水利工程岩土工程质量检测培训教材

水利工程岩土工程质量检测培训教材(白世伟周火明等)2007年8月第一节孔壁应变法测试第二节孔底应变法测试第三节孔径变形法测试第四节水压致裂法测试第五节表面应变法测试第六节岩体应力测试套钻孔应力解除法实测数据整理说明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。岩体被扰动后的应力称为二次应力或围岩应力（对地下洞室而言）。岩体初始应力不仅与岩体自重、地质构造运动有关，而且与地形地貌、成岩过程的物理化学变化、地温梯度、岩体特性等有着密切的关系，它随着地壳岩体所处的位置和时间不同而变化，因此它是一种复杂的综合性的应力状态。岩体应力的成因大致有岩体自重、地质构造运动、地形地貌、剥蚀作用和封闭应力等五个方面，其中主要成因为岩体自重应力和地质构造应力。第六章岩体应力测试世界范围内地应力分布的一些基本规律性主要有以下几点：图6.0-1地应力与岩体埋藏深度关系曲线地表下深度H/m(1)实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量。H．K．布朗总结全世界有关铅垂应力σv资料表明，在深度为25-2700m范围内，铅垂应力σv随深度大致按岩石重度的比率线性增加（图6.0-1）。垂直应力σv/MPa(2)水平应力σh普遍大于铅垂应力σv。据实测资料统计，最大水平应力与铅垂应力的比值，即侧压系数λ一般为0.5-5.5，大部分在0.8-1.2之间，总的来说，水平应力σh多数大于铅垂应力σv。(3)平均水平应力与铅垂应力的比值λ是随深度而变化的，BrownE.T.和HoekE.根据各地实测资料概括为如下经验公式（见图6.0-2）：100/H＋0.30≤λ≤1500/H＋0.5从已有的资料来看，在深度不大的情况下，λ的变化范围很大，平均水平应力与铅垂应力之间不存在固定的关系。随着深度的增加，λ值分散度变小，并且趋向于1，表明深部极大时岩体可能处于接近于静水压力的状态。图6.0-2侧压力系数与深度关系平均水平地应力与铅垂地应力的比值地表以下深度H/m(4)最大水平主应力方向与地质构造的关系。现代岩体中最大水平主应力方向，主要取决于现代地质构造应力场，与历史上曾经出现过的地质构造应力场不存在必然的联系，它们之间的关系比较复杂，通过对地质结构面的力学性质及其组合关系分析和地质力学分析，才可以初步判断地质构造应力场的主压应力方向。关于岩土工程地应力场：（1）自重应力。假定岩体简化为均质半无限弹性体，忽略地质构造和地形变化对岩体初始应力的影响，自重应力引起的应力场随深度的变化如图6.0-3所示，其量值为σz'＝γH，σx'＝σy'＝λγH式中：λ为侧压系数，可根据半无限体侧向变形为零的条件求得：图6.0-3自重应力场的变化规律λ＝μ/（1-μ）图6.0-3自重应力场的变化规律（2）构造应力。按照板块运动（大陆漂移）学说，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7.0-4所示。图6.0-4地质构造应力场的变化规律x（3）岩体初始应力场。一般情况下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（忽略岩体初始应力场的次要组成成分），取自重应力场的主轴与地质构造应力场的主轴一致，它随深度变化如图6.0-5所示，规律如下：①岩体初始应力场的各应力分量，除靠近地表以外，沿深度的变化均可用线性方程来概化，即沿深度呈直线变化；②在岩体初始应力场中，大主应力σ1在浅层为水平向，到达较大深度后转变为铅垂向；中主应力σ2或小主应力σ3在浅层为铅垂向，到达较大深度后转变为水平向。它们由两个直线段组成，其转折点深度为临界深度；图6.0-5初始应力场变化规律③在临界深度以上岩体初始应力场是以地质构造应力场为主导，大主应力为水平向，其量值随深度增加的幅度较小。在临界深度以下，就转变以自重应力场为主导，即大主应力为铅垂向，其量值随深度增加的幅度较大。临界深度附近，存在一个主应力方向逐渐调整变化的过渡带。