高等岩石力学第四讲.

1、 高等岩石力学第四讲高等岩石力学第四讲 岩体地应力及其测量方法岩体地应力及其测量方法本章内容：本章内容： 4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 地应力场的分布规律地应力场的分布规律4.3 4.3 地应力测量方法地应力测量方法4-4-1 1 概述概述 1 1、基本概念、基本概念 原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然原岩：未经工程开挖而又不受开挖影响仍处于自然平衡状态的岩体，称为原岩。平衡状态的岩体，称为原岩。 围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，围岩：受工程开挖影响应力发生重新分布的岩体，称为围岩。称为围岩。 原岩应力：原岩中天然赋存的应力称为原岩应力，原岩应力：原岩中天然赋存

2、的应力称为原岩应力，又称为地应力。又称为地应力。 原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状原岩应力场：原岩应力在岩体空间有规律的分布状态称为原岩应力场，又称为地应力场。即未经采动的岩态称为原岩应力场，又称为地应力场。即未经采动的岩体在天然状态下所具有的应力状态。体在天然状态下所具有的应力状态。自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产自重应力：地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。它是由岩体自重引起的。生的应力。它是由岩体自重引起的。自重应力场：自重应力在自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态空间有规律的分布状态称为自重应称为自重应力场。力场。构造应力：由地质构

3、造作用产生的应力称为构造应力。或地构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。这就是构造应力。构造应力场：构造应力在构造应力场：构造应力在空间有规律的分布状态空间有规律的分布状态称为构造应称为构造应力场。力场。1 1 基本概念基本概念诱导应力（围岩应力）诱导应力（围岩应力）: :岩体开挖扰动岩体开挖扰动了了原岩的自然平原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，衡状态，使一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的变化后的应力应力称为诱导应力或围岩应力。称为诱导应力或

4、围岩应力。 原岩应力原岩应力自重应力构造应力自重应力构造应力 迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，迄今为止，对原岩应力还无法进行较完善的理论计算，而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状态。 1 1 基本概念基本概念2 2、地应力的成因、组成成分和影响因素、地应力的成因、组成成分和影响因素一、地应力的成因一、地应力的成因 (1)(1)由地心引力引起的应力场由地心引力引起的应力场(2)(2)大陆板块边界受压引起的应力场大陆板块边界受压引起的应力场(3)(3)地幔热对流引起的应力场地幔热对流引起的应力场(4)(4)岩浆侵入引起的应力场岩浆侵入

5、引起的应力场(5)(5)地温梯度引起的应力场地温梯度引起的应力场(6)(6)地表剥蚀产生的应力场地表剥蚀产生的应力场二、自重应力和构造应力二、自重应力和构造应力（1 1）岩体的自重应力）岩体的自重应力在均匀岩体中，深度为在均匀岩体中，深度为z z处的岩体的竖向自重应力为：处的岩体的竖向自重应力为：Hz0, yxyx 在半无限体中任一微元体上的正应力均在半无限体中任一微元体上的正应力均为主应力，且有为主应力，且有0 zxyzxy zzyx 1得：得： 0)(1 zyxyxE 其中其中为岩体静止侧压力系数。为岩体静止侧压力系数。根据虎克定律：根据虎克定律：在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：在

6、均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为：Hzzzyx 10 zxyzxy iniizh 1 iniinnznyxh11对于均质成层岩体：对于均质成层岩体：对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：对于各向异性体，例如薄层状沉积岩：0/ EEEzyxyx yx 则有则有 ：zyxEE /1iniizh 1 岩体自重应力的特点：岩体自重应力的特点：（a）水平应力）水平应力x、y小于垂直应力小于垂直应力z ；（b） x、y、z均为压应力；均为压应力；（c） z只与岩体密度和深度有关，而只与岩体密度和深度有关，而 x、y还同时与岩体还同时与岩体弹性常数弹性常数E、有关；有关；（d）结构面影响岩体自重应力分布。）

7、结构面影响岩体自重应力分布。在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，在地壳浅部，可认为岩体处于弹性状态，=0.200.35,在深部，在深部，岩体转入塑性状态，岩体转入塑性状态， =0.50 ，1，则有：，则有： x= y= zz各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。各向等压的应力状态，又称为静水压力状态。著名的著名的海姆假说（瑞士地质学家海姆假说（瑞士地质学家1878）（2 2）构造应力）构造应力 a a、构造应力场的概念、构造应力场的概念 构造应力：构造应力：由地质构造作用产生的应力称为构造应力。由地质构造作用产生的应力称为构造应力。或地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在或地壳中长

