用围压加载试验成果修正三向应变计测量技术

用围压加载试验成果修正三向应变计测量技术

0早期的地应力测量澳大利亚是进行地面气压测量的最古老的国家之一。1957年，雅拉登河和乌托科科首次通过1000公里的千公斤顶法获得了土壤侵蚀的数据。从那时起,配合采矿、地下建筑工程和地震研究在澳大利亚进行了数百次地应力测量。1963年以后,当国际上普遍采用钻孔应变计,出现了各种形式的钻孔三向应变计时,澳大利亚联邦科学和工业研究组织(CSIRO)资源开发研究所岩石力学部于1976年研制出第一代CSIRO型空心包体式钻孔三向应变计,由于它具有操作简单、测试成功率高、试验周期短、能适应地质条件较差的岩体等独特的优点,目前已成为世界上最广泛采用的地应力测量设备。在后来的使用过程中,又对CSIRO型空心包体式三向应变计原设计作了很多改进。目前在中国西南地区某水利工程引进了这种设备,进行了较大范围的测量,取得了很多有价值的实测资料。澳大利亚CSIRO型三向应变计有两个独突的优点,测量元件应变片的优化布置形式和对解除应变实测值进行修正,可以使地应力实测成果更精确。在今后采用空心包体式钻孔三向应变计进行地应力测量时值得借鉴。1中心应变片的布置澳大利亚CSIRO型三向应变计的测量元件应变片,为适应测量对象的岩石含有多节理和多微裂隙的特点,采用有效长度为10mm的电阻丝应变片。应变片的布置摆脱了传统的形式,除了布置3个常规的三分量应变丛外,单独又布置了3个应变片,共12个应变片,一次测量可获得12个观测值方程。因测量钻孔的口径较小,圆周角稍微变化会引起应力状态的较大变化,应变丛中每个应变片的有效面积中心不可能处于同一极角上,因此,每个应变片所处的极角和倾角需要单独计算的,具体布置如图1和表1所示。图1中应变片的布置形式是孔口往孔底看的,也即钻孔座标系的轴z由孔底指向孔口。第1组应变片为A0,A90,A45,D135,最大极角间隔为23°,应变片的倾角分别为0°,90°,45°,135°;第2组应变片为B45,B135,B90,E90,最大极角间隔为46.5°,应变片的倾角分别为45°,135°,90°,90°;第3组应变片为C0,C90,C45,F90,最大极角间隔为30°,应变片的倾角分别为0°,90°,45°,90°。3组应变片的极角平均间隔为126.5º,106º,127.5º,与传统应变计的应变丛布置间隔为120º相差不多。CSIRO型三向应变计的应变片倾角为90°的有5片,倾角为45°的有3片,倾角为0°和135°的各有2片。增加倾角90°切向应变片的数量,是因为切向应变片最为灵敏,有利于测量精度的提高。常规的空心包体式钻孔三向应变计是在环氧树脂胶筒上预先黏贴好3个成品的应变丛后,再浇注一层薄的环氧树脂层制作而成。应变丛的位置(也即它所处的极角)和它的倾角都会与设计角度存在一定偏差,这样就会产生一定程度的测量误差。2csiro型三向应变计启发的修正方法及实施澳大利亚提供的CSIRO型三向应变计计算机软件说明书中,明确指出了解除应变实测值需要经过修正,并提供了围压加载试验的试验曲线,但没有提供利用围压加载试验的成果对解除应变实测值进行修正的方法。利用围压加载试验的成果来修正解除应变实测值,从而提高地应力测量精度,长江科学院曾进行过研究。由CSIRO型三向应变计启发,修正方法作了一些改进,具体步骤:①对围压加载试验获得的同向应变测值取平均值;②将同向应变测值的平均值减去该向每个应变测值,得到该向每个应变测值偏离其平均值的相对误差;③将同向应变测值的平均值除其与每个同向应变测值的相对误差,得到该应变测值的修正系数;④将地应力测量获得的每个解除应变实测值乘以各自相应的修正系数,得到该解除应变实测值的修正值;⑤将每个解除应变实测值与其修正值相加,得到修正后解除应变实测值。然后按常规方法计算。对解除应变实测值的修正,最重要的依据是对解除后内含应变计的中空岩芯进行围压加载试验。最近在中国西南地区某水利工程的地应力测量中,虽然引进了澳大利亚的CSIRO型三向应变计,但没有引进其配套的围压加载试验设备,因此在该工程地应力测量中无法对解除应变实测值进行修正。为了说明澳大利亚CSIRO型三向应变计测量法的这两个独突优点,采用过去在三峡工程的实测资料来进行论述。