)確反映巖體初始的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。因?yàn)閹r芯發(fā)生餅化后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，原有的彈性力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。例如，原本均勻的巖芯在餅化后，出現(xiàn)了明顯的分層和破裂，使得通過測(cè)量巖芯應(yīng)變來反推地應(yīng)力的計(jì)算基礎(chǔ)受到嚴(yán)重干擾。根據(jù)彈性力學(xué)理論，地應(yīng)力的計(jì)算依賴于巖芯在應(yīng)力解除過程中的彈性應(yīng)變變化。而餅化巖芯的應(yīng)變變化不再符合理想的彈性力學(xué)模型，導(dǎo)致計(jì)算得到的地應(yīng)力值與實(shí)際值存在較大偏差。另一方面，巖芯餅化會(huì)增加測(cè)量操作的難度。在實(shí)際測(cè)量中，餅化的巖芯難以完整取出，容易在鉆孔內(nèi)破碎，影響后續(xù)測(cè)量元件的安裝和數(shù)據(jù)采集工作。例如，在某深埋隧道地應(yīng)力測(cè)量項(xiàng)目中，由于巖芯餅化嚴(yán)重，多次嘗試取出巖芯均失敗，導(dǎo)致測(cè)量進(jìn)度受阻，增加了測(cè)量成本和時(shí)間。小孔厚壁套芯通過增大孔徑比，有效提高了巖芯抵抗餅化的能力。增大孔徑比意味著巖芯的橫截面積增大。根據(jù)材料力學(xué)原理，橫截面積的增大能夠顯著提高巖芯的抗拉能力。在相同的應(yīng)力釋放條件下，厚壁巖芯能夠承受更大的拉伸應(yīng)力而不發(fā)生破壞。例如，通過數(shù)值模擬對(duì)比分析，當(dāng)套孔與測(cè)量孔的孔徑比從傳統(tǒng)的3:1增大到6:1時(shí)，巖芯的橫截面積增加了數(shù)倍。在模擬高地應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)力解除過程中，孔徑比為3:1的巖芯在應(yīng)力達(dá)到30MPa時(shí)就開始出現(xiàn)餅化現(xiàn)象，而孔徑比為6:1的巖芯在應(yīng)力達(dá)到50MPa時(shí)仍保持完整。這表明小孔厚壁套芯能夠有效增強(qiáng)巖芯在高應(yīng)力下的穩(wěn)定性，降低餅化的可能性。實(shí)際工程應(yīng)用也充分驗(yàn)證了這一效果。在某大型水利工程的地應(yīng)力測(cè)量中，采用小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法，將孔徑比控制在5:1左右。在高地應(yīng)力區(qū)域（地應(yīng)力值約為35MPa）進(jìn)行測(cè)量時(shí)，巖芯餅化率從傳統(tǒng)方法的40%降低到了10%以下，大大提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。4.2測(cè)量元件的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性測(cè)量元件的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性對(duì)小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的測(cè)量結(jié)果起著決定性作用，而在實(shí)際應(yīng)用中，它們會(huì)受到多種復(fù)雜因素的影響。從環(huán)境因素來看，溫度是影響測(cè)量元件性能的關(guān)鍵因素之一。以應(yīng)變計(jì)為例，它通常基于壓阻效應(yīng)等原理工作，其電阻值會(huì)隨溫度的變化而改變。在高地應(yīng)力測(cè)量的深部環(huán)境中，溫度可能隨深度發(fā)生明顯變化，如在某些深部礦山，深度每增加100m，溫度可能升高3-5℃。當(dāng)溫度升高時(shí)，應(yīng)變計(jì)的電阻值增大，根據(jù)歐姆定律，通過應(yīng)變計(jì)的電流會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致測(cè)量得到的應(yīng)變值產(chǎn)生偏差。研究表明，溫度每變化10℃，應(yīng)變計(jì)的測(cè)量誤差可能達(dá)到±5με。此外，濕度也是不可忽視的因素。高濕度環(huán)境可能使測(cè)量元件的電子元件受潮，導(dǎo)致絕緣性能下降，進(jìn)而影響測(cè)量元件的正常工作。在一些地下工程中，由于通風(fēng)條件有限，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的濕度可能高達(dá)80%以上。在這種高濕度環(huán)境下，應(yīng)變計(jì)的導(dǎo)線可能會(huì)發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)。