地应力测量及检验.pdf

第 2 1 卷第 1 期 1 9 9 9 年 1 月 岩土工程学报 c r e s e J o u rna l o f e c l e E I g i I e e n g 2 1 N o 1 J a n 1 9 9 9 地应力测量应变值检验及应变计最佳布片方式 Di r e c t me t h o d t o v e r if y v i r g in s t r e s s me a s u r e me n t a n d t h e o p t i mu m r o s e t t e a r r a n g e me n t s t y le o f h o ll o w i n c l u s io n c e ll 三塑盎 墨 堑些 1 j 中国矿业大学建工学院岩土工程研究所 棣州 笠1 0 D 8 文摘根据三维地应力测量的理论公式 推导出空心包体应变计在一定的布片方式下应变测值间的内在关系式 并由此提出了 应变测值的直接检验法及应变计的最佳布片方式 通过实例检验 证明该方法是可行的 关 键 词皇 鱼 住 应 变 吐 苎 堕 查 型 苎 坐 嗜 孳 中围法分类号P 5 5 作者筒介王衍森 男 1 9 7 3 年生 1 9 9 5 年中国矿业大学矿并建设专业毕业 现正在攻读岩土工程专业硕士学位 主要进行地应力 测量方向的学习与研究 Wa n g Wu Z h e n y e 凸h m u n i 咖o f M i n i n g T e e h n d o g y x u 丑唧 2 2 0 1 蝽 嘣 A I I g t o t h e p r i n c i o f i s i t u s h e 昭r r 哪 哪 吼I t h e r e l a ti o n s h i p a m o n g t h e眦罅u r e e d n v a l u e s w i d 1 c e r t a i n s t y l e t l s e t t c 豇 m 鬯 唧e I I a r ei n t e e di nt h i s p a p e r 嘶 t h e b a s i s t h i s r e l a ti o n s h i p t h e a l a l h o m u p p 0 8 e d a d i r e c t r n e t h M t o v e th e a c c u r a c y e l n s t r e s s m s I I n r e til t s I n a d d i t i o n th e叩 I I 唧s t y l e s d l 6 e t t e a r r a n g e m e n t f o r h o l l o w i n c l u s i o n c e ll a l e a l s o s u g g e s t e d T h e me t h o d i s p r o v e d t o b e v a l i di n c K e yw0 出h o l l o wi n c l u s i o n c e l l e i n s t r e 腿 删l r e me I I a v e u r a c y v e r i fi c a t i o n 应力的计算公式如下 l 引 言 空心包体应变法是国际岩石力学学会 t s e M 推荐 的地应力测量方法 是目前最常用的应力解除地应力 测量方法之一 目前存在的一重要问题是测量精度尚 无统一有效的检验方法 本文基于地应力测量的基本 理论公式 推导出一定布片方式下应变测值间的关系 式 通过直接对应变测值的检验实现对三维地应力测 量精度的评估 此外 从便于应变测试数据的检验考 虑 还将分析空心包体应变计的最佳布片方式 2 空心包体应变法地应力测量 首先简要介绍应变计结构形式及地应力计算的理 论 基础 图 l 是空心包体应变计 已安装于测试钻孔内 常 见的结构形式 应变计多采用 3组直角应 变花 或还 含有 一 4 5 片 应变花的粘贴位置间隔基本为两种 I型 2 1 7 等间隔 型 9 0 一l 8 o 一3 l 5 间隔 实施地应力测量 通过感测应力解除过程 中应变 计内发生的应变而反求三维地应力 原岩应力分量与 应变测量分量分另 q 采用直角坐标及柱坐标系表示 地 E 1 一 z a 2 1 一 x 一 c0 s2口 一 2 si兀 2 口 一 盯 1 c 0 s 口 一 r s in 目 玛 2 E 干 式中 O x d E x y r 为原岩应力 E 为应变量 