岩体力学第六章岩体的初始应力状态第三节岩体初始应力状态的现场量测方法ppt课件

1、第三节 岩体初始应力形状的现场量测方法一、岩体应力现场量测方法概述1.目的： 1了解岩体中存在的应力大小和方向 2为分析岩体的工程受力形状以及为支护及岩体加固提供根据 3预告岩体失稳破坏以及预告岩爆的有力工具2. 2. 方法分类方法分类( (表表6-1)6-1)二、水压致裂法二、水压致裂法一方法原理及技术一方法原理及技术要点：经过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压要点：经过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力

2、大小和表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其构造方向。压裂点上下用止水封隔器密封，其构造如图如图6-106-10所示。水压致裂过程中泵压变化及其所示。水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图特征压力示于图6-116-11。P0PbPsPs0P0Pb0Ps图 6-11 压裂过程泵压变化及特征压力图 6-10 止水、压裂任务原理PbPsPsPs0Pb0P0 各特征压力的物理意义各特征压力的物理意义 P0-P0-岩体内孔隙水压力或地下水压力岩体内孔隙水压力或地下水压力 Pb-Pb-注入钻孔内液压将孔壁压裂的初注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力始压裂压力 Ps

3、-Ps-液体进入岩体内延续的将岩体劈液体进入岩体内延续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力裂的液压，称为稳定开裂压力 Ps0-Ps0-关泵后压力表上坚持的压力，称关泵后压力表上坚持的压力，称为封锁压力。如围岩浸透性大，该压力为封锁压力。如围岩浸透性大，该压力将逐渐衰减将逐渐衰减 Pb0-Pb0-停泵后重新开泵将裂痕压开的压停泵后重新开泵将裂痕压开的压力，称为开启压力力，称为开启压力二根本实际和计算公式二根本实际和计算公式 当孔壁出现垂直裂痕时，设孔周边两个程度地应力分别为 和 ，孔壁还受有水压Pb.如图6-12。h1h2图 6-12 孔壁开裂力学模型a钻孔周围岩体内应力钻孔周围岩体内应力 (K

4、irsch.G-基尔斯解基尔斯解)2cos)31)(21)1)(212cos)341)(21)1)(214421222221442221322321raraprarararaprahhbhhhhbhhr在孔壁上r=a，有：2cos)(2)(2121hhbhhPbrP当 时有最大拉应力：bhhP1230按最大拉应力实际，有(6-15)0T(6-16)将(6-15)代入(6-16)得孔壁开裂应力条件0213TPbhh(6-18)即孔壁开裂在与 垂直, 的面上0h2式中：T0-岩体的抗强度假设岩体中有孔隙水压力Pw，6-18式变成：wbhhPTP0213(6-19)由图6-11知水泵重新加压使裂痕重

5、新开裂的压力Pb0，那么上式变成：wbhhPP 0213(6-20)19和20两式对比得： Pb Pb0=T0(6-21)在封锁压力Pb0点上，孔壁曾经开裂，那么T0=0,稳定开裂压力由P0下降到Ps0。此时，ps0等于与裂痕垂直的应力，即：02shP 求得主应力及岩体抗拉强度求得主应力及岩体抗拉强度 三根据水压致裂法实验结果计算地应力三根据水压致裂法实验结果计算地应力 1 1普通来讲普通来讲 作为地主应力之一。作为地主应力之一。我们可以将我们可以将 与与 作比较，假设作比较，假设 ，那么可以一定此时那么可以一定此时 为最小主应力；进一步为最小主应力；进一步将将 与与 作比较，也就可以以此确定

6、作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。地应力的三个主应力。02100023TpTpppbhhbbshhzzhz1h2zh10Th2 由于开裂点方位或开裂裂痕方向可以确定 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假设 ，并且孔壁开裂后孔内岩体出现程度裂痕，那么此时 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。h2h1hh2h2h1hz四水压致裂法的特点四水压致裂法的特点n 设备简单设备简单 操作方便操作方便 测值直观测值直观 顺应性强顺应性强n 遭到注重和推行遭到注重和推行n 缺陷：主应力方向不准缺陷：主应力方向不准三、应力解除法三

7、、应力解除法 1. 1. 根本原理：根本原理： 当需求测定岩体中某点的应力当需求测定岩体中某点的应力形状时，人为的将该处岩体单形状时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分别，此时，元和周围的岩体分别，此时，岩体单元上所受的拉力将被解岩体单元上所受的拉力将被解除。同时，该单元体的几何尺除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。运用一寸也将产生弹性恢复。运用一定的仪器，测定弹性恢复的应定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且以为岩体变值或变形值，并且以为岩体时延续、均质和各向同性的弹时延续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性实性体，于是就可以借助弹性实际的解答计算岩体单元所受的际的解

