水利工程岩土工程质量检测培训教材

发布时间:2021-09-28 17:27:13

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

第六章
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岩体应力测试
孔壁应变法测试 孔底应变法测试 孔径变形法测试 水压致裂法测试 表面应变法测试 岩体应力测试套钻孔应力解除法实测 数据整理说明

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节

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。

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:
垂直应力σv /MPa

(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252700 m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)。

地表下深度H/m 图6.0-1 地应力与岩体埋藏深度 关系曲线

(2) 水*应力σh普遍大于铅垂应力σv。 据实测资料统计,最大水*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*应力 σh多数大于铅垂应力σv。

(3) *均水*应力与铅垂应力的比值λ是随深度而变 化的,Brown E.T. 和Hoek E.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,*均水*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*于静水 压力的状态。
*均水*地应力与铅垂地应力的比值

地表以下深度H/m 图6.0-2 侧压力系数与深度关系

(4) 最大水*主应力方向与地质构造的 关系。现代岩体中最大水*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*向作用力。 假定地质构造应力S为沿水*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。

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图6.0-4 地质构造应力场的变化规律

(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*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*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*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 *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*,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*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*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*或接*水*的,而且最大 水*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*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*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*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

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。

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*峁购褪视没肪撤 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。

橡皮岔 补尝室

图6.1-2 CJS-1型钻孔三向应变*峁故疽馔

图6.1-3 CJS-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*峁故 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6.1-4 CKX-97型空心包体式钻孔三向应变*峁雇

图6.1-5 CKX-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*峁故疽馊缤6.1-6。

图6.1-6 深孔水下孔壁应变*峁雇



测试方法

1 测点布置及地质描述 (1)测段内及测段附*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*,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。

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*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; ——岩心围压率定器。

2 主要仪器设备及测试准备工作(续)
测试准备应符合下列规定:
(1)根据工程和测试要求,选择场地安装钻机。 (2)用大口径钻头钻至预定的测试深度。(图6.1-1[1]) (3)用卡簧整齐地拉断并取出岩心,再用磨*钻头磨* 孔底,用导向钻头钻导向孔。 (4)用带扩孔器的小口径金刚石钻头钻测试孔,孔深约 50cm并与大孔同轴,两孔孔轴允许偏差为2mm,在 钻进过程中均匀施压,不应停钻,不得更换钻头。 (图6.1-1[2]) (5)取出岩心进行描述,当岩心破碎或不能满足测试要求 时,应重复本条2-4款,直至取到完整岩心并满足测 试要求。(图6.1-1[3]) (6)根据所选类型的孔壁应变计,对测孔孔壁进行清洗或 干燥处理。

3 孔壁应变计的安装
浅孔电阻丝式孔壁应变计安装应符合下列规定: (1)在试孔孔壁和应变计上均匀涂抹粘结剂。

(2)用安装器将应变计送入测试孔,定向就位,施 加并保持一定的预压力,使应变计牢固地粘结在 孔壁上。((图6.1-1[4])、(图6.1-1[5]))
(3)粘结剂充分固化后,检查系统绝缘值,绝缘值不 应小于50M?。 (4)取出安装器,记录测点深度及方位。(图6.1-1[6])

3 孔壁应变计的安装(续)
浅孔空心包体孔壁应变计安装应符合下列规定:

(1)在应变计内腔的胶管里注满粘结剂。
(2)用安装器将应变计送入测试孔,定向就位,然后推动 安装杆,切断定位销钉,挤出粘结剂。 (3)按浅孔孔壁应变计安装规定之条(三)(四)款的规 定测定绝缘值、测点深度及方位。

3 孔壁应变计的安装(续)
深孔水下孔壁应变计安装应符合下列规定: (1)在应变计前端的胶罐里注满粘结剂。 (2)用安装器将应变计送入测试孔,将应变计牢固地粘结 在孔壁上。 (3)接通电源加热定向罗盘,30min后切断电源,使定向 罗盘指针定向。 (4)按浅孔孔壁应变计安装规定之条(三)(四)款的规 定测定绝缘值、测点深度及方位。