除了環(huán)境因素，測(cè)量元件本身的質(zhì)量和特性也至關(guān)重要。不同類型的測(cè)量元件，其精度和穩(wěn)定性存在差異。例如，市場(chǎng)上常見的電阻應(yīng)變片式傳感器，其精度一般在±0.1%-±0.5%FS（滿量程）之間。而光纖光柵傳感器，由于其具有抗電磁干擾、精度高（可達(dá)±0.01%FS）等優(yōu)點(diǎn)，在一些對(duì)測(cè)量精度要求極高的場(chǎng)合得到應(yīng)用。但光纖光柵傳感器也存在成本較高、安裝和維護(hù)相對(duì)復(fù)雜的問題。測(cè)量元件的靈敏度同樣會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。靈敏度高的測(cè)量元件能夠更精確地感知微小的應(yīng)變變化，但同時(shí)也可能對(duì)噪聲等干擾更為敏感。例如，某些高靈敏度的位移傳感器，在受到微小的振動(dòng)干擾時(shí)，就可能產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。為了提高測(cè)量元件的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，在元件選擇和安裝方面需要采取一系列要點(diǎn)。在元件選擇上，要根據(jù)測(cè)量環(huán)境和精度要求，綜合考慮測(cè)量元件的性能。在高溫環(huán)境下，應(yīng)選擇具有良好溫度穩(wěn)定性的測(cè)量元件，如采用特殊材料制作的應(yīng)變計(jì)，其在高溫下電阻值變化較小。在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，優(yōu)先選用抗干擾能力強(qiáng)的光纖光柵傳感器。同時(shí)，要關(guān)注測(cè)量元件的精度、靈敏度、線性度等指標(biāo)。在安裝過程中，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行安裝是關(guān)鍵。以應(yīng)變計(jì)的安裝為例，要確保其與巖芯表面緊密貼合，粘結(jié)牢固。在粘結(jié)前，需對(duì)巖芯表面進(jìn)行清潔和打磨處理，去除表面的油污、雜質(zhì)等，以提高粘結(jié)效果。在某深埋隧道地應(yīng)力測(cè)量項(xiàng)目中，采用了高精度的電阻應(yīng)變片，并在安裝前對(duì)巖芯表面進(jìn)行了嚴(yán)格的處理。通過優(yōu)化安裝工藝，確保應(yīng)變計(jì)與巖芯表面的粘結(jié)強(qiáng)度，有效減少了因安裝不當(dāng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。此外，還需對(duì)測(cè)量元件進(jìn)行定期校準(zhǔn)和維護(hù)。校準(zhǔn)可以根據(jù)測(cè)量元件的精度要求，采用高精度的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)椿蛭灰圃催M(jìn)行。定期維護(hù)包括檢查測(cè)量元件的外觀是否有損壞、導(dǎo)線連接是否松動(dòng)等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，確保測(cè)量元件始終處于良好的工作狀態(tài)。4.3數(shù)據(jù)處理中的誤差控制在小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的數(shù)據(jù)處理過程中，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差來源較為復(fù)雜，有效控制誤差對(duì)于提高地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。測(cè)量誤差主要來源于多個(gè)方面。從測(cè)量設(shè)備角度看，測(cè)量元件本身存在精度限制。以常用的電阻應(yīng)變片為例，其標(biāo)稱精度通常在±0.1%-±0.5%FS之間。在實(shí)際測(cè)量中，由于制造工藝的差異，不同批次的應(yīng)變片可能存在一定的性能離散性。即使是同一批次的應(yīng)變片，在長(zhǎng)期使用過程中，其性能也可能發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量誤差。在某一工程地應(yīng)力測(cè)量中，使用了一批標(biāo)稱精度為±0.2%FS的電阻應(yīng)變片。在測(cè)量過程中，對(duì)同一應(yīng)力狀態(tài)下的巖芯進(jìn)行多次測(cè)量，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果存在一定的波動(dòng)，經(jīng)過分析，部分原因是由于應(yīng)變片的性能離散性導(dǎo)致。測(cè)量過程中的干擾因素也不容忽視。例如，在深部測(cè)量時(shí)，地磁場(chǎng)、電場(chǎng)等電磁干擾可能影響測(cè)量元件的信號(hào)傳輸和測(cè)量精度。