8、期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。力量，这就是构造应力。 岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力，岩体构造应力是构造运动中积累或剩余的一种分布力，是构造运动中积累或剩余的一种应力场，除构造活动区外，是构造运动中积累或剩余的一种应力场，除构造活动区外，它是剩余应力场。它是剩余应力场。b b、构造运动的起因、构造运动的起因 地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规地质学家分析地球表层（包括地壳和地幔）结构及其运动规律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是律和发展，提出了各种大地构造学说，最具代表的是地质力学学地质力学学说和板块构造学说说和板块构

9、造学说。 (a)、地质力学学说、地质力学学说 该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：该学说认为地球自转速度的变化产生两种推动地壳运动的力：一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。一种是经向水平离心力；一种是纬向水平惯性力。这两种力是引这两种力是引起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩起地壳岩体中出现构造应力的根本原因。大量的实测资料说明岩体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。体中水平应力大于垂直应力，说明构造应力以水平应力为主。(b)、板块构造学说、板块构造学说 该学说认为板块运动的核心是海底扩张。海底扩张是由于地幔该学说认为板块运动的核心

10、是海底扩张。海底扩张是由于地幔对流引起的。对流引起的。4-4-2 2 地地应力分布规律应力分布规律原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：原岩应力变化规律大致可归纳为以下几点：一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场一、原岩应力场是相对稳定的非稳定场, ,它是时间和空间的函数它是时间和空间的函数. .二、实测垂直应力二、实测垂直应力v v基本上等于上覆岩层的重力基本上等于上覆岩层的重力 在在252527002700m m深度内，深度内，v v 随深度线性增加，大致相当于按平均随深度线性增加，大致相当于按平均重度重度=27kN/m=27kN/m3 3计算出来的重力计算出来的重力HH, ,即即 v v27

11、27H H。三、水平应力三、水平应力H H普遍大于垂直应力普遍大于垂直应力v v, ,即即 侧压力系数侧压力系数H H/v v 1;1; 四、平均水平应力四、平均水平应力H与垂直应力与垂直应力v 的比值随深度增加而减的比值随深度增加而减小。小。五、最大、最小水平主应力随深度线性增加：五、最大、最小水平主应力随深度线性增加： HmaxHmax6.76.70.0444H(Mpa)0.0444H(Mpa) HminHmin0.80.80.0329H(Mpa)0.0329H(Mpa)六、两个水平应力的关系一般有六、两个水平应力的关系一般有8 . 02 . 0maxmin HH 5 . 015003 .

12、 0100 HH 七、地应力的分布规律还受七、地应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。是地形和断层的扰动影响最大。 地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床地形：谷底是应力集中部位，最大主应力在谷底或河床中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平中心近于水平，在岸坡则向谷底或河床倾斜，大致与坡面平行；行； 断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应断层和结构面附近是应力降低区，断层端部、拐角处应力集中区，

13、主应力方向大多平行或垂直于断层走向。力集中区，主应力方向大多平行或垂直于断层走向。4-4-3 3 地应力测量方法地应力测量方法一、地应力测量的基本原理一、地应力测量的基本原理 岩体应力现场测量的目的是了解岩体中存在的应力岩体应力现场测量的目的是了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。护及岩体加固提供依据。岩体应力测量还是预报岩体失岩体应力测量还是预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。稳破坏以及预报岩爆的有力工具。 岩体应力测量可以分为岩体应力测量可以分为岩体初始应力测量和地下工岩体初始应力测量和

14、地下工程应力分布测量程应力分布测量，前者是为了测定岩体初始地应力场，前者是为了测定岩体初始地应力场，后者则是为了测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。后者则是为了测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。从岩体应力现场测量的技术来讲，这二者并无原则区别。从岩体应力现场测量的技术来讲，这二者并无原则区别。 依据测量基本原理的不同，也可将测量方法分为依据测量基本原理的不同，也可将测量方法分为直直接测量法和间接测量法两大类。接测量法和间接测量法两大类。 n直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力的量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要

