岩体原位应力测试课件

第10章岩体原位应力测试第10章岩体原位应力测试1.岩体表面应力测量2.钻孔孔径变形法3.钻孔孔壁应变法(自学)4.钻孔孔底应变法5.水压致裂法目录1.岩体表面应力测量目录岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，它包括岩体初始应力和围岩应力。岩体初始应力是指天然状态下岩体内赋存的应力，它又称原岩应力，在地震地质领域常称地应力，它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳运动所产生的构造应力(包括现今构造应力和残余构造应力)所组成。围岩应力是指岩体被扰动后引起重分布的应力，又称二次应力，它是由于入工开挖等工程活动而形成。前言岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，它包括岩体初始应力和围岩岩体应力在有些地区表现很高，在那里进行地下洞室等岩土工程建设时，常会遇到岩层剥落、弯曲变形、隆起或其他稳定问题。在这些地区了解场地的岩体应力大小和方向，对工程设计与施工是至关重要的。在另一些地区岩体应力虽然不是很高，但它对重大地下工程的最佳形状、布置方向、支护系统和最终费用也可能有重大影响。所以岩体应力已成为岩土工程建设极其重要的基本资料。岩体应力与场地的地质构造、地形地貌、岩体特性、成岩过程以及人为的工程活动有关。前言岩体应力在有些地区表现很高，在那里进行地下洞室等岩土工程建设岩体应力测量方法分类表岩体应力测量方法分类表1.1应力恢复法1.2应力解除法1.岩体表面应力测量1.1应力恢复法1.岩体表面应力测量(1)测试原理应力恢复法是在岩体表面或地下洞室围岩表面预先布置好测量元件，当其旁边开槽解除岩体中的应力时，测量元件读数便发生变化。再把平面扁千斤顶放入槽内加压，使测量元件恢复到原来状态，此时千斤顶的应力就是垂直槽壁方向的岩体应力。1.1应力恢复法(1)测试原理1.1应力恢复法(2)应用范围

1)本法仅适用于岩体表面应力测量，每次只能确定一个方向的应力。如果要测定三向应力至少要在各个独立方向上进行六次测量。

2)此法可在相对破碎岩体中进行测量，但必须有可能切割出安装扁千斤顶的槽。

3)此法只能恢复正(压)应力，不能恢复剪应力，也不适用于负(拉)应力地区。(2)应用范围(4)测试要点1)把试验面上的松动岩石清除，并使之基本平整，并做好现场描述;2)在已处理好的岩面上安装应变计，应变计的方向应与解除槽长轴垂直，应变计的中心点与解除槽长轴中心的距离应为槽长的1/3。应变计安装好后应加盖保护罩，然后进行多次读数，以确定应变计的初值。也可在解除槽两侧预埋测点，用可拆卸的位移计量测;3)用钻机或切割机进行分级掏槽，每级掏槽深度为2cm，同时记录相应的应变计读数。槽的深度一般要求大于扁千斤顶的尺寸，并使加载的扁千斤顶外缘埋入岩面25mm，以防止加载过程中岩石局部破坏;4)用清水将槽内的岩粉等冲洗干净，并把调制好的水泥砂浆灌入槽内，再把扁千斤顶推入并捣实砂浆。必须严防浆体中夹入气泡，否则将损坏扁千斤顶或使试验结果不可靠;5)待砂浆凝固后，接通扁千斤顶和油泵，即可加压进行应力恢复试验，一般采用分级加压并同时记录应变计读数。最大一级压力应大于解除结束时应变计测读的相应压力。(4)测试要点应力恢复法试验示意图应力恢复法试验示意图(5)资料整理

1)修正记录的扁千斤顶油压，使之成为实际作用在槽上的压力，扁千斤顶修正系数在室内作出率定。

2)计算出每级开槽和加压的岩体应变值。计算的方法是每一级开槽和加压时应变计读数减去初始值。

3)画出岩体应变值和开挖深度、扁千斤顶压力的关系曲线。只要该关系曲线中岩体应变值与压力之间不出现显著的滞后现象，扁千斤顶的恢复压力(pc)大体上等于解除压力，亦即该方向的岩体应力。(5)资料整理(1)测试原理应力解除法是在岩体表面和地下洞室壁上预先埋设应变计(或贴电阻片)，然后在其周围掏环形槽(图)，并同时测量岩体应力解除后的应变值。根据岩体应力解除前后的应变变化和岩体的弹性模量，计算岩体的表面应力。1.2应力解除法(1)测试原理1.2应力解除法(2)应用范围应力解除法常用于岩体表面和地下洞室围岩表面的应力测量。每次试验只能确定平面上两个方向的最大、最小主应力。如果要确定该处的三向应力，至少要在三个不同方向的面上进行三次测量。