K K 3 K 4 是与应变计及岩石的力学 参数 应变计内外径 测试钻孔直径等有关的系数 也 是该测试方法与孔壁应变法在地应力计算 中的区别之 所在 系数 计 算 公 式 由 D u n c a n F a m a等 和 Wu Z h e n y e 等 3 1 分别给出过有区别的结果 此处从略 3 应变测值的内在关系及直接检验法 3 1 应变测值的 内在关系 以下将在特定布片方式下推导测值间关系式 5 2 刊稿日 期 1 9 9 7 1 2 1 4 维普资讯 第 1 期 王衍森等 地应力测量应变值检验及应变计最佳布片方式 B h x 查 辈 一2 s i n 口 6 芝 一 2 7 特点 无论应变计安装状态如何 适当设置坐标系后 均可推出式 7 关系 对于图 1 所示 目前常用应变计 布片方式I 式 7 均成立 由式 1 中第 4式 式 7 可变成如下形式 一2 2 e 一E 一E 8 由此可见 得到了特定布片方式的应变计测值间的关 系式 对于应变计内含 一 4 5 片的情况 可得到类似关系 式 该关系式是进行应变测值直接检验的基础 3 2 应变测值的直接检验法 所谓直接检验即对地应力测量所取得的应变值进 行直接地分析研究 依据理想状态下应满足的关系 检 验实测值总体可靠度的高低 是对地应力测量精度作 出评估的首要步骤之一 由前述推导过程知 式 8 的成立基于以下前提 1 原岩体力学性质满足理想假设 均质 连续 各向同性 线弹性 2 应变计布片满足一定方式 3 应变计感测性能及安装质量理想 事实上 原岩体岩性完全符合理想假设的可能性 很小 有时差异很大 而且应变计的安装质量也难以达 到尽善尽美 因此式 8 很难完全成立 据此 可进行 测量精度检验 为便于定量分析比较 将式 8 变换 取 值作为 应变测值的检验参数 即 等等 理想状态即完全精确的测量时 K 1 记作 K n 根据 实测应变值计算出实际的检验参数 K 或取 A K i 1 0 0 作为衡量测量精度的参数 值反应 0 了地应力测试中岩性 应变计性能 安装精度等多方面 的综合因素偏离理想状态的程度 检验时根据应变计的具体结构方式 首先确定 a 值 再依据 9 式进行总体检验 显然 对于图 1 所示 的两种应变计 有 I型 口 3 型 州 检验参数 与理想 的偏差程度反应了应变测 值的总体精度 由于地应力计算精度从根本上是由岩 石性质与理想假设的差异及应变计 自身性能与安装质 量决定的 而这些 因素在式 9 中得 到定 量体现 因 此 通过应变测值直接检验对地应力凋量作出评估是 可行的 当应变计安装质量及工作性能较好而 值 维普资讯 一 岩土工程学报 1 9 9 9妊 又偏离K o 1 很严重 时 极有可能是岩石具有较强的 各向异性 因而可据此决定是否进行地应力计算的各 向异性修正 或判定实测的成败与否 此外 根据应变测值间的理论关系式 9 还可在 地应力计算前对应变测值进行分析 以选定一组最佳 的应变值进行地应力求解 以尽量保证计算精度 需要指出的是 上面所推导出的应变 l I 值检验理 论公式及提出的直接检验方法对于孔壁应变法地应力 测量同样适用 4 空心包体应变计的最佳布片方式 应变值的直接检验方法能有效地进行实测精度分 析 但其实现必须基于以下条件 1 应变计满足一定布片方式 2 检验所需应变片值必须能全部取得 应变计布片方式易满足 为避免测量中应变片的 损坏造成的应变片值的缺失 较简便的方法就是对应 变计的设计加以改进 适当增加片数 4 1 三应变花结构 目前 常用的空心包体应变计 多为三应变花结构 经研究 笔者认为最佳的布片方式是图 1 所示 I 型 但 其中每个应变花处必须保证 4个应变片 即除常见的 有 0 o 4 5 9 0 片外 尚应设 一 4 5 片 该布片方式具有 以下优点 1 便于局部检验 根据式 1 0 对应变计每个应 变花位置的4 个测值进行检验 由此评估各应变花部 位感测效果及精度 印 E E 一 4 5 1 0 2 保证 值检验的可行性 值检验要求所需 方向测值齐全 当某一应变花处仅有一个片损坏时 其 测值可由其余值按式 1 0 推算然后参与检验 3 值检验的充分性 对于等间隔布设的 3 组 应变花 按照双双组合分别视为 A B片 可进行 3 种 组合的 值检验 得到检验参数 恐 而后取 3 个检验参数的平均偏差作为最终检验结果 见式 1 1 因而检验更充分 1 A K 专 I 一岛 l l 一K o I 0 I 如一K o I 1 0 0 1 1 目前 K X一 8 1 型应变计等即为该型应变计 4 2 四应变花结构 为确保足够的测量数据 