15、知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、套筒致裂法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致裂法、套筒致裂法目前应用最为广泛，声发射法次之。n在间接测量法中，不是直接测量应力量，而是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。应力解除法和应变解除方法以及地球物理方法等是间接法中较常用的，其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。二、水压致裂法二

16、、水压致裂法( (直接测量法直接测量法) )1 1、基本原理、基本原理 对测试段钻孔用特制封隔对测试段钻孔用特制封隔器密封起来，然后对密封段加器密封起来，然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的隙。根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态。大小分析确定原岩的应力状态。p水压致裂水压致裂装置装置封隔器封隔器钻孔钻孔高压水高压水2 2、基本假设、基本假设（1 1）一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自）一个主应力方向是垂直的，其大小等于上覆岩层的自重应力。而另外两个主应力是水平的，且破裂方向垂直于重应力。而另外两个主应力是水平的，

17、且破裂方向垂直于最小主应力方向。即最小主应力方向。即钻孔方向为某一主应力方向。钻孔方向为某一主应力方向。（2 2）岩体是均质、各向同性的线弹性体。）岩体是均质、各向同性的线弹性体。3 3、适用条件：、适用条件： 完整性好的脆性岩体。完整性好的脆性岩体。两向受不相等的均布力两向受不相等的均布力1 1、2 2作用时的应力分量：作用时的应力分量： 2cos)31)(1(2)1(22222212221rrr 2cos)31(2)1(244212221rr 2sin)31)(1(2222221rr 孔壁（孔壁（r=)r=)应力分量：应力分量： 2cos)(20, 02121 式中：式中：为周边一点与为周

18、边一点与1 1的夹角。的夹角。当当0o时，时，取极小值，此时取极小值，此时123 1 2 （1 1） 由弹性力学厚壁筒公式，在由弹性力学厚壁筒公式，在只受内压只受内压q1作用作用：,1112222qrRR 1222211qrRR 若若R R , ,得到具有圆孔的无限大薄板，或具得到具有圆孔的无限大薄板，或具有圆形孔道的无限大弹性体，其解答为：有圆形孔道的无限大弹性体，其解答为：,122qr 122qr 若若r r, ,得到：得到：,1q 1q 根据岩体力学应力符号规定，得孔壁切向应力：根据岩体力学应力符号规定，得孔壁切向应力：1q （2 2） 当钻孔当钻孔受水压力受水压力P作用作用, ,且受水

19、平原岩应力且受水平原岩应力1 1 、 2 2作用，作用，钻孔壁的最小切向应力为式（钻孔壁的最小切向应力为式（1 1）与（）与（2 2）的叠加：）的叠加：岩体破裂条件：岩体破裂条件：tRp123于是：于是：tiRpp123 式中式中pi为孔壁发生初始裂缝时的水压力，为孔壁发生初始裂缝时的水压力，Rt为为封隔段封隔段岩岩石抗拉强度。石抗拉强度。 可见，当水压力达到可见，当水压力达到pi时，孔壁将沿时，孔壁将沿1 1的方位开裂。的方位开裂。如果钻孔中有裂隙水，其水压力为如果钻孔中有裂隙水，其水压力为P P0 0，则：，则：0123PRptip（3 3）p 继续注入高压水，裂隙进一步扩展，当裂隙深度达

20、到继续注入高压水，裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3 3倍倍钻孔直径时，此处接近原岩应力状态，停止加压，保持压力钻孔直径时，此处接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定（恒定（P PS S),),则有：则有：2 sP0123Ppr 如果测出封隔段岩石抗拉强度如果测出封隔段岩石抗拉强度Rt，即可由式（，即可由式（3 3）、（）、（4 4）求出）求出1 1和和2 2（4 4） 因此，在初始裂隙产生后，将水压力卸除，因此，在初始裂隙产生后，将水压力卸除，使裂隙闭合，然后重新加压，使裂隙重新打使裂隙闭合，然后重新加压，使裂隙重新打开，这时水压力为开，这时水压力为pr，则有，则有:（5 5）由式（由式（5

21、 5）、（）、（4 4）可求出）可求出1 1和和2 2 联立解得：联立解得：2sP0123Ppr（4 4）（5 5）0123PRpti（3 3） A A、 岩石抗拉强度：岩石抗拉强度：ritppR B B、 最大水平应力：最大水平应力：tisHRppp0max13 C C、 最小水平应力：最小水平应力：sHp min2 可见，水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小可见，水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力，实际上是一种二维应力测量方法。若要确定测点的三维主应力，实际上是一种二维应力测量方法。若要确定测点的三维应力状态，必须打互不平行的交汇于一点的的三个钻孔。这是非应力状