(3)主要仪器设备

1)钢弦应变计和钢弦应变仪或电阻应变片和电阻应变仪。

2)应变计保护罩。

3)钻机及相应配套的器材，用于掏槽。(2)应用范围应力解除法试验布置示意图应力解除法试验布置示意图(4)测试要点

1)清除试面上松动岩块并把它整平，其范围不小于解除岩芯直径的2倍。岩面起伏差不超过0.5cm，要做好试面的现场描述;2)在已处理的试验面上，埋设应变计丛(或贴应变片丛)。每组应变丛不得少于三只应变计(片)。应变计(片)埋好后，应加保护罩，以防损坏;3)把应变计(片)与应变仪接通，读出并记录各应变计(片)的初始值;4)用钻机分级掏槽，并记录其应变读数。每级掏深一般为2cm，掏槽的最终深度一般要求达到应变读数稳定时为止，并不得小于解除岩芯直径的0.5倍。(4)测试要点(5)资料整理1)根据测得的物理量换算成应变值后，计算各级解除深度下的应变值εiH=εnH-ε0H2)绘制应变丛各应变计(片)的应变值与解除深度的关系曲线，并根据曲线选取各应变计(片)的稳定应变值。(5)资料整理3)根据稳定应变值，计算主应变及其方向。3)根据稳定应变值，计算主应变及其方向。第10章岩体原位应力测试课件4)计算最大、最小主应力4)计算最大、最小主应力2.1测试原理2.2应用范围2.3主要仪器设备2.4测试要点2.5资料整理2.钻孔孔径变形法2.1测试原理2.钻孔孔径变形法钻孔孔径变形法是通过套孔钻进测量解除前后孔径变化来确定岩体应力的一种方法，目前主要采用钻孔变形计和压磁应力计两种测试方法，适用于完整和较完整岩法体。2.1测试原理钻孔孔径变形法是通过套孔钻进测量解除前后孔径变化来确定岩体应四个弹性钢环，电阻片应变-直径-应力四个弹性钢环，电阻片应变-直径-应力变形——应变——应力变形——应变——应力2.2应用范围2.2应用范围第10章岩体原位应力测试课件量测仪表及安装设备四分向环式钻孔变形计、电阻应变仪或压磁应力计(包括加力装置)、压磁应力仪、送进杆、水平及垂直定向装置、围压率定器、稳压电源设备钻孔设备钻机及相应配套的岩芯管、钻杆等;φ36mm钻头，φ110mm或φ130mm钻头;孔底磨平钻头和锥形钻头2.3主要仪器设备量测仪表及安装设备2.3主要仪器设备2.4测试要点（3）用f36mm钻头钻一深约300-400mm的同心孔，并将钻孔冲洗干净；2.4测试要点（3）用f36mm钻头钻一深约300-400第10章岩体原位应力测试课件第10章岩体原位应力测试课件2.5资料整理2.5资料整理2)计算与钻孔轴垂直平面内的最大、最小主应力及其方向2)计算与钻孔轴垂直平面内的最大、最小主应力及其方向4.1测试原理4.2应用范围4.3主要仪器设备4.4测试要点4.5资料整理4.钻孔孔底应变法4.1测试原理4.钻孔孔底应变法孔底应变法是借助于粘贴在钻孔底面上的电阻应变片测量套钻解除前后孔底岩体的应变变化，利用弹性理论的经验公式及岩石的弹性模量计算应力。孔底应变计有一个硬塑料外壳，在其端面借助于厚0.5mm的有机玻璃片或赛璐珞片(或薄橡皮)上贴有一组电阻应变丛。外壳另一端用胶粘剂(通常为环氧树脂)粘贴在孔底表面中央三分之一面积内。这样，当孔底岩面由于套钻解除发生变形时，应变计将随之变化。4.1测试原理孔底应变法是借助于粘贴在钻孔底面上的电阻应变片测量套钻解除前第10章岩体原位应力测试课件(1)此法适用于地下水位以上完整和较完整的致密与细粒结构的岩体。由于此法要求解除岩芯较短，仅需大于孔径的深度即可，因此在有一定程度破碎的岩体和出现饼状岩芯的地区，有时也可使用。(2)采用孔底应变计测量岩体三向应力，需要钻三个交会孔，三孔的布置应将两侧斜孔与中间垂直孔形成45±5的夹角。(3)此法测试深度不大，一般在20m以内。4.2应用范围(1)此法适用于地下水位以上完整和较完整的致密与细粒结构的量测仪器及安装设备孔底应变计、静态电阻应变仪和预调平衡接线箱、安装杆、安装器及定位装置、孔底擦洗器及烘干器、围岩率定器、稳压电源设备钻孔设备钻机及配套的岩芯管、钻杆等器材、φ76mm钻头、φ76mm磨平钻头及细磨钻头4.3主要仪器设备量测仪器及安装设备4.3主要仪器设备(1)钻孔(2)磨平孔底(3)洗孔(4)粘贴应变计(5)套钻解除与应变测试(6)记录测试段孔深、钻孔方位及其倾角。4.4测试要点(1)钻孔4.4测试要点第10章岩体原位应力测试课件4.5资料整理4.5资料整理5.1测试原理5.2应用范围5.3主要仪器设备5.4测试要点5.5资料整理5.水压致裂法5.1测试原理5.水压致裂法水压致裂法是在钻孔内用两个可膨胀的橡胶封隔器将钻孔的试验段隔离开来，施加水压，通过测量(在试验水平面)岩石的裂隙产生、传播、保持和重新开裂所需水压力来确定垂直于钻孔平面的最大、最小主应力。它们的方向，一般是通过观测和测量由水压力导致钻孔壁破裂(水压致裂)面的方位获得的。5.1测试原理水压致裂法是在钻孔内用两个可膨胀的橡胶封隔器将钻孔的试验段隔(1)这种方法是在超深孔内唯一能确定岩体应力的一种技术。它的测试深度，在我国已达到1000m以上。

