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2020/3/31第9章岩体应力与变形测试-电阻应变式测试的实际应用本章内容平面压力测量岩体压力测量岩体变形测试-电阻应变测试技术应用2020/3/32岩体应力(in-sitestress)岩体是预应力体,其应力是由覆盖岩层质量、地质构造运动、地温变化等原因引起的,称为原岩应力或初始压力。岩体应力包括原岩应力和围岩应力。原岩应力大小及分布规律主要取决于覆盖岩层自重、地质构造、水文地质,地形地貌、地温变化因素。岩体应力测量通过某种测试手段测得岩体某一点上的应力数据,即组成应力场各个应力分量的大小和方向。应力测量结果对于分析地下工程的稳定性,进行采矿或地下工程设计以及工程施工管理都是必不可少的依据之一。岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/33岩体应力测量方法分类根据测量手段的不同,实际测量中使用的测量方法分为五大类,即:构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法;根据测量原理的不同分为应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、x射线法、重力法共八类。岩体变形测量各种岩体工程改变了原岩应力场,同时引起岩体变形。岩体变形测量可以了解并掌握围岩所处的状态。在工程上最常用的测量岩体变形的方法有表面收敛法和深孔位移法。测量结果被用于评价岩体稳定性和支护效果检验。岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/341.平面压力测量(1)主应力方向已知的平面应力测量沿着两个主应力方向各粘贴一个应变片)(1)(112222121EE岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/351.平面压力测量(2)主应力方向未知的平面应力测量沿着不同方向(严格按一定角度)各粘贴应变花三片直角三片等角四片T-Δ岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/361.平面压力测量(2)主应力方向未知的平面应力测量1112sin22cos22yxyxyx3332222sin22cos222sin22cos22yxyxyxyxyxyx0dd令yxxy2tan-主应变方向岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/371.平面压力测量(2)主应力方向未知的平面应力测量yxxy2tan代入应变表达式得主应变:将2221)(212xyyxyx)(1)(112222121EE岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/381.平面压力测量(3)常用应变化形式岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/392.岩体压力测量(1)概述岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3102.轴向压力测量R1R2R3R4R1R2R3R4岩土工程测试技术•第3章电阻应变测试2020/3/3113.岩体压力测量(1)应力恢复法原理应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的方法,此法仅用于岩体表层应力测试。若已知岩体中主应力方向,采用该法较方便。比如硐室侧墙的应力测试。岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3123.岩体压力测量(1)应力恢复法原理在岩体表面沿水平方向开一个应力解除槽(长度槽厚度,槽壁与岩体表面垂直),切槽后该处应力σ1被解除,引起附近岩壁变形,应力状态重新分布。在槽的中垂线OA上的B点应力状态可根据弹性力学复变函数解(将槽看成缝)求得:岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试1)1(33)1(14232246112322411yx2020/3/3133.岩体压力测量(1)应力恢复法原理然后在槽中埋设千斤顶/压力枕,并对槽加压,使槽壁变形逐步恢复至未切槽之前状态,设施加压力为P,则在OA线上B点产生的应力状态为:岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试324232242)1(132)1(142PPyx当P=σ1时,则B点总应力分量为:121221yyyxxx2020/3/3143.岩体压力测量(1)应力恢复法原理岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试当P=σ1时,则B点总应力分量为:121221yyyxxx说明原岩应力状态已完全恢复,此时千斤顶/压力枕的压力P就可用于确定所测压力σ1。同理,将压力解除槽转动90o,则可测定出σ2的原岩应力值。2020/3/3153.岩体压力测量(1)应力恢复法原理岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试测试过程1)在选定测点沿着解除槽中垂线上安装测试元件(千分表/钢弦应变计/电阻应变片),应变计中心一般距槽为槽宽1/3m,槽深1/2m;2)记录初始读数;3)开凿解除应力,随时监读记录;4)埋设千斤顶/压力枕;5)充填水泥浆并保养到设计强度,对岩体施压,逐点记录压力P与恢复变形的关系,直至变形完全恢复或应变计恢复到初始读数;6)测试数据整理与修正。2020/3/3163.岩体压力测量(1)应力恢复法原理岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试测试过程2020/3/3173.岩体压力测量(1)应力恢复法原理岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试测试过程2020/3/3183.岩体压力测量(1)应力恢复法原理岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试应用条件应力恢复法测试设备简单,能直接测得应力的大小。千斤顶测量时只能在开挖体表面附近的岩体中进行,故其测量的是次生应力场,而非原岩应力场。该测量原理是基于岩石为完全线弹性的假设,对于非线性岩体,其测得的平衡应力并不等于开槽前应力。