22、态，必须打互不平行的交汇于一点的的三个钻孔。这是非常困难的。常困难的。三、套筒致裂法测试地应力三、套筒致裂法测试地应力 20世纪80年代初，美国科罗拉多矿业学院O. Stephanss教授提出了快速测试的套筒致裂法，1989年Chandler对套筒致裂法进行了改进，同时，安徽理工大学的侴万禧教授等把该方法引入国内。20世纪90年代中期侴万禧教授等在单孔套筒致裂法的基础上，提出了控制致裂法地应力测试理论，该方法是将一对平行钻孔同时致裂以达到减小破裂压力的目的，并通过三对平行钻孔的控制致裂测试，求解线性方程组，从而获得地应力大小和方向，可见，现场采用控制致裂法测试地应力工作量大。 平行钻孔套筒致裂

23、法则是单孔套筒致裂法和控制致裂法的综合，集合了两者的优点快速、简便并且可操作性强，具有良好的推广应用前景。三、套筒致裂法测试地应力三、套筒致裂法测试地应力 （1）测试仪器三、套筒致裂法测试地应力三、套筒致裂法测试地应力 （2）基本理论）基本理论平行钻孔平行钻孔套筒致裂法每个测点布置套筒致裂法每个测点布置3个测试钻孔，个测试钻孔，其中钻孔其中钻孔作为单孔的套筒致裂试验测试钻孔使用，而作为单孔的套筒致裂试验测试钻孔使用，而钻孔钻孔和钻孔和钻孔作为一对控制致裂试验的测试钻孔，并作为一对控制致裂试验的测试钻孔，并且两个平行钻孔的中心连线与单孔的张性裂缝方向（最且两个平行钻孔的中心连线与单孔的张性裂缝方

24、向（最大主应力方向）保持一定夹角大主应力方向）保持一定夹角 。由钻孔由钻孔的破裂方位的破裂方位确定出主应力方向，并建立钻孔确定出主应力方向，并建立钻孔的单孔套筒致裂的破的单孔套筒致裂的破裂条件。裂条件。TPb1313钻孔钻孔和钻孔和钻孔作为一对平行钻孔确立控制致裂的破作为一对平行钻孔确立控制致裂的破裂条件裂条件 TffPfyxbb132 四、应力解除法四、应力解除法( (间接测量间接测量法法) )（一）基本原理（一）基本原理 地下某点的岩体处于三向压缩地下某点的岩体处于三向压缩状态，如用人为的方法解除其应状态，如用人为的方法解除其应力，必然发生弹性恢复，测定其力，必然发生弹性恢复，测定其恢复的

25、应变，利用弹性力学公式恢复的应变，利用弹性力学公式则可算出岩体初始应力。则可算出岩体初始应力。zzyyxxzyx , 破坏联系，解除应力；弹性恢复，测出变形；根据变形，转求应力。破坏联系，解除应力；弹性恢复，测出变形；根据变形，转求应力。1 1、已知主应力方向的应力解除、已知主应力方向的应力解除 如图示平板：如图示平板：13, yx1 3 3 1 xy在受力状态下，贴上应变片此时：在受力状态下，贴上应变片此时：0, 013 yx卸去外力，变形恢复，此时：卸去外力，变形恢复，此时：13, yx根据广义虎克定律：根据广义虎克定律：)(1311 E)(1133 E解得：解得：)(13121 E)(1

26、1323 E(1)(1)由弹性原理：由弹性原理： 2sin2sincos22xyyx 式中：式中：为为x x轴成轴成角度方向的线应变角度方向的线应变 。由上式可解得由上式可解得x x,y y,xyxy2 2、未知主应力方向的应力解除、未知主应力方向的应力解除1 2 3 xy1 2 3 1121212sin2sincos xyyx 2222222sin2sincos xyyx 3323232sin2sincos xyyx ( (2)2)yx解得解得x x,y y,xyxy, ,可按下式求出主应变可按下式求出主应变1 1 2 2 和和0 0221)2()2()(21xyyxyx yxxy 02tg