(2)此法的优点是不需要预先知道岩石的弹性模量，而且在水下测试也无困难。

(3)此法假设钻孔方向是其中一个主应力方向，垂直应力一般是根据上覆岩层重量来计算的。如果钻孔方向偏离主应力方向甚大(大于士15)，这样得出的成果，误差就会很大。5.2应用范围(1)这种方法是在超深孔内唯一能确定岩体应力的一种技(1)钻机，要满足孔深的要求。(2)钻头，要与堵孔的封隔器相适应。(3)可膨胀的橡皮封隔器。(4)装有定向装置的印模器。(5)高压水泵系统，要求在所加压力范围内具有恒定液流的能力。5.3主要仪器设备(1)钻机，要满足孔深的要求。5.3主要仪器设备双回路水压致裂应力测量系统示意图双回路水压致裂应力测量系统示意图5.4测试要点5.4测试要点第10章岩体原位应力测试课件(1)画出压力、流量率与时间过程线,从图上过程线确定pt，ps。5.5资料整理(1)画出压力、流量率与时间过程线,从图上过程线确定pt，第10章岩体原位应力测试第10章岩体原位应力测试1.岩体表面应力测量2.钻孔孔径变形法3.钻孔孔壁应变法(自学)4.钻孔孔底应变法5.水压致裂法目录1.岩体表面应力测量目录岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，它包括岩体初始应力和围岩应力。岩体初始应力是指天然状态下岩体内赋存的应力，它又称原岩应力，在地震地质领域常称地应力，它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳运动所产生的构造应力(包括现今构造应力和残余构造应力)所组成。围岩应力是指岩体被扰动后引起重分布的应力，又称二次应力，它是由于入工开挖等工程活动而形成。前言岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，它包括岩体初始应力和围岩岩体应力在有些地区表现很高，在那里进行地下洞室等岩土工程建设时，常会遇到岩层剥落、弯曲变形、隆起或其他稳定问题。在这些地区了解场地的岩体应力大小和方向，对工程设计与施工是至关重要的。在另一些地区岩体应力虽然不是很高，但它对重大地下工程的最佳形状、布置方向、支护系统和最终费用也可能有重大影响。所以岩体应力已成为岩土工程建设极其重要的基本资料。岩体应力与场地的地质构造、地形地貌、岩体特性、成岩过程以及人为的工程活动有关。前言岩体应力在有些地区表现很高，在那里进行地下洞室等岩土工程建设岩体应力测量方法分类表岩体应力测量方法分类表1.1应力恢复法1.2应力解除法1.岩体表面应力测量1.1应力恢复法1.岩体表面应力测量(1)测试原理应力恢复法是在岩体表面或地下洞室围岩表面预先布置好测量元件，当其旁边开槽解除岩体中的应力时，测量元件读数便发生变化。再把平面扁千斤顶放入槽内加压，使测量元件恢复到原来状态，此时千斤顶的应力就是垂直槽壁方向的岩体应力。1.1应力恢复法(1)测试原理1.1应力恢复法(2)应用范围

