第9章 岩体应力与变形测试

1、2020/7/4,1,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,2020/7/4,2,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

2、可少的依据之一。,2020/7/4,3,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。,2020/7/4,4,1.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,20

3、20/7/4,5,1.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,2020/7/4,6,1.平面压力测量,(2)主应力方向未知的平面应力测量,主应变方向,2020/7/4,7,1.平面压力测量,(2)主应力方向未知的平面应力测量,2020/7/4,8,1.平面压力测量,(3)常用应变化形式,2020/7/4,9,2.岩体压力测量(1)概述,2020/7/4,10,2.轴向压力测量,R1,R2,R3,R4,2020/7/4,11,3.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

4、主应力方向，采用该法较方便。比如硐室侧墙的应力测试。,2020/7/4,12,3.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1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：,2020/7/4,13,3.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：,当P=1时，则B点总应力分量为：,2020/7/4,14,3.岩体压力测量(1)应力恢

5、复法原理,当P=1时，则B点总应力分量为：,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1。同理，将压力解除槽转动90o，则可测定出2的原岩应力值。,2020/7/4,15,3.岩体压力测量(1)应力恢复法原理,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。,202

6、0/7/4,16,3.岩体压力测量(1)应力恢复法原理,测试过程,2020/7/4,17,3.岩体压力测量(1)应力恢复法原理,测试过程,2020/7/4,18,3.岩体压力测量(1)应力恢复法原理,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。,2020/7/4,19,3.岩体压力测量(2)应力解除

7、法基本原理,应力解除法适用的假设条件：岩体是均匀、连续、完全弹性体；加载和卸载时应力与应变之间的关系相同；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,2020/7/4,20,3.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36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,2020/7/4,21,3.岩体压力测量(3)应力解除法孔径变形法测试仪器设备36型钢环式孔径变形计,2020/7/4,22,3.岩体压力测量(3)应力解除

8、法孔径变形法测试过程先钻127mm的大孔后钻36mm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127mm钻头套钻；边解除应力边读取应变直到全部解除完毕,2020/7/4,23,3.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,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:,2020/7/4,24,3.岩体压力测量(3)应力解除法孔径变形法应力计算,

9、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:,2020/7/4,25,3.岩体压力测量(3)应力解除法孔径变形法应力计算,说明：,；为u0与1之间的夹角；,；为u0与2之间的夹角,2020/7/4,26,3.岩体压力测量(3)应力解除法孔径变形法应用条件,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

10、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。,2020/7/4,27,3.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,2020/7/4,28,3.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(76mm

11、)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。,2020/7/4,29,3.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(76mm)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。,2020/7/4,30,3.岩体压力测量(4)应力解除法

12、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,b.利用孔底应力与岩体应力关系计算岩体应力分量,a=1.25，b=0.0064，c=-0.75(0.645+)，d=1.25,2020/7/4,31,3.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。,2020/7/4,32,3.岩体压力测量(5)应力解除法孔壁应变法孔壁应变法是在

13、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(36mm橡胶栓、电阻应变花、电镀插针、楔子等),2020/7/4,33,3.岩体压力测量(5)应力解除法孔壁应变法测试仪器设备三向钻孔应变计安装器具：推楔扦，温度补偿室，水银开关，支撑架，固定支架等测试过程(1)钻大孔(90mm)至预定深度,将孔底磨平;(2)钻小孔(36mm,450mm),清洗、吹干孔壁，涂上粘结剂;(3)将应变花贴到孔壁上,测取初读数,用封孔栓堵小孔;(4)套钻应力解除(90mm)(5)取出岩芯，拨出封孔栓，测应