3地应力测量量测1999年8月—9月,在永久船闸南#3排水洞内相应于二闸室和三闸室部位的3个水平向钻孔中,采用空心包体式钻孔三向应变计进行船闸二期开挖完成后的岩体应力测量,以研究船闸施工开挖后岩体应力的动态变化。测量钻孔ZK3位于三闸室部位,距船闸直立墙36m左右,钻孔方向与船闸轴线垂直,为上倾6º的近水平孔,具体布置见图2。钻孔ZK3获得4个测点的三维岩体应力实测资料,最深测深为9.80m。岩体应力测量采用长江科学院参考CSIRO型三向应变计优点自行研制的CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计,应变丛的布置极角为0°,120°,240°,每个应变丛中应变片的倾角为0°,45°,90°,120°。应变计安装角为-90°。采用空心包体式钻孔三向应变计地应力测量,在实测资料数据处理的计算公式中,首先要对测量元件应变片并非直接黏贴在钻孔岩壁上的修正系数K1,K2,K3和K4进行计算,它们由测量钻孔内径2R,应变计内径2R1,应变片嵌固部位半径ρ,和岩体的弹性模量E、泊松比µ,环氧树脂层的弹性模量E1、泊松比1µ确定。综合考虑岩体力学现场试验,岩石弹性常数取值为E=55GPa,µ=0.2。另外,2R=36.5mm,2R1=30mm,ρ=16.25mm,E1=3GPa,1µ=0.36,从而计算出应变片并非直接黏贴在钻孔岩壁上的修正系数K1=1.153755,K2=1.159504,K3=1.095146,K4=0.867452。今以钻孔ZK3测点K3-1(测深为6.95m)为例,来说明常规的应变计由于应变丛的位置和它的倾角偏差引起的地应力实测值误差,和如何利用围压加载试验成果对解除应变实测值进行修正。各应变片原始解除应变实测值列于表4,现场测量完成后,对内含应变计的中空岩芯在室内进行围压加载试验,围压加载试验曲线(同向应变片测值的平均)见图3。3.1原始解除应变基础地应力误差澳大利亚CSIRO型三向应变计测量元件应变片的布置形式的优点,通过测点K3-1的实测成果,用逆向方法来说明。以CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计的第二应变丛为例,它在胶筒上所处的极角偏差为10°(在胶筒上仅偏差2.4mm),倾角偏差为10°。原始解除应变实测值列于表2,所引起的地应力实测值误差列于表3。由表3可知,应变丛位置偏差引起的正应力分量误差(绝对值,下同)平均为0.15MPa,最大为0.26MPa,水平主应力误差较小,引起的主应力量值误差平均为0.14MPa,倾角和方位角的误差都比较小,在7°范围内;应变丛倾角偏差引起的正应力分量误差平均为0.15MPa,最大为0.41MPa,水平主应力最大误差为0.39MPa,引起的主应力量值误差平均为0.14MPa,最大为0.39MPa,倾角和方位角的误差都比较小,在8°范围内。这些误差虽然量值都不很大,但是如果再有另一个应变丛或另两个应变丛也有类似的偏差,两者相互叠加所引起的实测地应力误差就可能较大,可能到不可忽略的程度。澳大利亚CSIRO型三向应变计就能避免这些误差的产生。3.2应变片观测与修正围压加载试验实测资料表明,顺轴向(ϕ=0°)布置的3个应变片测值较大且非常离散,说明该测点顺轴向布置的应变片实测到的解除应变实测值不可靠,所以在地应力实测数据处理的计算中删去,选取剩下的9个解除应变实测值进行统计计算。围压加载试验在最高压力6MPa下的应变片测值(除去3个顺轴向的应变片测值),同向应变片测值的平均值及其与同向应变片测值的相对差和各应变片测值的修正系数列于表4。各应变片原始解除应变实测值及其修正量和修正后解除应变实测值列于表2,修正前后实测的3个主应力的量值及其倾角、方位角和6个应力分量的量值以及水平面上最大、最小水平主应力的量值、最大水平主应力的方位角列于表5。由表5可知,实测的岩体应力σ1和σ2都为水平向,倾角在10°范围内,σ3为铅垂方向,倾角在78º以上。修正后的岩体应力与修正前的岩体应力相差还是较大的,正应力分量的量值修正量的绝对值平均为0.80MPa,水平主应力的量值修正量平均为0.89MPa,最大水平主应力方位角修正量为-5°。