岩体的初始应力状态第3三节.ppt

1、第三节 岩体初始应力状态的现场量测方法,一、岩体应力现场量测方法概述 1.目的： （1）了解岩体中存在的应力大小和方向 （2）为分析岩体的工程受力状态以及为支护及岩体加固提供依据 （3）预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具,2. 方法分类(表6-1),二、水压致裂法,（一）方法原理及技术 要点：通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其结构如图6-10所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图6-11。,P0,Pb,Ps,Ps0,P0,Pb

2、0,Ps,图 6-11 压裂过程泵压变化及特征压力,图 6-10 止水、压裂工作原理,Pb,Ps,Ps,Ps0,Pb0,P0,各特征压力的物理意义 P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力 Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力 Ps-液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力 Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。如围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减 Pb0-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力,（二）基本理论和计算公式,当孔壁出现垂直裂缝时，设孔周边两个水平地应力分别为 和 ，孔壁还受有水压Pb.如图6-12。,图 6-12 孔壁开裂力学模型,a,钻孔周围岩体内应

3、力 (Kirsch.G-基尔斯解),在孔壁上r=a，有：,当 时有最大拉应力：,按最大拉应力理论，有,(6-15),(6-16),将(6-15)代入(6-16)得孔壁开裂应力条件,(6-18),即孔壁开裂在与 垂直, 的面上,式中：T0-岩体的抗强度,若岩体中有孔隙水压力Pw，（6-18）式变成：,(6-19),由图6-11知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0，则上式变成：,(6-20),19和20两式对比得： Pb Pb0=T0,(6-21),在关闭压力Pb0点上，孔壁已经开裂，则T0=0,稳定开裂压力由P0下降到Ps0。此时，ps0等于与裂缝垂直的应力，即：,求得主应力及岩体抗拉强度

4、（三）根据水压致裂法试验结果计算地应力 （1）一般来讲 作为地主应力之一。我们可以将 与 作比较，若 ，则可以肯定此时 为最小主应力；进一步将 与 作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。,因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定 的方位或 的方向，所以三个地主应力的方位也就可以相应确定。 （2）如果 ，并且孔壁开裂后孔内 岩体出现水平裂缝，则此时 为最小 地应力， 与 各为中间主应力及最大 地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。,（四）水压致裂法的特点,设备简单 操作方便 测值直观 适应性强 受到重视和推广,缺陷：主应力方向不准,三、应力解除法,1. 基本原理： 当需要测定岩体中某点的应

5、力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。,切断联系,解除应力,应变恢复,测试应变,计算应力,流程要点,2. 应力解除法分类,按测试深度,表面应力解除 浅孔应力解除 深孔应力解除,按测试应变或变形,孔径变形测试 孔壁应变测试,孔底应力解除法 孔壁 应力解除法,测1个平面3个方向上的应变,1平面3方向上的径位移,3平面9个方向应变,原理要点 向岩体中的测点先钻进一个平底

6、钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，应变传感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中心处的平面应力状态。由于孔底应力解除法只需要钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能应用,（1）岩体孔底应力解除法,在孔底平粘贴3应变片 应变花,一个平面有3个独立的应力分量,工作步骤,应变观测系统,（2）套孔应力解除法,原理要点 对岩体中某点进行应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。,孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于套孔应

7、力解除法。前者测试套孔应力解除后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后的孔壁应变。其操作步骤和原理基本相同,表面应力解除法,直角应变花,等边三角形应变花,应力解除槽,钻孔的深度必须超过开挖 影响区，才能测到岩体内的原始应力，否则测出的是二次应力。,工作步骤,套孔应力解除工作步骤,套孔应力解除使用的传感器 孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力解除采用应变传感器。,，,孔径变形测试传感器布置,孔壁应力解除法传感器布置,计算公式,应力解除法，由测试数据换算成应力，根据测试参数的不同可以分为两类：(1)由应变换算成应力；(2)径向位移换算成应力。换算的基本理论和方法都在弹性力学中学过，这仅以(2)为例。,

8、由孔径变形测试换算初始应力，在大多数试验场合下，往往进行简化计算例如假定钻孔方向和 一致，并认为 ，则,（6-24）,式中： -钻孔直径变化值 -钻孔直径 -量测方向和水平轴的夹角 -岩石弹性模量与泊松比,在实际计算中，由于考虑到应力解除是逐步向深处进行的，实际上不是平面变形而是平面应力，则有,式中： 分别为在0度，45度和90度三个方向上同时测定的孔径变化。,空间原始应力测试,测试空间原始应力 ，孔壁应变法只须1钻孔，孔底应变法和孔径变形法需要3个钻孔,四、应力恢复法,应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，应力。当己知某岩体中的主应力方向时，采用本法比较

9、方便。 如图6-18，当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力 方向各为垂直于水平方向时，就可用到应力恢复法测得 的大小。,图6-18 应力恢复法原理图,基本原理：,在侧墙上沿测点o，先沿水平方向开一个解除槽，则在槽的上下附近，围岩应力得到部分解除，应力状态重新分布。在槽的中心线OA上的应力状态，根据H.N.穆斯海里什维里理论，把槽看作一条缝，得到：,（627）,式中 OA线上某点B上的应力分量 B点离槽中心O的距离的倒数。,当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，若施加压力为p，则在OA线上B点产生的应力分量为,（628）,当压力枕所施加的力 时，这时B点的 总应力分量为,可见当压力枕所施加的力

10、 时，则岩 体中的应力状态已完全恢复，所求的应力 即由P值而得知，这就是应力恢复法的基本原理。,实验过程 1. 在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件（见图6-19）,2.记录量测元件应变计的读数。 3.开凿解除凿，岩体产生变形并记录应变计上的读数。 4.在开挖好的解除凿中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。 5.待充填水泥浆达到一定强度后，即将压力枕联接油泵，通过压力枕对岩体施压。随着压力枕所施加的力p的增加，岩体变形逐渐恢复。逐点记录压力p与恢复变形的关系。,6.假设岩体为理想弹性体，则当应变计回复到初 始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力。,如图6-20所示，ODE 为压力枕加荷曲线， 压力枕不仅加压到初始读数（D点），即恢复了弹性变形 ，而且 继续加压到E点，得到全应变 ：,由应力-应变曲线求岩体应力,图6-20,由压力枕逐步卸载，得卸荷曲线EF,并得知 ，这样就可以