14、力解除后的应变值。,2020/7/4,34,3.岩体压力测量(5)应力解除法孔壁应变法测试过程(1)钻大孔(90mm)至预定深度,将孔底磨平;(2)钻小孔(36mm,450mm),清洗、吹干孔壁，涂上粘结剂;(3)将应变花贴到孔壁上,测取初读数,用封孔栓堵小孔;(4)套钻应力解除(90mm)(5)取出岩芯，拨出封孔栓，测应力解除后的应变值。,2020/7/4,35,3.岩体压力测量(5)应力解除法孔壁应变法应力计算必须建立三种关系岩体钻孔前后应力间的关系；孔壁应力与孔壁应变间的关系；岩体应力与孔壁应变间的关系,2020/7/4,36,3.岩体压力测量(5)应力解除法孔壁应变法应力计算1)钻孔孔

15、壁应力和原岩应力关系由Kirsch方程确定,2020/7/4,37,3.岩体压力测量(5)应力解除法孔壁应变法应力计算2)孔壁测点应力与应变关系,2020/7/4,38,3.岩体压力测量(5)应力解除法孔壁应变法应力计算2)孔壁测点应力与应变关系,2020/7/4,39,3.岩体压力测量(5)应力解除法孔壁应变法应用条件孔壁应力解除过程中的测量工作可用应变过程曲线来表示，它是判断测量成功与否和检验测量数据可靠性的重要依据；从应变过程曲线看出，应力解除时应变过程有四个阶段，计算时应取稳定阶段的应变值；孔壁应变法只需一个钻孔就可以测出一点的应力状态，测试工作量较小，且精度高；为避免应力集中的影响，

16、解除深度不应小于45cm。故该方法适用在整体性好的岩体中，不适用于有水场合。,2020/7/4,40,常用布片和接桥方式,2020/7/4,41,2020/7/4,42,2020/7/4,43,2020/7/4,44,应用诺莫图求直角三轴应变花应力值,a=4000106b=3500106c=1500106E=2.16104v=0.34,2020/7/4,45,3.岩体压力测量(6)应力解除法水压致裂法水压致裂法是将钻孔中某一段封闭，向其中注入压力水，使孔壁破裂，通过控制压力求得岩体应力分量。水压致裂法由于Hubbert(2)选择封堵段(岩芯完整无宏观节理)，送入封堵塞，通入压力水使橡胶栓膨胀，

17、直至使岩体发生破裂为止；(3)记录注水压力临界破坏压力Pb；(4)记录裂隙处于临界闭合状态关闭压力Ps；(5)放水卸压，泵压为零或初始孔隙压力水平，然后再加压使裂缝重新张开，记录所需压力Pr；重复25步23个循环；(6)解除封孔，用印模栓塞记录破裂裂隙的方向，绘制压力时间曲线。,2020/7/4,48,3.岩体压力测量(6)应力解除法水压致裂法测试过程,2020/7/4,49,3.岩体压力测量(6)应力解除法水压致裂法测试过程压力时间曲线,2020/7/4,50,3.岩体压力测量(6)应力解除法水压致裂法应力计算假设：岩石是均匀的线弹性体理论上，取封堵段横截面，就相当中心有孔的无限大平面问题，

18、作用有两个主应力1和2由弹性理论得知，孔周边上A点和B点的应力分别为：,使孔壁破裂的临界压力Pb等于,2020/7/4,51,3.岩体压力测量(6)应力解除法水压致裂法应力计算孔壁破裂后，保持裂隙张开的平衡压力应等于垂直作用于裂隙上的原岩最小应力，即：,岩石破坏相当于t0，则使裂隙重新张开的压力Pr为：,2020/7/4,52,3.岩体压力测量(6)应力解除法水压致裂法应力计算,封堵段的原岩应力的垂直分量v为：,2020/7/4,53,3.岩体压力测量(6)应力解除法水压致裂法应用条件水压致裂法是测量岩体深部应力的新方法(5000m)，该法不需要取岩芯和精密电子仪器；测试方法简单；孔壁受力范围