1)本法仅适用于岩体表面应力测量，每次只能确定一个方向的应力。如果要测定三向应力至少要在各个独立方向上进行六次测量。

2)此法可在相对破碎岩体中进行测量，但必须有可能切割出安装扁千斤顶的槽。

3)此法只能恢复正(压)应力，不能恢复剪应力，也不适用于负(拉)应力地区。(2)应用范围(4)测试要点1)把试验面上的松动岩石清除，并使之基本平整，并做好现场描述;2)在已处理好的岩面上安装应变计，应变计的方向应与解除槽长轴垂直，应变计的中心点与解除槽长轴中心的距离应为槽长的1/3。应变计安装好后应加盖保护罩，然后进行多次读数，以确定应变计的初值。也可在解除槽两侧预埋测点，用可拆卸的位移计量测;3)用钻机或切割机进行分级掏槽，每级掏槽深度为2cm，同时记录相应的应变计读数。槽的深度一般要求大于扁千斤顶的尺寸，并使加载的扁千斤顶外缘埋入岩面25mm，以防止加载过程中岩石局部破坏;4)用清水将槽内的岩粉等冲洗干净，并把调制好的水泥砂浆灌入槽内，再把扁千斤顶推入并捣实砂浆。必须严防浆体中夹入气泡，否则将损坏扁千斤顶或使试验结果不可靠;5)待砂浆凝固后，接通扁千斤顶和油泵，即可加压进行应力恢复试验，一般采用分级加压并同时记录应变计读数。最大一级压力应大于解除结束时应变计测读的相应压力。(4)测试要点应力恢复法试验示意图应力恢复法试验示意图(5)资料整理

1)修正记录的扁千斤顶油压，使之成为实际作用在槽上的压力，扁千斤顶修正系数在室内作出率定。

2)计算出每级开槽和加压的岩体应变值。计算的方法是每一级开槽和加压时应变计读数减去初始值。

3)画出岩体应变值和开挖深度、扁千斤顶压力的关系曲线。只要该关系曲线中岩体应变值与压力之间不出现显著的滞后现象，扁千斤顶的恢复压力(pc)大体上等于解除压力，亦即该方向的岩体应力。(5)资料整理(1)测试原理应力解除法是在岩体表面和地下洞室壁上预先埋设应变计(或贴电阻片)，然后在其周围掏环形槽(图)，并同时测量岩体应力解除后的应变值。根据岩体应力解除前后的应变变化和岩体的弹性模量，计算岩体的表面应力。1.2应力解除法(1)测试原理1.2应力解除法(2)应用范围应力解除法常用于岩体表面和地下洞室围岩表面的应力测量。每次试验只能确定平面上两个方向的最大、最小主应力。如果要确定该处的三向应力，至少要在三个不同方向的面上进行三次测量。