27、223)2()2()(21xyyxyx 已知已知1 1,3 3,0 0 , ,即可按即可按(1)(1)式求出主应变式求出主应变1 ,1 ,3 3 。(3)(3)(13121 E)(11323 E(1)(1)3 3、应变花种类应变花种类 为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的形为计算方便，常把三个应变片布置成如图所示的形式。式。 即：等角应变花、直角应变花即：等角应变花、直角应变花A A、直角应变花直角应变花1 1 0 00 0，2 2 45 450 0，3 3 90 900 029045245090031)()(22)(21 90045900022tg 将将x x,y y,xyxy 代入代

28、入(3)(3)式得：式得：(4)(4),0 x 2)(2145xyyx ,90y 将将1 1,3 3,0 0 代入代入(1)(1)式求出主应变式求出主应变1 ,1 ,3 3 ：29045245090031)()(1212E(5)(5)B B、等角应变花等角应变花1 10 00 0，2 260600 0，3 31201200 020120212060260012060031)()()(32)(31 由上式可解得由上式可解得x x,y y,xyxy ，并将其代入并将其代入(3)(3)式得：式得：(7)(7),0 x )33(4160 xyyx (6)(6)33(41120 xyyx 将将（7 7）

29、式式 代入代入(1)(1)式得：式得： 20120212060260012060031)()()()1(32)1(3 E 注意：注意：按上式方法计算得出的按上式方法计算得出的1 1 ，3 3 是平面状态是平面状态下（钻孔断面内）的次主应力，而不是该点的主应力。下（钻孔断面内）的次主应力，而不是该点的主应力。 次主应力次主应力：是某坐标面内两个正应力的极值，一般不：是某坐标面内两个正应力的极值，一般不等于主应力；次主应力面上仍有剪应力；只有在三个正交等于主应力；次主应力面上仍有剪应力；只有在三个正交的平面上的剪应力都为零时，次主应力才等于主应力。的平面上的剪应力都为零时，次主应力才等于主应力。(

30、8)(8)（二）（二） 应力解除法应力解除法1 1、孔底应力解除法孔底应力解除法孔底应力解除法测定岩体应力的步骤：孔底应力解除法测定岩体应力的步骤：1 1、打大孔至测点，磨平孔底。、打大孔至测点，磨平孔底。2 2、在孔底粘贴电阻应变花探头、在孔底粘贴电阻应变花探头(CRIR(CRIR门塞式孔底应变计门塞式孔底应变计) )。3 3、解除应力，测量其应变。、解除应力，测量其应变。4 4、取出岩心，测其弹性参数。、取出岩心，测其弹性参数。5 5、计算岩体应力。、计算岩体应力。对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：对于等角应变花，孔底平面内的应力按下式计算： 1)22(311)22(312012

31、06000120600Ex 1)22(311)22(31201206000120600Ey)()1(312060 Exy对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：对于直角应变花，孔底平面内的应力按下式计算：)11(2900900 Ex )(2)1(290045 Exy)11(2900900 Eyx x ,y y ,z z , ,xyxy为为孔底平面上开挖扰动的次生孔底平面上开挖扰动的次生应力。应力。孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：孔底平面位置处的原岩应力按下式经验公式计算：zyxxcba zyxycab xyxyd 式中：式中：x，y，z为孔底的原岩应力。其中，为孔底的原岩应力。

32、其中，a,b,c,d系数系数无理论解，只有通过实验或数值分析求得。不同的研究者无理论解，只有通过实验或数值分析求得。不同的研究者给出不同的值，古德曼解值：给出不同的值，古德曼解值：(9)(9) 027. 0423. 191. 0473. 015. 0085. 030. 12 dcba 孔底应力解除法的评价孔底应力解除法的评价 优点优点：解除岩心短，不需要打很长的套孔岩心，适用于：解除岩心短，不需要打很长的套孔岩心，适用于完整性差的岩体。完整性差的岩体。 缺点缺点：采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的：采用孔底应力解除时，单孔不能确定岩体应力的六个分量，必须进行三孔测定，才能确定岩体六个分