④河谷应力场，水电工程多建于河谷地区，其应力场分布有独特的规律，见图6.0-6。图6.0-6河谷地区地应力场分布规律（4）二次应力场当在岩体内或在基岩上修建工程时，由于施工开挖，改变了岩体的初始边界条件，使岩体内的能量得到释放，从而引起围岩的应力重分布，形成新的应力状态，产生围岩变形或破坏。如在地下工程中（地下厂房，矿山，公路、铁路隧道），常因开挖而引起围岩失稳；在水工大坝基岩中常因开挖卸荷而造成基岩变形或位错等。为了评估岩土工程的稳定性，必需研究二次应力场。为了分析岩土工程的二次应力场，首先必需知道岩体初始应力状态。因此岩体初始应力是岩体工程勘测设计所必须的基本资料。而岩体初始应力场只能通过现场实测获取，这就是为什么岩体应力测量成为岩土工程研究领域不可缺少的重要技术。1912年瑞士地质学家海姆（A.Heim）首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态（海姆假定），即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即自重应力。金尼克和朗金（W.J.M.Rankine）分别修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于自重应力，而侧向应力（水平应力）应为自重应力乘以一个修正系数。上世纪20年代，我国地质学家李四光就指出水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。50年代，哈斯特(N.Hast)首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的1-2倍，甚至更多。后来的进一步研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，因而造成了地应力状态的复杂性和多变性。即使在同一工程区域，不同点地应力的状态也可能是很不相同的，因此，地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得。要了解一个地区的地应力状态，最有效的方法就是在现场进行岩体应力测试，包括岩体初始应力测试和洞室围岩应力测试等。“应力”不能直接去度量和观察，而只能通过测量其间接量（例如应变、变形或其他物理量等）来确定。早在上世纪三十年代初期，人们就曾利用测量洞壁的应变来计算岩体的初始应力状态，特别是1964年李曼（E.R.Leeman）研究了挡门器和三向应力测量仪器，并为世界各国所采用，开创了岩体应力测试的先河。我国自上世纪六十年代初期开始进行岩体应力测试，到现在经历了四十多年的发展，在广大科技工作者的努力下，开发和推出了多种测试方法，测试技术也不断改进，测量深度也在不断增加。早期的地应力测量一般是在岩体的表面进行，分为表面应力恢复法和表面应力解除法两种。扁千斤顶法是表面应力恢复法的代表，而中心钻孔法和平行钻孔法则为表面应力解除法的代表。表面应力测量一般都在开挖洞室岩体表面进行，只能测量岩体表面的一维或二维应力状态，而这种应力状态还受到开挖扰动影响，并非原岩应力。因此这类方法不能正确确定测点处的原岩应力状态。为了克服这类方法的缺点，另一类方法是从洞室表面向岩体中打小孔直至原岩应力区，这就保证了测量在原岩应力区中进行。这类方法称为“钻孔测量法”，目前普遍采用的应力解除法和水压致裂法均属此类方法。岩体应力测试的方法很多，各有其适用范围。就其测试的物理量来分，有直接法和间接法；就其测量部位来分，有孔内法和表面法；就其测试元件来分，有机械式、电阻式、电感式等。目前测量地应力的主要方法有：岩体表面地应力测量、套钻孔应力解除法地应力测量、水压致裂法地应力测量和声发射（AE）地应力测量等几大类。各大类又可细分出许多测量方法。如岩体表面地应力测量又可分为岩体表面应力解除法和岩体表面应力恢复法；套钻孔应力解除法地应力测量可分为钻孔孔壁应变法、钻孔孔底应变法和钻孔孔径变形法。