第6章 岩体应力测试

HohaiUniversity——岩土工程科学研究所孔纲强2011年12月HohaiUniversity第六章岩体应力测试•岩体应力泛指岩体内部存在的应力。在天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体初始应力、天然应力或岩体原始应力，在地质学中通常都称为地应力。•岩体应力来自岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力等五个方面，主要组成成分为岩体自重应力和地质构造应力。（1）自重应力。Hz'Hyx''式中—侧压系数，可根据半无限体侧向变形为零的条件求得，即)1/(（2）构造应力。地质构造应力一般认为是水平向作用力。假定地质构造应力S为沿水平轴x方向作用，即坐标轴x、y、z都与应力场的主方向一致，它随深度的变化如图6-1所示HohaiUniversityHohaiUniversity图6-1自重应力场的变化（3）岩体初始应力场。岩体初始应力场为岩体自重引起的应力场与地质构造运动引起的应力场的叠加，它随深度的变化如图6-2所示图6-2地质构造应力场的变化规律HohaiUniversity第一节孔壁应变法测试HohaiUniversity1.1孔壁应变法的套孔应力解除技术示意图如图6-3所示，钻孔套心过程就是围岩应力释放过程，测量套孔前后中心孔孔壁应变的变化量，计算出测点处岩体的应力状态。1.2CJS-1型钻孔三向应变计是典型浅孔孔壁应变计，其结构示意图如图6-4所示，应变片布置如图6-5所示图6-3套孔应力解除过程HohaiUniversityHohaiUniversity图6-4CJS-1型钻孔三向应变计结构图6-5CJS-1型钻孔三向应变计应变片布置形式HohaiUniversity1.3CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计结构示意如图6-6所示，CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计应变片的布置示意如图6-7所示。HohaiUniversity图6-6CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计结构1.4深孔水下孔壁应变计。深孔水下孔壁应变计结构示意如图6-8所示HohaiUniversity图6-7CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计应变片的布置HohaiUniversity图6-8深孔水下孔壁应变计结构（一）测点布置；（二）地质描述;（三）主要仪器设备;（四）测试准备应符合规定;（五）孔壁应变计的安装;HohaiUniversity1.6测试方法：（六）孔壁应变法测试及稳定标准（七）岩心围压试验应符合规定HohaiUniversity岩芯围压率定器如图6-9按照弹性理论厚壁筒应力分析方法推导出弹性模量的计算公式为：HohaiUniversityzE21prrrBHH2222其中，、分别为围压率定器施加围压时岩心发生的切向应变和轴向应变；、分别为试验岩心的外半径和内半径；p为围压。当把岩心围压试验作为平面问题处理时，上式可以简化为：pE2zHrBr（八）测试结果整理及测试记录。图6-10岩芯应力解除全过程曲线HohaiUniversity1.7实测数据整理分析1.坐标系及测量元件序号规定2.钻孔方向应符合规定3.测量元件序号应符合规定4.钻孔坐标系同大地坐标系的转换HohaiUniversityHohaiUniversity图6-11钻孔坐标系与大地坐标系的相对关系HohaiUniversity钻孔坐标系各坐标轴相对大地坐标系的方向余弦1.8关键技术问题（一）套心解除速率的要求；（二）应变计的制作；（三）黏结剂的配制；（四）钻孔机具的选配；（五）二次仪表的配置和标定。HohaiUniversity第二节孔底应变法测试HohaiUniversity钻孔孔底应变计结构如图6-12所示，应变片布置如图6-13所示图6-12钻孔孔底应变计结构示意图图6-13孔底应变计应变片布置2.2测试方法（一）测点布置及地质描述；（二）主要仪器设备及测试准备工作；HohaiUniversity孔底应变法应力解除示意如图6-14所示。HohaiUniversity图6-14孔底应变法应力解除示意图（三）应变计安装；（四）测试及稳定标准；（五）岩心围压试验、测试成果整理及测试记录。HohaiUniversity第三节孔径变形法测试典型的钻孔变形计有国家地震局地表应力研究所研制的YJ-81型压磁式应力计和中国科学院武汉岩土所研制的36-2型钢环式变形计，见图6-15和图6-16HohaiUniversity图6-15YJ-81型压磁式应力计结构示意HohaiUniversity图6-1626-2型钢环式变形结构示意HohaiUniversity3.2测试方法（一）测点布置及地质描述（二）主要仪器设备（三）测试准备（四）压磁应力计安装（五）压磁应力计法的测试及稳定标准（六）压磁应力计法测试成果整理uSKw式中K—元件率定系数；Sw—围压器单位压力MPa；—仪器读数差各元件率定系数按下式计算：uHohaiUniversity(七）四分量钢环式变形计安装（八）四分量钢环式变形计法的测试及稳定标准图6-17孔径变形法应力解除应变全过程曲线（4）解除过程钻孔孔径变形同钻进深度变化曲线如图6-17所示。每条曲线最终都要趋于稳定。HohaiUniversity（九）四分量钢环式钻孔变形计法测试成果整理各元件率定系数按下式计算：iiiSK式中—元件i的率定系数1/mm—各元件的应变值；—孔径变形量，mm。钻孔径向变形按下式计算：iiniKd0式中—钻孔径向变形，mm；i—测试元件的序号；—元件i的初始应值；—元件i的最终稳定应变值。iKiiSdi0niHohaiUniversity第四节水压致裂法测试4.1水压致裂法主要设备由三部分组成：钻孔承压段的封隔系统、加压系统、记录系统。水压致裂法地应力测量场景见图6-18图6-18水压致裂法实测现场HohaiUniversity4.2测试方法（一）钻孔测试段布置（二）主要仪器设备（三）测试准备（四）测试步骤（五）测试成果整理HohaiUniversity图6-19水压致裂过程与工程岩体应力的关系HohaiUniversity岩体应力计算公式：shPStbhHPPSS0303PPSSrhH式中：SH、Sh—钻孔横断面上的大、小平面主应力Pb—岩体破裂单位压力，MPa；P0—岩体孔隙单位压力，MPa；—岩体抗力强度，MPa；Ps—瞬间关闭单位压力，MPa;Pr—瞬间关闭单位压力，MPa;tHohaiUniversity第五节表面应变法测试5.1本测试方法包括两种：表面应力解除法和表面应力恢复法。图6-20表面应力解除法布置图6-21恢复法液压枕及应变计5.2表面应力解除法（一）测区布置（二）主要仪器和设备（三）测试准备（四）仪器安装（五）解除法测试及稳定标准（六）解除法测试成果整理HohaiUniversity（1）采用电阻片应变计时按下式计算：HohaiUniversity式中—解除应变值，；—与解除深度对应的应变数仪读数；—应变仪初始读数，。0niin05.3应力恢复法（一）测区布置（二）主要仪器和设备（三）测试准备(四）仪器安装（五）液压枕的安装（六）恢复法测试HohaiUniversityHohaiUniversity