由于开挖的影响,各种开挖体表面的岩体将会受到不同程度的损坏,这些都会造成测量结果的误差,需要对测量结果予以修正。2020/3/3193.岩体压力测量(2)应力解除法基本原理zzyyxxzyx应力解除法适用的假设条件:①岩体是均匀、连续、完全弹性体;②加载和卸载时应力与应变之间的关系相同;③单元体自重忽略不计应力解除法:孔底应力解除法、孔径变形法、孔壁应变法三种岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3203.岩体压力测量(3)应力解除法-孔径变形法孔径变形法是在岩体钻孔中埋入孔径变形计,测量应力解除前后的孔径变化量来确定岩体应力。测试仪器设备孔径变形计-电阻式、电感式和钢弦式Φ36—Ⅱ型钢环式孔径变形计安装工具:安装器,送入杆,固定支架,电阻应变仪岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3213.岩体压力测量(3)应力解除法-孔径变形法测试仪器设备Φ36—Ⅱ型钢环式孔径变形计岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3223.岩体压力测量(3)应力解除法-孔径变形法测试过程先钻φ127mm的大孔后钻φ36mm的同心小孔用安装杆将变形计送入孔中适当调整触头的压缩量(钢环上有初始应变),然后接上应变片电缆并与应变仪连接再用φ127mm钻头套钻;边解除应力边读取应变直到全部解除完毕岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3233.岩体压力测量(3)应力解除法-孔径变形法应力计算钻孔径向位移(孔径变形)与岩体应力的关系有岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2sin2cos12cos21xyyxERu设钻孔轴线与原岩某一主应力方向平行,变形计在0o、45o、90o三个方向上测定钻孔位移的变化,其位移量分别为u0、u45、u90,则与钻孔轴线垂直的平面内的最大最小主应力及其方向为:2020/3/3243.岩体压力测量(3)应力解除法-孔径变形法应力计算岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试设钻孔轴线与原岩某一主应力方向平行,变形计在0o、45o、90o三个方向上测定钻孔位移的变化,其位移量分别为u0、u45、u90,则与钻孔轴线垂直的平面内的最大最小主应力及其方向为:900900452904524509002290452450900122tan])()(21)[(2])()(21)[(2uuuuuuuuuuuREuuuuuuRE2020/3/3253.岩体压力测量(3)应力解除法-孔径变形法应力计算岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试说明:9009004522tanuuuuu02cos900uu02cos900uu;α为u0与σ1之间的夹角;;α为u0与σ2之间的夹角2020/3/3263.岩体压力测量(3)应力解除法-孔径变形法应用条件岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试单孔孔径变形法只有在钻孔轴线与岩体的一个主应力方向平行的情况下,才能测得原岩主应力的大小和方向。孔径变形法测试元件具有零点稳定性、直线性、重复性和防水性好、适应性强、操作简便等特点。孔径变形法采取的应力解除岩芯较长,一般不能小于28cm,故不宜用于较破碎岩层的应力测量。在岩石弹性模量较低,钻孔围岩出现塑性变形的情况下,采用孔径变形法要比孔底和孔壁应变法效果好。2020/3/3273.岩体压力测量(4)应力解除法-孔底应力解除法孔底应力解除法先在围岩中钻孔,在孔底平面上粘贴应变元件,然后用套钻使孔底岩芯与母岩分开,进行卸载,观测卸载前后的应变,间接求出岩体中应力。测试仪器设备应变传感器(应变探头-应变花、有机玻璃底板、硫化硅橡胶、塑科外壳及电镀插针)安装工具:安装器,送入杆,固定支架等,电阻应变仪岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3283.岩体压力测量(4)应力解除法-孔底应力解除法测试过程(1)钻孔(φ76mm)至预定深度,取出岩芯;(2)将孔底磨平、打光,冲洗、热风干、擦洗孔底;(3)贴应变探头(经20h);(4)测取初始应变读数,拆除安装工具;(5)用套孔钻头钻进深度为岩芯直径的2倍;(6)测量解除后的应变值,测定岩石的弹性模量。岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3293.岩体压力测量(4)应力解除法-孔底应力解除法测试过程1)钻孔(φ76mm)至预定深度,取出岩芯;2)将孔底磨平打光。冲洗、热风干、擦洗孔底;3)贴应变探头(经20h);4)测取初始应变读数,拆除安装工具;5)用套孔钻头钻进深度为岩芯直径的2倍;6)测量解除后的应变值,测定岩石的弹性模量。岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3303.岩体压力测量(4)应力解除法-孔底应力解除法应力计算利用孔底应力解除法求岩体应力须经两个步骤:a.由孔底应变计算出孔底平面应力岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试cossinsincos22xyyxb.利用孔底应力与岩体应力关系计算岩体应力分量12,1,122xyxxyyyxxEEExyxyzxyyzyxxdcbacba''',,a=1.25,b=0.0064,c=-0.75(0.645+μ),d=1.252020/3/3313.岩体压力测量(4)应力解除法-孔底应力解除法应用条件孔底应力解除法只有在钻孔轴线与岩体的一个主应力方向平行的情况下才能测得原岩主应力的大小和方向。若钻孔轴线和一个主力方向重合,且其主应力值为已知(典型的自重应力),则一个钻孔的孔径变形测量也就能确定该点的三维应力状态。岩土工程测试技术•第9章岩体应力与变形测试2020/3/3323.岩体压力测量(5)应力解除法-孔壁应变法孔壁应变法是在钻孔壁上粘贴三向应变计,通过测量应力解除前后的孔壁应变,利用弹性力学的理论求出岩体原始应力的方法,利用单一钻孔可获得一点的空间应力分量。测试仪器设备三向钻孔应变计(Φ36mm橡胶栓、电阻应变花、电镀插针、楔子等)岩土
本文标题:第9章 岩体应力与变形测试
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