主应力的量值修正量的绝对值平均为0.85MPa,σ1和σ2倾角和方位角的修正量都比较小,倾角在8°范围内,方位角在5°范围内,σ3因近铅垂向,方位角变化会较大,表上的修正量是参考值。3.3岩体应力动态变化规律永久船闸基岩开挖前,1993年12月—1994年2月在船闸南坡曾进行了4个深钻孔的地应力测量,其中采用套芯应力解除法的#2496钻孔和采用水压致裂法的#2514、#2508钻孔,正处于三闸室部位。与南#3排水洞(高程113m)相对应的测段,#2496钻孔为测深138.23m(高程123.27m),#2514和#2508钻孔为测深83.95m和53.74m(高程115.11m和112.67m)。#2496钻孔相对应测段(测深138.23m)的三维地应力实测结果与南#3排水洞船闸二期开挖完成后实测的岩体应力列于表6。#2514、#2508钻孔相对应测段(测深分别为83.95,53.74m)未进行破裂缝定向记录,也即未测定最大水平主应力方位,最大水平主应力和最小水平主应力的量值分别为9.09MPa和6.13MPa,7.8MPa和7.0MPa。由表6可知,二期开挖完成后岩体应力比未扰动的地应力有很大变化,大主应力的量值有所增加,增值为1.14MPa,中、小主应力的量值有所降低,降值分别为1.79,1.57MPa,最大水平主应力的量值有所增加,增值为1.43MPa,最小水平主应力的量值稍有降低,降值为0.18MPa,最大水平主应力方位角,由91.4°变化为189.1°,变化量达97.7°。与水压致裂法实测成果比较,最大水平主应力的量值增加较大,分别比#2514和#2508钻孔增加3.51MPa和4.80MPa,最小水平主应力的量值稍有变化,分别与#2514,#2508钻孔相差0.45MPa和-0.42MPa。由表6可分析得出船闸二期开挖中岩体应力是如何进行动态变化的。二期开挖前地应力的状态:大主应力和小主应力呈缓倾角,倾角分别为18.4°和28.5°,方位角分别为86.9°和187.3°,船闸轴向为110º58′,基本上是顺船闸轴向和垂直船闸轴向(仅差24.07°和13.67°);二期开挖完成后岩体应力的状态为:大主应力和中主应力呈近水平向,倾角分别为4.2°和-10.3°,方位角分别为189.4°和100.2°,为垂直船闸轴向和顺船闸轴向(仅差11.57°和10.77°)。由此可见,开挖前和开挖完成后岩体应力的变化,在垂直船闸轴线邻近方向上,由小主应力逐渐演变为大主应力,倾角由28.5°演变为4.2°,方位角由187.3º演变为189.4°(演变量,倾角为24.3°,方位角为2.1°);在顺船闸轴线邻近方向上,由大主应力逐渐演变为中主应力,倾角由18.4°演变为-10.3°,方位角由86.9°演变为100.2°(演变量,倾角为28.7°,方位角为13.3°)。开挖前陡倾角的中主应力(倾角为55.1°)逐渐演变为开挖完成后近铅垂向的小主应力(倾角为78.8°)。另外,最大水平主应力方向,由开挖前近似顺船闸轴向(仅差19.57°)逐渐演变为开挖完成后垂直船闸轴向(仅差11.87°)。船闸二期开挖后岩体应力的动态变化,是根据二期开挖完成后船闸基岩的形状决定。二期开挖后三闸室的基岩高程为92m,船闸直立边墙高为68m,而南#3排水洞洞底高程为113m,水平向距离闸室边墙为36m,测量钻孔未处于开挖的应力集中区,而接近开挖应力松动带的边缘。开挖完成后岩体应力中大主应力和中主应力近水平向(倾角为4.2°和-10.3°),方位角与船闸轴线相垂直和平行(仅相差11.57°和10.77°),最大水平主应力方向也与船闸轴线相垂直(也仅相差11.87°)。小主应力方向为近垂直向(倾角为78.8°)。总之,船闸开挖扰动了原始的地应力状态,船闸附近岩体应力状态的大主应力方向和最大水平主应力方向,由未受扰动地应力的近似顺船闸轴向逐渐演变为开挖完成后垂直船闸轴向,并且量值有所增加,附合一般岩体开挖应力状态的动态变化规律。4地应力实测值对比(1)澳大利亚CSIRO型空心包体式钻孔三向应变计的测量元件采用基长较长的应变片,它的布置摆脱了