在地下礦山的地應(yīng)力測(cè)量中，礦山中的大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)，這些電磁場(chǎng)可能耦合到測(cè)量元件的信號(hào)傳輸線路中，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動(dòng)。巖體的非均質(zhì)性是影響測(cè)量結(jié)果的另一重要因素。巖體并非理想的均勻介質(zhì)，其內(nèi)部存在節(jié)理、裂隙、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的存在使得巖體的力學(xué)性質(zhì)在空間上呈現(xiàn)出不均勻分布。例如，在含有節(jié)理的巖體中，節(jié)理的方向、密度和開度等因素會(huì)顯著影響巖體的彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)。在進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，測(cè)量區(qū)域內(nèi)的巖體非均質(zhì)性可能導(dǎo)致測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映巖體整體的應(yīng)力狀態(tài)。在某深埋隧道工程中，測(cè)量區(qū)域的巖體存在多條節(jié)理，節(jié)理的存在使得巖體在不同方向上的力學(xué)性質(zhì)差異較大。通過小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法測(cè)量得到的地應(yīng)力結(jié)果與理論分析和周邊區(qū)域的測(cè)量結(jié)果存在較大偏差。經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，巖體的非均質(zhì)性是導(dǎo)致測(cè)量誤差的主要原因。為了有效減少誤差，可采用多種方法。多次測(cè)量取平均值是一種簡(jiǎn)單而有效的方法。通過對(duì)同一測(cè)量位置進(jìn)行多次測(cè)量，能夠在一定程度上減小測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差。在某工程地應(yīng)力測(cè)量中，對(duì)同一測(cè)量位置進(jìn)行了10次測(cè)量，每次測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)存在一定的波動(dòng)。將這10次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理后，得到的平均應(yīng)變值與單次測(cè)量值相比，更接近真實(shí)值，從而提高了地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)擬合也是常用的誤差控制方法。根據(jù)測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，采用合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，能夠去除數(shù)據(jù)中的噪聲和異常值，使數(shù)據(jù)更加平滑，更準(zhǔn)確地反映地應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。在某深部巖體地應(yīng)力測(cè)量中，利用最小二乘法對(duì)測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。通過擬合得到的應(yīng)變-應(yīng)力曲線更加光滑，能夠更準(zhǔn)確地確定地應(yīng)力與應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而提高地應(yīng)力計(jì)算的精度。此外，還可以采用濾波算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如，采用低通濾波算法可以去除高頻噪聲干擾，使測(cè)量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。在存在電磁干擾的測(cè)量環(huán)境中，通過低通濾波處理，能夠有效去除干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。五、應(yīng)用案例分析5.1案例一：四川某水利工程四川某水利工程在建設(shè)過程中，面臨著復(fù)雜的地質(zhì)條件和高地應(yīng)力問題。該工程區(qū)域的初始應(yīng)力值較大，在前期采用常規(guī)套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，頻繁出現(xiàn)巖芯餅化現(xiàn)象。