33、量，必须进行三孔测定，才能确定岩体的原岩应力；的原岩应力；无理论计算公式，只能用经验公式计算岩体的三维应力。无理论计算公式，只能用经验公式计算岩体的三维应力。2 2、孔径变形孔径变形法法通过测定钻孔孔径变形求解岩体应力，通过测定钻孔孔径变形求解岩体应力，该方法也需要有三个不同方向的钻孔进该方法也需要有三个不同方向的钻孔进行测定，才能最终得到岩体全应力的六行测定，才能最终得到岩体全应力的六个独立的应力分量。其应力解除工序为：个独立的应力分量。其应力解除工序为：1、打大孔至测点，磨平孔底。、打大孔至测点，磨平孔底。2、打同心小孔，安装孔径变形计探头、打同心小孔，安装孔径变形计探头(USBM)。3、

34、延伸大钻孔解除应力，同时测量孔、延伸大钻孔解除应力，同时测量孔径变形。径变形。4、取出岩心，测其弹性参数、取出岩心，测其弹性参数E、。5、计算岩体应力。、计算岩体应力。假定钻孔方向与假定钻孔方向与3方向一致，并认为方向一致，并认为3=0，由弹性力学公式，在二向应力由弹性力学公式，在二向应力1 1、2 2的作用下，无限大平板内圆的作用下，无限大平板内圆孔周边径向位移孔周边径向位移 u u 的计算公式为：的计算公式为：2cos)(22121Edu平面应力：平面应力：平面应变：平面应变：1 22cos)(2)1 (21212Edu式中：式中：d d钻孔直径；钻孔直径；u u圆孔周边的径向位移；圆孔周

35、边的径向位移； 测量的方向与水平轴的夹角。测量的方向与水平轴的夹角。 钻孔直径变化值。钻孔直径变化值。2cos)(2)()1 (221212Edu 假定孔径变形计探头的三个假定孔径变形计探头的三个触头相对于岩体应力触头相对于岩体应力1 1 的夹的夹角为角为1 1、2 2、3 3，测得的孔径测得的孔径变形分别为变形分别为1 1、 2 2、 3 3。 当当1 1，2 2，3 3的间隔为的间隔为45450 0时，按下式计算岩体应力：时，按下式计算岩体应力： 如果判别式成立，则如果判别式成立，则为为0 0与与1 1 的夹角，否则为的夹角，否则为0与与2 2 的夹角的夹角。对于深孔，可作平面应变问题处理

36、，对于深孔，可作平面应变问题处理，按按上式计算。对于浅孔，上式计算。对于浅孔，可作平面应力问题处理。可作平面应力问题处理。290452450900221)()(21)()1 (4dE90090045)(2cot21)(02cos900判别式且29045245090021)()(21)(4dE 按上式计算得出的按上式计算得出的1 1 ， 2 2 是钻孔断面内的次是钻孔断面内的次主应力。主应力。 要确定一点的全应力，必须向测点打三个不同方向的要确定一点的全应力，必须向测点打三个不同方向的钻孔，进行同样测定，然后再求解。钻孔，进行同样测定，然后再求解。 空心包体应变计法属于应力解除法的一种，空心包体

37、应变计法属于应力解除法的一种，空心包体应空心包体应变计地应力测量方法是目前运用最广的一种方法之一，它变计地应力测量方法是目前运用最广的一种方法之一，它是通过钻孔在原岩中预留空心包体应变计，然后通过钻机是通过钻孔在原岩中预留空心包体应变计，然后通过钻机取芯将含有应变计的岩芯一并取出，从而达到套孔应力解取芯将含有应变计的岩芯一并取出，从而达到套孔应力解除的效果，在取芯的过程中应变计感测岩芯弹性变形诱发除的效果，在取芯的过程中应变计感测岩芯弹性变形诱发的应变量，由应变量反算原始地应力的大小和方向，其优的应变量，由应变量反算原始地应力的大小和方向，其优点是可以在单孔中通过一次套芯得到三维应力状态。点是

38、可以在单孔中通过一次套芯得到三维应力状态。3 3、空心包体应力计测量地应力（孔壁应变法）空心包体应力计测量地应力（孔壁应变法）（一）测量步骤（一）测量步骤n第一步第一步 钻大孔钻大孔n用直径为用直径为130mm钻头在垂直岩体表面，大孔保持一定的倾斜度以便排钻头在垂直岩体表面，大孔保持一定的倾斜度以便排水，深度一般为水，深度一般为6-10m。n第二步第二步 钻锥形孔钻锥形孔n以利下一步钻同心小孔、清洗钻孔和探头顺利进入小孔，钻锥形孔。以利下一步钻同心小孔、清洗钻孔和探头顺利进入小孔，钻锥形孔。n第三步第三步 钻小孔钻小孔 n小孔直径由所选用的探头直径决定，一般为小孔直径由所选用的探头直径决定，一