(3)主要仪器设备

1)钢弦应变计和钢弦应变仪或电阻应变片和电阻应变仪。

2)应变计保护罩。

3)钻机及相应配套的器材，用于掏槽。(2)应用范围应力解除法试验布置示意图应力解除法试验布置示意图(4)测试要点

1)清除试面上松动岩块并把它整平，其范围不小于解除岩芯直径的2倍。岩面起伏差不超过0.5cm，要做好试面的现场描述;2)在已处理的试验面上，埋设应变计丛(或贴应变片丛)。每组应变丛不得少于三只应变计(片)。应变计(片)埋好后，应加保护罩，以防损坏;3)把应变计(片)与应变仪接通，读出并记录各应变计(片)的初始值;4)用钻机分级掏槽，并记录其应变读数。每级掏深一般为2cm，掏槽的最终深度一般要求达到应变读数稳定时为止，并不得小于解除岩芯直径的0.5倍。(4)测试要点(5)资料整理1)根据测得的物理量换算成应变值后，计算各级解除深度下的应变值εiH=εnH-ε0H2)绘制应变丛各应变计(片)的应变值与解除深度的关系曲线，并根据曲线选取各应变计(片)的稳定应变值。(5)资料整理3)根据稳定应变值，计算主应变及其方向。3)根据稳定应变值，计算主应变及其方向。第10章岩体原位应力测试课件4)计算最大、最小主应力4)计算最大、最小主应力2.1测试原理2.2应用范围2.3主要仪器设备2.4测试要点2.5资料整理2.钻孔孔径变形法2.1测试原理2.钻孔孔径变形法钻孔孔径变形法是通过套孔钻进测量解除前后孔径变化来确定岩体应力的一种方法，目前主要采用钻孔变形计和压磁应力计两种测试方法，适用于完整和较完整岩法体。2.1测试原理钻孔孔径变形法是通过套孔钻进测量解除前后孔径变化来确定岩体应四个弹性钢环，电阻片应变-直径-应力四个弹性钢环，电阻片应变-直径-应力变形——应变——应力变形——应变——应力2.2应用范围2.2应用范围第10章岩体原位应力测试课件量测仪表及安装设备四分向环式钻孔变形计、电阻应变仪或压磁应力计(包括加力装置)、压磁应力仪、送进杆、水平及垂直定向装置、围压率定器、稳压电源设备钻孔设备钻机及相应配套的岩芯管、钻杆等;φ36mm钻头，φ110mm或φ130mm钻头;孔底磨平钻头和锥形钻头2.3主要仪器设备量测仪表及安装设备2.3主要仪器设备2.4测试要点（3）用f36mm钻头钻一深约300-400mm的同心孔，并将钻孔冲洗干净；2.4测试要点（3）用f36mm钻头钻一深约300-400第10章岩体原位应力测试课件第10章岩体原位应力测试课件2.5资料整理2.5资料整理2)计算与钻孔轴垂直平面内的最大、最小主应力及其方向2)计算与钻孔轴垂直平面内的最大、最小主应力及其方向4.1测试原理4.2应用范围4.3主要仪器设备4.4测试要点4.5资料整理4.钻孔孔底应变法4.1测试原理4.钻孔孔底应变法孔底应变法是借助于粘贴在钻孔底面上的电阻应变片测量套钻解除前后孔底岩体的应变变化，利用弹性理论的经验公式及岩石的弹性模量计算应力。孔底应变计有一个硬塑料外壳，在其端面借助于厚0.5mm的有机玻璃片或赛璐珞片(或薄橡皮)上贴有一组电阻应变丛。外壳另一端用胶粘剂(通常为环氧树脂)粘贴在孔底表面中央三分之一面积内。这样，当孔底岩面由于套钻解除发生变形时，应变计将随之变化。4.1测试原理孔底应变法是借助于粘贴在钻孔底面上的电阻应变片测量套钻解除前第10章岩体原位应力测试课件(1)此法适用于地下水位以上完整和较完整的致密与细粒结构的岩体。由于此法要求解除岩芯较短，仅需大于孔径的深度即可，因此在有一定程度破碎的岩体和出现饼状岩芯的地区，有时也可使用。(2)采用孔底应变计测量岩体三向应力，需要钻三个交会孔，三孔的布置应将两侧斜孔与中间垂直孔形成45±5的夹角。(3)此法测试深度不大，一般在20m以内。4.2应用范围(1)此法适用于地下水位以上完整和较完整的致密与细粒结构的量测仪器及安装设备孔底应变计、静态电阻应变仪和预调平衡接线箱、安装杆、安装器及定位装置、孔底擦洗器及烘干器、围岩率定器、稳压电源设备钻孔设备钻机及配套的岩芯管、钻