8、答计算岩体单元所受的应力形状。应力形状。切断联络解除应力应变恢复测试应变计算应力流程流程要点要点2. 2. 应力解除法分类应力解除法分类 按测试深度外表应力解除浅孔应力解除深孔应力解除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个方向应变原理要点原理要点 向岩体中的测点向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感孔底中心处粘贴应变传感器；套孔钻出岩芯，使孔器；套孔钻出岩芯，使孔底平面完全卸载，应变传底平面完全卸载，应变传感器测得孔底平面中心恢感器测得孔底平面中心恢复应变；在室内

9、测得岩石复应变；在室内测得岩石的弹性常数；计算孔底中的弹性常数；计算孔底中心处的平面应力形状。由心处的平面应力形状。由于孔底应力解除法只需求于孔底应力解除法只需求钻进一段不长的岩芯，所钻进一段不长的岩芯，所以对较破碎的岩体也能运以对较破碎的岩体也能运用。用。1 1岩体孔底应力解除法岩体孔底应力解除法在孔底平在孔底平面粘贴面粘贴3 3应变片应变片应变花应变花一个平面一个平面有有3 3个独立个独立的应力分的应力分量量任务步骤任务步骤应变观测系统应变观测系统2 2套孔应力解除法套孔应力解除法原理要点原理要点 对岩体中某点进展应力量测对岩体中某点进展应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小时，先向该点

10、钻进一定深度的超前小孔，在此小孔中埋设钻孔传感器，再孔，在此小孔中埋设钻孔传感器，再经过钻取一段同心的管状岩芯而使应经过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力形状。常数，即可求得该点的应力形状。孔径变形测试，孔壁应力解除法，均属于套孔应力解除法。前者测试套孔应力解除后的孔径变化；后者测试套孔应力解除后的孔壁应变。其操作步骤和原理根本一样外表应力解除法外表应力解除法直角应变花等边三角形应变花应力解除槽应力解除槽钻孔的深钻孔的深度必需超度必需超越开挖越开挖 影影响区，才响区，才干测到岩干测到岩体内的原体内的原始应力，始应

11、力，否那么测否那么测出的是二出的是二次应力。次应力。任务步骤套孔应力解除任务步骤 套孔应力解除运用的传感器 孔径变形测试采用位移传感器；孔壁应力解除采用应变传感器。，孔径变形测试传感器布置孔壁应力解除法传感器布置孔壁应力解除法传感器布置计算公式计算公式 应力解除法，由测试数据换算成应力，根据测试参数的不同可以分为两类：(1)由应变换算成应力；(2)径向位移换算成应力。换算的根本实际和方法都在弹性力学中学过，这仅以(2)为例。由孔径变形测试换算初始应力，在大多数实验场所下，往往进展简化计算例如假定钻孔方向和 一致，并以为 ，那么303Ed12cos)1)(2)(221216-24式中： -钻孔直

12、径变化值 -钻孔直径 -量测方向和程度轴的夹角 -岩石弹性模量与泊松比d,E在实践计算中，由于思索到应力解除是逐渐向深处进展的，实践上不是平面变形而是平面应力，那么有)()(21)(429045245090012E90,450,空间原始应力测试空间原始应力测试测试空间原始应力 ，孔壁应变法只须1钻孔，孔底应变法和孔径变形法需求3个钻孔四、应力恢复法四、应力恢复法 应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅用于岩体表层，应力。当己知某岩体中的主应力方向时，采用本法比较方便。 如图6-18，当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力 方向各为垂直于程度方向时，就可用到应力恢复法测得

13、的大小。21,1图6-18 应力恢复法原理图根本原理：根本原理： 在侧墙上沿测点o，先沿程度方向开一个解除槽，那么在槽的上下附近，围岩应力得到部分解除，应力形状重新分布。在槽的中心线OA上的应力形状，根据H.N.穆斯海里什维里实际，把槽看作一条缝，得到： 3224612222411) 1(133) 1(142xx627式中 OA线上某点B上的应力分量 B点离槽中心O的间隔的倒数。yx11, 当在槽中埋设压力枕，并由压力枕对槽加压，假设备加压力为p，那么在OA线上B点产生的应力分量为 324232242) 1(132) 1(142yx628 当压力枕所施加的力 时，这时B点的 总应力分量为 1p

14、121221yyyxxx1p1可见当压力枕所施加的力 时，那么岩体中的应力形状已完全恢复，所求的应力 即由P值而得知，这就是应力恢复法的根本原理。 实验过程实验过程 1. 1. 在选定的实验点上，沿解除槽的中垂在选定的实验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件见图线上安装好量测元件见图6-196-192.记录量测元件应变计的读数。3.开凿解除凿，岩体产生变形并记录应变计上的读数。4.在开挖好的解除凿中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。5.待充填水泥浆到达一定强度后，即将压力枕联接油泵，经过压力枕对岩体施压。随着压力枕所施加的力p的添加，岩体变形逐渐恢复。逐点记录压力p与恢复变形的关系。6.假设岩体为理想弹性体，那么当应变计回复到初 始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力。如图6-20所示，ODE为压力枕加荷曲线，压力枕不仅加压到初始读数D点，即恢复了弹性变形 ，而且继续加压到E点，得到全应变 ：e0由应力