這使得獲取完整巖芯變得極為困難，嚴(yán)重影響了應(yīng)力解除數(shù)據(jù)的可靠性，無法為工程設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的地應(yīng)力信息。例如，在一次常規(guī)測(cè)量中，連續(xù)5次取芯，巖芯餅化率高達(dá)80%，導(dǎo)致測(cè)量工作被迫中斷。鑒于此，工程團(tuán)隊(duì)決定采用小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。在測(cè)量前，對(duì)測(cè)量位置進(jìn)行了精心選擇。通過地質(zhì)勘察，確定了幾個(gè)關(guān)鍵的測(cè)量區(qū)域，這些區(qū)域涵蓋了工程主體涉及的不同地層和地質(zhì)構(gòu)造部位。在選定位置后，進(jìn)行了充分的準(zhǔn)備工作。對(duì)鉆孔設(shè)備進(jìn)行了全面檢查和調(diào)試，確保其能夠滿足小孔厚壁套芯的鉆進(jìn)要求。準(zhǔn)備了高精度的測(cè)量元件，如應(yīng)變計(jì)等，并在安裝前進(jìn)行了校準(zhǔn)和測(cè)試。在測(cè)量過程中，嚴(yán)格按照小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的操作流程進(jìn)行。首先進(jìn)行大孔鉆進(jìn)，使用直徑為130mm的鉆頭，將大孔鉆進(jìn)至13m深度。在鉆進(jìn)過程中，通過高精度的鉆孔導(dǎo)向系統(tǒng)，確保鉆孔的垂直度誤差控制在±0.5°以內(nèi)。大孔鉆進(jìn)完成后，對(duì)孔底進(jìn)行了仔細(xì)的磨平處理，使其平面度誤差控制在±0.3mm以內(nèi)。隨后，在孔底打了一個(gè)角度為120°、深度為60mm的喇叭孔，為后續(xù)小孔鉆進(jìn)提供良好的導(dǎo)正條件。接著進(jìn)行小孔鉆進(jìn)，采用直徑為36mm的鉆頭，將小孔鉆進(jìn)至290mm深度。在小孔鉆進(jìn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)，如扭矩、壓力等，確保鉆進(jìn)過程的穩(wěn)定。測(cè)量元件安裝時(shí)，采用了特殊的粘結(jié)工藝。選用了高性能的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，按照嚴(yán)格的比例調(diào)配，確保粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。將應(yīng)變計(jì)等測(cè)量元件準(zhǔn)確地安裝在小孔內(nèi)，使其與孔壁緊密貼合。在粘結(jié)劑固化過程中，采用了恒溫恒濕的環(huán)境控制措施，確保粘結(jié)劑在最佳條件下固化。安裝完成后，通過測(cè)量元件對(duì)巖芯的初始應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)量和記錄。隨后進(jìn)行套芯應(yīng)力解除操作。使用130mm的大鉆頭圍繞小孔進(jìn)行套芯鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，每隔2cm記錄一次測(cè)量元件的數(shù)據(jù)。隨著套芯鉆進(jìn)的深入，巖芯的應(yīng)力逐漸解除，測(cè)量元件記錄的應(yīng)變數(shù)據(jù)不斷變化。當(dāng)套芯鉆進(jìn)至30cm前后，連續(xù)兩次讀數(shù)相差不超過5με時(shí)，認(rèn)為巖芯已完全應(yīng)力解除。此時(shí)，小心取出巖芯和測(cè)量元件，對(duì)巖芯進(jìn)行了詳細(xì)的檢查和分析。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，得到了該工程區(qū)域的地應(yīng)力值。最大主應(yīng)力值為48.1MPa，次主應(yīng)力為38.8MPa，最小主應(yīng)力值為23.7MPa。將這些測(cè)量結(jié)果與工程實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)現(xiàn)象和巖體變形特征具有良好的契合度。例如，在工程現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)部分巖體存在明顯的擠壓變形跡象，與測(cè)量得到的高地應(yīng)力狀態(tài)相符。在后續(xù)的工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)測(cè)量得到的地應(yīng)力值，對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。加強(qiáng)了對(duì)高應(yīng)力區(qū)域的支護(hù)措施，采用了高強(qiáng)度的支護(hù)材料和合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。