北科大岩石力学李长洪42地应力及其测量ppt课件.ppt

1 岩石力学与工程 ROCKMECHANICSANDENGINEERING 地应力测量方法 q 2 本节主要内容 1地应力测量概述2水压致裂法的测量原理与步骤3应力解除法 空心包体应变计 的测量原理与步骤 3 4 2地应力测量方法4 2 1地应力测量概述 a 一点的三维应力状态 来表示 4 b 方法分类 5 4 2 2水压致裂法 水压致裂法的假设前提 1 有2个 主应力为水平方向 另1个为竖直方向 且 2 线性 均质 各向同性 3 渗透符合达西定律 6 1 水压致裂法步骤 1 钻孔 地质勘探 选段 完整 封隔 气或液 直径 38 51 76 110 130 7 P0 Pb Ps Ps0 P0 Pb0 Ps 图压裂过程泵压变化及特征压力 Pb Ps Ps Ps0 Pb0 P0 2 加液压将孔壁压裂与重开 P0 孔隙水压力或地下水压力 Pb 初始压裂压力 Ps 稳定开裂压力 Ps0 关闭压力 Pb0 重张压力 8 P0 Pb Ps Ps0 P0 Pb0 Ps 图压裂过程泵压变化及特征压力 Pb Ps Ps Ps0 Pb0 P0 2 加液压将孔壁压裂与重开 P0 孔隙水压力或地下水压力 Pb 初始压裂压力 Ps 稳定开裂压力 Ps0 关闭压力 Pb0 重张压力 9 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 10 3 卸压 提设备 测定开裂方位 然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数 计算地应力 11 2 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 图孔壁开裂力学模型 a 12 钻孔周围岩体内应力 Kirsch G 基尔斯解 13 在孔壁上r a 有 当时有最大拉应力 按最大拉应力理论 有 4 1 4 2 将 4 1 代入 4 2 得孔壁开裂应力条件 4 3 即孔壁开裂在与垂直 的面上 式中 T0 岩体的抗强度 14 若岩体中有孔隙水压力Pw 4 3 式变成 4 4 由图知水泵重新加压使裂缝重新开裂的压力Pb0 则上式变成 4 5 4 5 和 4 6 两式对比得 Pb Pb0 T0 4 6 在关闭压力Ps0点上 孔壁已经开裂 则T0 0 稳定开裂压力由Ps下降到Ps0 此时 ps0等于与裂缝垂直的应力 即 15 求得主应力及岩体抗拉强度3 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 16 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 4 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 17 4 2 3应力解除法 1 基本原理 当需要测定岩体中某点的应力状态时 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 18 2 应力解除法分类 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 19 4 2 4 空心包体应变计测量地应力 钻孔 柱塞 a 探头结构 20 空心包体应变计安装 采集数据示意 21 b 主要特点 1 测量有操作简便2 测量技术和计算理论比较成熟3 精度相对较高的地应力4 目前使用最为广泛是国际岩石力学学会推荐使用的地应力测量方法 22 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 c 测量要求与步骤 1 测量要求 23 1 在测试地点打大孔 2 从大孔底打同心小孔 3 在小孔中央位置安装测量探头 4 用薄壁钻头延伸大孔 使小孔周围岩芯实现应力解除 5 将岩芯与探头一并取回 进行围压率定和温度标定试验