19、广，避免了地质条件不均匀的影响；测试精度不高，仅用于区域内应力场估算，与其他测试方法相比，水压致裂法测试结果是可靠、可信的；采用3个或3个以上钻孔汇交的办法可确定岩体三维原岩应力场；水压致裂法(各向同性/均质/非渗透)不宜于节理、裂隙发育的岩体应力测量。,2020/7/4,54,岩体变形测量实际上是测量岩体位移。地下工程开挖后，岩体应力在调整过程中会引起围岩各种变形(弹性的、塑性的、流变的、结构体滑移和转动)积累就构成围岩位移。岩体位移是易测物理量，能够较清楚的反映围岩状态，因此位移测量是工程岩体稳定性分折和支护设计施工中常用现场测试之一，包括围岩表面位移测量和岩体深部位移测量。收敛位移：隧洞

20、周边或结构物内部净空尺寸的变化。收敛位移测量：以收敛位移测量值来判断围岩稳定性的方法，测量工作简单、直观和明确，是隧洞现场测试中常用方法。,4.岩体变形测试,2020/7/4,55,(1)表面位移测量表面收敛测量1)测量仪器收敛计是测量围岩的表面位移的工具。收敛计不仅能精确迅速地测量两点之间的距离，并且能作为一种长期稳定性监测的一种仪表。如：测量地下厂房、巷道、隧道式坑口对应的墙体间或顶面到地面间距的微小变化；也可以用来监测结构与支撑的变形，以及测量不稳定边坡的移动性。收敛计的种类很多，使用最普遍的是机械式仪表。这种仪表具有稳定性好、结构简单、价格便宜。,4.岩体变形测试,2020/7/4,5

21、6,(1)表面位移测量表面收敛测量1)测量仪器最常用仪器是收敛计，国内已有GSL钢环式、SLJ80、QJ81球铰式等型号弹簧张力型收敛汁体积小，重量轻，使用方便灵活。钢尺长15m，仪器整体精度为士0.15mm,4.岩体变形测试,2020/7/4,57,(1)表面位移测量表面收敛测量1)测量仪器,4.岩体变形测试,JSS30A型数显收敛计,2020/7/4,58,(1)表面位移测量表面收敛测量1)测量仪器QJ-81型球铰式收敛计,4.岩体变形测试,2020/7/4,59,(1)表面位移测量表面收敛测量2)测量过程测点布置。在同一断面内布置3/多个测点成闭合三角形。测点结构因收敛计而异。向围岩打4

22、0mm深250mm孔，孔中注入水泥砂浆，然后插入球铰支座。,4.岩体变形测试,2020/7/4,60,(1)表面位移测量表面收敛测量2)测量过程读数。测点埋设24h后测取相对两点距离的初读数。要求收敛计的两端要与测点连上并持平，钢尺拉力均匀一致，待钢尺平稳后，再读数。定位销处钢尺读数称为长度首数，百分表读数为尾数。测距=首数尾数每条测线应量测三次，取其平均值。测量。每隔一定时间测量一次，收敛值就是间隔时间内位移相对变化量。记录。将测点号、测线长及操作人员等记录在表格内，测点要注意保护，防止被破坏。,4.岩体变形测试,2020/7/4,61,(1)表面位移测量表面收敛测量3)位移计算测两点连线向

23、位移测点位移分析计算方法为便于分析，做以下假设：围岩变形均发生在与巷道轴线相垂直的断面内;顶点d只有竖向位移，横向位移很小，即Ax=0；帮上两测点B和C处在同一水平上，两点的竖向位移分量忽赂不计，即Ay=0，Cy=0;故需求出的未知量是Ay、Bx、Cx，并规定向巷道内位移为正。,4.岩体变形测试,2020/7/4,62,(1)表面位移测量表面收敛测量3)位移计算收敛测量数据：初始基线长度：a1、b1、c1任意时刻基线长度为:ai、bi、ci按假设，ADBC，且D为不动点，其到各测点的距离分别为h、xb和xc，则有,4.岩体变形测试,2020/7/4,63,(2)深孔位移测量1)测量仪器围岩深部位移测量设备有各种类型的机械式或电测式深孔位移计，都由测点锚固装置、测量杆(丝)和孔口测读装置等部分组成。位移计