在施工過程中，根據(jù)測(cè)量結(jié)果制定了合理的施工順序和施工方法，有效避免了因高地應(yīng)力導(dǎo)致的巖體失穩(wěn)和工程事故的發(fā)生。5.2案例二：三山島金礦采空區(qū)三山島金礦位于山東省萊州市，地理坐標(biāo)為東經(jīng)119°57′，北緯37°24′。該礦山采用留礦法開采，經(jīng)過二十多年的作業(yè)，遺留了大量未經(jīng)處理的采空區(qū)。為充分利用黃金資源，減少礦石損失，計(jì)劃在確保安全的前提下對(duì)預(yù)留礦柱進(jìn)行二次回采。而保障安全生產(chǎn)的關(guān)鍵在于對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，其中現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量是穩(wěn)定性分析的重要環(huán)節(jié)。在該金礦采空區(qū)的地應(yīng)力測(cè)量中，采用了小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法，并結(jié)合空心包體應(yīng)變技術(shù)。空心包體應(yīng)變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)完全溫度補(bǔ)償，有效提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在測(cè)量前，根據(jù)原巖地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量的基本原則進(jìn)行測(cè)點(diǎn)選擇。力求測(cè)點(diǎn)周圍巖體均質(zhì)完整，以保證取芯質(zhì)量和測(cè)量結(jié)果的可信度。同時(shí)，測(cè)點(diǎn)盡量靠近礦體和設(shè)計(jì)巷道，使測(cè)量結(jié)果能代表設(shè)計(jì)巷道所處的地應(yīng)力場(chǎng)。例如，在某采空區(qū)附近，選擇了一處巖體完整性較好的位置作為測(cè)點(diǎn)，該位置距離礦體邊緣約20m，距離設(shè)計(jì)回采巷道15m。在測(cè)量過程中，嚴(yán)格按照小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法的操作流程進(jìn)行。首先進(jìn)行大孔鉆進(jìn)，控制大孔直徑為130mm，深度達(dá)到13m。鉆進(jìn)過程中，利用高精度的鉆孔設(shè)備和導(dǎo)向系統(tǒng)，確保大孔的垂直度偏差控制在極小范圍內(nèi)。大孔完成后，對(duì)孔底進(jìn)行精細(xì)磨平處理，為后續(xù)小孔鉆進(jìn)提供穩(wěn)定基礎(chǔ)。接著進(jìn)行小孔鉆進(jìn)，小孔直徑控制在36mm，深度為290mm。在小孔鉆進(jìn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)，確保小孔的質(zhì)量。安裝空心包體應(yīng)變計(jì)時(shí)，采用特殊的安裝工藝，確保應(yīng)變計(jì)與孔壁緊密貼合。通過精確的定向操作，使應(yīng)變計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)量不同方向的應(yīng)變。在套芯應(yīng)力解除階段，使用130mm的大鉆頭圍繞小孔進(jìn)行套芯鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，按照一定的間隔記錄應(yīng)變計(jì)的數(shù)據(jù)。當(dāng)連續(xù)兩次讀數(shù)相差不超過規(guī)定閾值（如5με）時(shí)，判斷巖芯已完全應(yīng)力解除。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和分析，得到了采空區(qū)的地應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果顯示，該采空區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)出一定的方向性，最大主應(yīng)力方向主要為北東向。在不同深度和位置，地應(yīng)力大小存在差異。在采空區(qū)邊緣，由于受到開采擾動(dòng)的影響，地應(yīng)力分布較為復(fù)雜?？拷V體的區(qū)域，地應(yīng)力值相對(duì)較大。例如，在采空區(qū)邊緣距離礦體5-10m的范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力值達(dá)到30-35MPa。而在采空區(qū)內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域，地應(yīng)力值相對(duì)較小，最大主應(yīng)力約為20-25MPa。