39、般为36-38mm，小孔深度一般，小孔深度一般为孔径的为孔径的10倍左右，要求大小孔同心。成孔后，要丙酮清洗整个孔，倍左右，要求大小孔同心。成孔后，要丙酮清洗整个孔，并进行晾干。并进行晾干。n第四步第四步 应力计定向与安装应力计定向与安装n将应力计圆筒内腔装满联结剂，然后将柱塞插入内腔约将应力计圆筒内腔装满联结剂，然后将柱塞插入内腔约20mm 深处，深处，用铝丝穿过固定销小孔将其固定，柱塞的另一端有导向轮和导向棒，以用铝丝穿过固定销小孔将其固定，柱塞的另一端有导向轮和导向棒，以便应力计顺利的安装在所需要的位置上。将应力计送入钻孔中预订位置便应力计顺利的安装在所需要的位置上。将应力计送入钻孔中预

40、订位置后。用力推动安装杆。可使铝丝切断，继续推进可使联接剂经柱塞小孔后。用力推动安装杆。可使铝丝切断，继续推进可使联接剂经柱塞小孔流出。进入应力计和小孔孔壁之间的间隙。经过一定的时间联接剂固化。流出。进入应力计和小孔孔壁之间的间隙。经过一定的时间联接剂固化。此时，记下钻孔的方位与倾角，并记下应力计的偏角（应力计的标记与此时，记下钻孔的方位与倾角，并记下应力计的偏角（应力计的标记与钻方向的夹角）和各应变片的读数。钻方向的夹角）和各应变片的读数。 n第五步第五步 应力解除应力解除n（穿线、冲水、套心）用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔，（穿线、冲水、套心）用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔

41、，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。由于应力解除引起的小孔变形从而使小孔周围岩芯实现应力解除。由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并通过记录仪器记录下或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并通过记录仪器记录下来。根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围的来。根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围的原岩应力状态。（预加应力后，其导线需从钻杆中穿过，并对应力原岩应力状态。（预加应力后，其导线需从钻杆中穿过，并对应力计进行冲水，这时应变片的读数会有所变化，待稳定后再开始进行计进行冲水，这时应变片的读数会有所变化，待稳定后再开始进行进尺。为判断应变计

42、工作状态和测量的可靠性，要在套芯过程中进进尺。为判断应变计工作状态和测量的可靠性，要在套芯过程中进行检测，一般每进尺行检测，一般每进尺30mm 进行一次仪器读数。待读数不随进尺进行一次仪器读数。待读数不随进尺变化时（大约为钻头超过应力计中心变化时（大约为钻头超过应力计中心45度角）停止套芯。度角）停止套芯。n第六步第六步 折断岩芯并且取出折断岩芯并且取出n套芯结束后，取出带有应力计的岩芯，准备测定岩芯的弹模和泊松套芯结束后，取出带有应力计的岩芯，准备测定岩芯的弹模和泊松比及应力计工作状态检验。最后将岩芯带回实验室进行围岩率定试比及应力计工作状态检验。最后将岩芯带回实验室进行围岩率定试验（如图验

43、（如图4-23）测出相应点的弹性模量和泊松比。）测出相应点的弹性模量和泊松比。n综上所述，测量步骤为为：打大孔综上所述，测量步骤为为：打大孔做锥形孔底做锥形孔底打小孔打小孔清洁小清洁小孔孔包体安装包体安装接通应变仪接通应变仪套芯解除套芯解除读数。读数。（一）测量步骤（一）测量步骤（二）地应力测量所需仪器（二）地应力测量所需仪器 n（1）空心包体应力计）空心包体应力计KX-81空心包体应力计 1安装杆；2定向器导线；3定向器；4读数电缆；5定向销；6密封圈；7环氧树脂筒；8空腔；内装粘胶剂；9固定销；10应力计与孔壁之间的空隙；11柱塞；12岩石钻孔；13出胶孔；14密封圈；15导向头；16应变花（二）地应力测量所需仪器（二）地应力测量所需仪器 空芯包体应力计三组应变花的分布位置图，具有良好空芯包体应力计三组应变花的分布位置图，具有良好的绝缘防水性能。的绝缘防水性能。（a）截面投影图；（b）A、B、C三