随测试原理和测试仪器不同还可分为二维地应力、三维地应力、浅孔地应力和深孔地应力测量。第一节孔壁应变法测试钻孔套心应力解除技术是岩体应力测试的基本方法。孔壁应变法是套孔应力解除技术的一种应用，此外孔径变形法亦属此例。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。套孔应力解除技术工法示意如图6.1-1。一钻孔套心应力解除技术图6.1-1套孔应力解除过程示意图由图6.1-1可知，钻孔套心应力解除法是利用大口径钻头将岩心与围岩分离开来，从而使得岩心内原来承受的应力全部解除，根据此过程中岩心产生的应变（或变形），反演原来的岩体应力状态。按照被测量的物理量及其测量部位的不同，分为（1）钻孔孔壁应变测量法、（2）钻孔孔径变形测量法、（3）钻孔孔底应变测量法。钻孔孔壁应变测量法应用最为广泛，该方法利用安设在小钻孔的孔壁应变计测量的解除应变值计算解除前的应力状态，在一个钻孔的一次测量就可以确定岩体的三维应力状态。孔壁应变法测试按其应变计结构和适用环境分为浅孔孔壁应变法、浅孔空心包体孔壁应变法及深孔水下孔壁应变法三类。孔壁应变计应根据工程要求、使用环境及测试方法选用。（1）浅孔孔壁应变计因直接在孔壁上粘贴应变片，要求孔壁干燥，故适用于地下水位以上完整、较完整细粒结构岩体，孔深不宜超过20m，为排除孔内积水，钻孔宜向上倾斜3°-5°。CJS-1型钻孔三向应变计是典型浅孔孔壁应变计，其结构示意如图6.1-2，应变片布置示意如图6.1-3。图6.1-2CJS-1型钻孔三向应变计结构示意图橡皮岔补尝室图6.1-3CJS-1型钻孔三向应变计应变片布置形式（2）空心包体式孔壁应变计是将应变计的应变片粘贴在一预制的薄环氧树脂圆筒上，再包裹一层环氧树脂制成，适用于完整、较完整的岩体。CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计结构示意如图6.1-4，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6.1-5。图6.1-4CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计结构图图6.1-5CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计应变片的布置（3）深孔水下孔壁应变计深钻孔套心应力解除测量法一般采用孔壁应变计。为解决钻孔深度大所带来的一系列问题，在浅钻孔岩体应力测量技术的基础上有许多发展。关键技术包括：（1）能够在深水中工作的深钻孔水下三向应变计、（2）配套的应变片水下粘结剂、（3）水下应变计粘贴技术、（4）安装定位的触发装置、（5）井下测定应变片方向的装置、（6）深钻孔套钻技术以及井下数据采集系统。深孔套孔应力测量可以在深达数百米钻孔中不间断地取得应力解除全过程的解除应变数据。对测试孔的要求，浅孔应变计及空心包体应变计对测试孔径要求为测试元件标准外径（如36应变计为36mm）加上0.2-0.7mm，过大过小都将影响安装。三类应变计对测试孔深均要求满足安装长度（即应变计长度加上100mm）。采用深孔测试时，为防止残留岩心掉入孔内，测试前宜用试孔器测量孔深。深孔水下孔壁应变计结构示意如图6.1-6。图6.1-6深孔水下孔壁应变计结构图1测点布置及地质描述（1）测段内及测段附近岩性应均一完整。（2）每一测段内宜布置2-3个测点，各测点应尽量靠近，避开断层、裂隙等不良地质构造。（3）在测试岩体初始应力时，测试深度应大于洞室断面最大尺寸的2倍。地质描述包括下列内容：（1）钻孔钻进过程中的情况。（2）岩石名称、结构及主要矿物万分。（3）结构面类型、产状、宽度、充填物性质。（4）测点区的地应力现象。二测试方法2主要仪器设备及测试准备工作主要仪器和设备包括下列各项：——钻机及附属设备；——大、小口径金刚石钻头；——磨平钻头及导向钻头；——孔壁应变计（浅孔孔壁应变计、空心包体孔壁应变计、深孔水下孔壁应变计）；——静态电阻应变仪及接线箱；——安装工具；——清洗及烘烤器具；——岩