1、HohaiUniversity,巖土工程科學(xué)研究所,孔綱強(qiáng),2011年12月,HohaiUniversity,第六章巖體應(yīng)力測(cè)試,巖體應(yīng)力泛指巖體內(nèi)部存在的應(yīng)力。在天然狀態(tài)下，巖體內(nèi)部存在的應(yīng)力，稱為巖體初始應(yīng)力、天然應(yīng)力或巖體原始應(yīng)力，在地質(zhì)學(xué)中通常都稱為地應(yīng)力。,巖體應(yīng)力來自巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地形勢(shì)、剝蝕作用和封閉應(yīng)力等五個(gè)方面，主要組成成分為巖體自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。,（1）自重應(yīng)力。,式中側(cè)壓系數(shù)，可根據(jù)半無限體側(cè)向變形為零的條件求得，即,（2）構(gòu)造應(yīng)力。地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力一般認(rèn)為是水平向作用力。假定地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力S為沿水平軸x方向作用，即坐標(biāo)軸x、y、z都與應(yīng)力場(chǎng)的主方向一致，它隨深

2、度的變化如圖6-1所示,HohaiUniversity,HohaiUniversity,圖6-1自重應(yīng)力場(chǎng)的變化,（3）巖體初始應(yīng)力場(chǎng)。,巖體初始應(yīng)力場(chǎng)為巖體自重引起的應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力場(chǎng)的疊加，它隨深度的變化如圖6-2所示,圖6-2地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律,HohaiUniversity,第一節(jié)孔壁應(yīng)變法測(cè)試,HohaiUniversity,1.1孔壁應(yīng)變法的套孔應(yīng)力解除技術(shù)示意圖如圖6-3所示，鉆孔套心過程就是圍巖應(yīng)力釋放過程，測(cè)量套孔前后中心孔孔壁應(yīng)變的變化量，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)處巖體的應(yīng)力狀態(tài)。,1.2CJS-1型鉆孔三向應(yīng)變計(jì)是典型淺孔孔壁應(yīng)變計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-4所示，應(yīng)變

3、片布置如圖6-5所示,圖6-3套孔應(yīng)力解除過程,HohaiUniversity,HohaiUniversity,圖6-4CJS-1型鉆孔三向應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu),圖6-5CJS-1型鉆孔三向應(yīng)變計(jì)應(yīng)變片布置形式,HohaiUniversity,1.3CKX-97型空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意如圖6-6所示，CKX-97型空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)應(yīng)變片的布置示意如圖6-7所示。,HohaiUniversity,圖6-6CKX-97型空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu),1.4深孔水下孔壁應(yīng)變計(jì)。深孔水下孔壁應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意如圖6-8所示,HohaiUniversity,圖6-7CKX-97型空心包體式鉆孔三向應(yīng)

4、變計(jì)應(yīng)變片的布置,HohaiUniversity,圖6-8深孔水下孔壁應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu),（一）測(cè)點(diǎn)布置；（二）地質(zhì)描述;（三）主要儀器設(shè)備;（四）測(cè)試準(zhǔn)備應(yīng)符合規(guī)定;（五）孔壁應(yīng)變計(jì)的安裝;,HohaiUniversity,1.6測(cè)試方法：,（六）孔壁應(yīng)變法測(cè)試及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)（七）巖心圍壓試驗(yàn)應(yīng)符合規(guī)定,HohaiUniversity,巖芯圍壓率定器如圖6-9,按照彈性理論厚壁筒應(yīng)力分析方法推導(dǎo)出彈性模量的計(jì)算公式為：,HohaiUniversity,其中，、分別為圍壓率定器施加圍壓時(shí)巖心發(fā)生的切向應(yīng)變和軸向應(yīng)變；、分別為試驗(yàn)巖心的外半徑和內(nèi)半徑；p為圍壓。當(dāng)把巖心圍壓試驗(yàn)作為平面問題處理時(shí)，上式可以簡(jiǎn)

5、化為：,（八）測(cè)試結(jié)果整理及測(cè)試記錄。,圖6-10巖芯應(yīng)力解除全過程曲線,HohaiUniversity,1.7實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析1.坐標(biāo)系及測(cè)量元件序號(hào)規(guī)定2.鉆孔方向應(yīng)符合規(guī)定3.測(cè)量元件序號(hào)應(yīng)符合規(guī)定4.鉆孔坐標(biāo)系同大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,HohaiUniversity,HohaiUniversity,圖6-11鉆孔坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系,HohaiUniversity,鉆孔坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸相對(duì)大地坐標(biāo)系的方向余弦,1.8關(guān)鍵技術(shù)問題（一）套心解除速率的要求；（二）應(yīng)變計(jì)的制作；（三）黏結(jié)劑的配制；（四）鉆孔機(jī)具的選配；（五）二次儀表的配置和標(biāo)定。,HohaiUniversity,第二節(jié)孔底