可以采用四应变花式结 构 同样地为实现应变测值的直接检验 应采用如图 3 所示的最佳布片方式 该型应变计布片特点是 与I 型 相比 A B应变花位置不变 而 C应变花改用与原位置 左右对称的 D E花取代 D E花夹角 2 卢 卢 图3 四应变花结构的最佳布片方式 F i g 3 Ov a m a r r a r l g e l m n t s t y l e 0 f f o u r o e u s r o 8 e t t e s 设 C处仍有应变花 则 C D E呈钝角等腰三角 形布置 根据与前面类似的推导过程 可得这三处剪应 变值应满足 由此得到 2 卢 I 2 1 3 将式 1 3 代人式 7 可得到应变测值的检验公式如 下 罐甚蠹 一 一2 E毛 一 E E 一 E 一 c0sn 1 4 虚拟的 C片测值与A B片双双组合同样可进行充分 的总体精度检验 该结构具有三应变花式结构的全部 优点 5 应变测值直接检验方法的应用实例 5 1 检验实例 1 为检验上述应变测值的直接检验方法 笔者从公 开发表的文献 中摘取了几组实测应变数据进行检验 如表 1 表中除 1 2为孔壁应变法地应力测量所得 数据外 其余为空心包体应变法所取得 其中 4 5 应变值是由 C S I R O型应变计取得的 由于其 B应变花 无 向片 该片的测值根据轴向应变应满足的关系 e e E 取 e E E 2而得 由上表可看 出 1 3 4 7 组应变测值的检验参数值与理想值 1 的偏差均小于 1 0 表明岩性等较符合理想条件 测量精度较高 5 的 值偏差达 2 6 5 测量精度偏 低 事实上 采用 1 0 式推算出的 E 值与E e 偏差很 大 估计 B应变花处测值误差较大 降低了总体精度 5 2 检验实例 2 图4是在邢台矿 区东庞煤矿进行的三维地应力测 量中取得的应变 一 解除时间曲线 该曲线采用 I型应 变计测试取得 采用直接检验法对应力解除接近尾声 的某时间段中的应变值作检验 得检验参数 维普资讯 圈4 末庞矿应力解除应变一 时间曲线 时 圈5 应变 值的检验参数 5 Ve r i f y i n g p a r a me l e m 0 f d r ll i n v a l u e s 如图 5 所示 由图5 可发现 应变测值的总体精度较高 检验参 数 K值与理想值 c o 1 的偏差除 最大达 2 0 外 5 的偏差均不大于 1 0 且检验值随应力解除进 程的变化平稳 而根据 1 1 式计算知 A K值基本小于 1 0 未绘出 这与岩石的均质完整性较一致 同时 说明应变计工作性能良好 取芯检查发现 岩芯为均 质较坚硬的灰白色中细砂岩 无明显的节理及弱面 岩 性较为理想 据此选定一组最终应变值解算地应力 并对地应 力结果采用文 7 3 的误差分析方法进行分析 得误差 e 2 O 进 步证实了上述分析 见表 2 表 2 东庞矿三雏地应力测 结果 T a b l e 2 Me a s u r e d 3 1 i n s i tu s t r e s si n 仉 g I Igmi n e 地应力分量 M P a O 0T 4i t TF 2 0 4 5 6 1 9 6 7 5 9 9 2 3 4 4 0 4 9 0 误差 e 2 0 6 结 论 1 在一定的布片方式下 地应力测量应变测值 间 存在葡明的内在关系 通过对应变测值的直接检验进 而分析地应力测量的精度是可行而且有效的 2 应变计宜采用便于实 现应变测值直接检验的 最佳布片方式 此外 根据应变测值理论关系式 还可以进行地应 力计算前应变值的选取 并通过应变测值的直接检验 分析岩石的各向异性 以决定是否进行各向异性修正 参考文献 1 慕美峰 乔兰 李华斌 地应力测量原理和技术 北京 科 学出版社 1 9 9 5 8 5 8 9 2 L e e mml E R T h e d e c e n r fi n a fi o n o ft h e e o i I l e s a t e o f s t r e s si n r k i n a n g l e b o r e h o d a b o o r y a n d u n d e r g r o u n d b u m 咖I h J R o c k M i n S c i G e o m e c hA Lr 1 9 6 8 5 3 1 5 6 3 u l e n y e L i S b p i n g T h e g e n e r a l i z e d p l a i n 8 t r s J 1 2 p r o b l e m a n d i t