這些測(cè)量結(jié)果為采空區(qū)的穩(wěn)定性分析提供了重要依據(jù)。基于地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，結(jié)合采空區(qū)的巖體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)特征等因素，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在當(dāng)前地應(yīng)力條件下，部分采空區(qū)存在一定的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。尤其是在高應(yīng)力區(qū)域和采空區(qū)的薄弱部位，如礦柱與圍巖的接觸處，容易出現(xiàn)巖體破壞和變形。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)采空區(qū)的二次回采方案進(jìn)行了優(yōu)化。在高應(yīng)力區(qū)域，加強(qiáng)了支護(hù)措施，采用了高強(qiáng)度的錨桿和錨索進(jìn)行支護(hù)。同時(shí)，調(diào)整了回采順序，優(yōu)先回采地應(yīng)力相對(duì)較小、穩(wěn)定性較好的區(qū)域，降低了回采過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。5.3案例對(duì)比與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)通過對(duì)四川某水利工程和三山島金礦采空區(qū)這兩個(gè)案例的分析，可清晰對(duì)比出小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法在不同工程環(huán)境下的應(yīng)用效果。在四川某水利工程中，該方法成功解決了常規(guī)套芯應(yīng)力解除法因巖芯餅化導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不可靠的問題。通過增大套孔與測(cè)量孔的孔徑比，有效提高了巖芯的完整性，從而獲取了準(zhǔn)確的地應(yīng)力數(shù)據(jù)。這表明在高地應(yīng)力且?guī)r性相對(duì)均一的水利工程巖體中，小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法能夠顯著提升測(cè)量的可靠性。而在三山島金礦采空區(qū)，該方法結(jié)合空心包體應(yīng)變技術(shù)，不僅準(zhǔn)確測(cè)量出了地應(yīng)力的大小，還明確了地應(yīng)力的方向和分布規(guī)律。這說明在礦山采空區(qū)這種地質(zhì)條件復(fù)雜、存在開采擾動(dòng)的環(huán)境下，小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法同樣能夠發(fā)揮重要作用，為工程的穩(wěn)定性分析和后續(xù)開采方案的制定提供關(guān)鍵依據(jù)。在不同地質(zhì)條件下實(shí)施該方法時(shí)，需注意以下要點(diǎn)。在巖體節(jié)理裂隙發(fā)育的區(qū)域，測(cè)量位置的選擇尤為關(guān)鍵。應(yīng)盡量避開節(jié)理密集帶，選擇在相對(duì)完整的巖體部位進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)楣?jié)理裂隙會(huì)破壞巖體的連續(xù)性和完整性，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果受到干擾。在某深埋隧道工程中，測(cè)量區(qū)域存在大量節(jié)理，起初在節(jié)理密集處測(cè)量得到的地應(yīng)力結(jié)果異常離散。后來重新選擇在節(jié)理相對(duì)較少的部位進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果更加穩(wěn)定和可靠。對(duì)于不同巖性的巖體，其力學(xué)參數(shù)差異較大，如彈性模量、泊松比等。在測(cè)量前，要準(zhǔn)確測(cè)定巖體的力學(xué)參數(shù)，以便在計(jì)算地應(yīng)力時(shí)能夠使用合適的參數(shù)值。在某工程中，由于對(duì)巖體彈性模量的測(cè)定不準(zhǔn)確，導(dǎo)致計(jì)算得到的地應(yīng)力值與實(shí)際情況偏差較大。重新精確測(cè)定彈性模量后，地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況更加吻合。從工程需求角度來看，在水利工程中，地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果主要用于大壩、隧道等工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因此，測(cè)量的重點(diǎn)在于