6、應(yīng)變法測(cè)試,HohaiUniversity,鉆孔孔底應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6-12所示，應(yīng)變片布置如圖6-13所示,圖6-12鉆孔孔底應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖,圖6-13孔底應(yīng)變計(jì)應(yīng)變片布置,2.2測(cè)試方法（一）測(cè)點(diǎn)布置及地質(zhì)描述；（二）主要儀器設(shè)備及測(cè)試準(zhǔn)備工作；,HohaiUniversity,孔底應(yīng)變法應(yīng)力解除示意如圖6-14所示。,HohaiUniversity,圖6-14孔底應(yīng)變法應(yīng)力解除示意圖,（三）應(yīng)變計(jì)安裝；（四）測(cè)試及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；（五）巖心圍壓試驗(yàn)、測(cè)試成果整理及測(cè)試記錄。,HohaiUniversity,第三節(jié)孔徑變形法測(cè)試,典型的鉆孔變形計(jì)有國(guó)家地震局地表應(yīng)力研究所研制的YJ-81型壓磁式

7、應(yīng)力計(jì)和中國(guó)科學(xué)院武漢巖土所研制的36-2型鋼環(huán)式變形計(jì)，見圖6-15和圖6-16,HohaiUniversity,圖6-15YJ-81型壓磁式應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)示意,HohaiUniversity,圖6-1626-2型鋼環(huán)式變形結(jié)構(gòu)示意,HohaiUniversity,3.2測(cè)試方法（一）測(cè)點(diǎn)布置及地質(zhì)描述（二）主要儀器設(shè)備（三）測(cè)試準(zhǔn)備（四）壓磁應(yīng)力計(jì)安裝（五）壓磁應(yīng)力計(jì)法的測(cè)試及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),（六）壓磁應(yīng)力計(jì)法測(cè)試成果整理,式中K元件率定系數(shù)；Sw圍壓器單位壓力MPa；儀器讀數(shù)差,各元件率定系數(shù)按下式計(jì)算：,HohaiUniversity,(七）四分量鋼環(huán)式變形計(jì)安裝,（八）四分量鋼環(huán)式變形計(jì)法的測(cè)

8、試及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),圖6-17孔徑變形法應(yīng)力解除應(yīng)變?nèi)^程曲線,（4）解除過程鉆孔孔徑變形同鉆進(jìn)深度變化曲線如圖6-17所示。每條曲線最終都要趨于穩(wěn)定。,HohaiUniversity,（九）四分量鋼環(huán)式鉆孔變形計(jì)法測(cè)試成果整理,各元件率定系數(shù)按下式計(jì)算：,式中元件i的率定系數(shù)1/mm各元件的應(yīng)變值；孔徑變形量，mm。,鉆孔徑向變形按下式計(jì)算：,式中鉆孔徑向變形，mm；i測(cè)試元件的序號(hào)；元件i的初始應(yīng)值；元件i的最終穩(wěn)定應(yīng)變值。,HohaiUniversity,第四節(jié)水壓致裂法測(cè)試,4.1水壓致裂法主要設(shè)備由三部分組成：鉆孔承壓段的封隔系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)。水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量場(chǎng)景見圖6-18,

9、圖6-18水壓致裂法實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng),HohaiUniversity,4.2測(cè)試方法（一）鉆孔測(cè)試段布置（二）主要儀器設(shè)備（三）測(cè)試準(zhǔn)備（四）測(cè)試步驟（五）測(cè)試成果整理,HohaiUniversity,圖6-19水壓致裂過程與工程巖體應(yīng)力的關(guān)系,HohaiUniversity,巖體應(yīng)力計(jì)算公式：,式中：SH、Sh鉆孔橫斷面上的大、小平面主應(yīng)力Pb巖體破裂單位壓力，MPa；P0巖體孔隙單位壓力，MPa；巖體抗力強(qiáng)度，MPa；Ps瞬間關(guān)閉單位壓力，MPa;Pr瞬間關(guān)閉單位壓力，MPa;,HohaiUniversity,第五節(jié)表面應(yīng)變法測(cè)試,5.1本測(cè)試方法包括兩種：表面應(yīng)力解除法和表面應(yīng)力恢復(fù)法。,圖6-20表面應(yīng)力解除法布置圖6-21恢復(fù)法液壓枕及應(yīng)變計(jì),5.2表面應(yīng)力解除法（一）測(cè)區(qū)布置（二）主要儀器和設(shè)備（三）測(cè)試準(zhǔn)備（四）儀器安裝（五）解除法測(cè)試及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)（六）解除法測(cè)試成果整理,HohaiUniversity,（1）采用電阻片應(yīng)變計(jì)時(shí)按下式計(jì)