4 孔壁应变法测试及稳定标准
浅孔孔壁应变法或空心包体孔壁应变法测试及稳 定标准应符合下列规定: (1)从钻具中引出应变计电缆,接通仪器。向钻 孔内冲水,每隔5min读数一次,连续三次相邻读数差 不超过5??且冲水时间不少于30min时,取最后一次读 数作为稳定读数,并记为初始值。 (2)按预定深度分10级,开始每级解除深度可为 5cm,在接*应变片粘结部位时宜为2cm。逐级钻进, 进行套心解除,每解除到一级深度时,停钻不停机连续 读数两次。

4 孔壁应变法测试及稳定标准(续)
(3)套钻最终解除深度应超过测孔孔底应力集中影 响区,应变计读数趋于稳定时可终止解除。但最终解除 深度(即从测点到孔底的距离)不得小于解除孔孔径的 2.0倍。 (4)继续向钻孔内冲水,每隔5min读数一次,当 连续三次相邻读数差不超过5??且冲水时间不少于 30min时,取最后一次读数为稳定读数。 (5)解除过程中发现异常情况时,应及时停机检查 并记录。 (6)检查系统缘值,卸下钻具,小心取出带有应变 计的岩心进行描述。

4 孔壁应变法测试及稳定标准(续)
深孔水下孔壁应变法测试及稳定标准应符合下列规 定: (1)接通仪器,每隔5min读数一次,当连续三次 相邻读数差不超过5??时,取最后一次读数作为初始稳 定读数。 (2)提升安装器,切断应变计与安装托架间的引线, 将应变计单独留在测孔中,读取定向罗盘所指示的方位。 (3)进行连续套钻解除,套心解除深度应满足浅孔 孔壁应变法测试及稳定标准之(3)款的规定。

4 孔壁应变法测试及稳定标准(续)
(4)取出带有应变计的岩心,立即将切断的引线 再次与安装器托架上的引线连接起来,检查系统绝缘值 并保持岩心的环境温度不变。 (5)接通仪器,读取解除后的应变计读数,每5min 读数一次,连续三次相邻读数差不超过5??时,取最后 一次读数作为稳定读数。

(6)对岩心进行描述。

5 岩心围压试验应符合下列规定
(1)现场测试结束后,将解除后带有应变计的岩心 放入围压器中,在现场进行围压试验。岩心围压率定器 如图6.1-7。

(2)当采用大循环法加压时,压力宜分5-10级施 加。最大压力应大于预估的岩体最大主应力,循环法加 压时,每级压力下每隔5min读数一次,相邻两次读数 差不超过5??时,即为稳定读数。

图6.1-7 岩心围压率定器

5 岩心围压试验应符合下列规定(续)
(3)当采用逐级一次循环法加压时,每级压力下每 隔5min读数一次,相邻两次读数差不超过5??时,即为 稳定读数。 (4)绘制压力p与应变?关系曲线,计算岩石弹性 模量和泊松比。 按照弹性理论厚壁筒应力分析方法推导出弹性模量 的计算公式为:

1? ? E? ?? ? ? ? ?? z
2

(6.1-1)

5 岩心围压试验应符合下列规定(续)
其中, ? ? 、? z 是围压率定器施加围压时岩心发生 的切向应变和轴向应变。 2 2rH ?? ? 2 P 2 rH ? rB

( rH、rB 分别为试验岩心的外半径和内半径,P为围压)。 当把岩心围压试验作为*面问题处理时,(6.1-1)式 可以简化为:

E?

2P

??

(6.1-2)

6 测试成果整理及测试记录
(1)根据岩心解除应变值和解除深度,绘*獬糖 线,选取合理的解除应变值。 (2)根据围压试验或在现场取样进行的室内岩块力学试 验,确定岩石的弹性模量和泊松比。 (3)测试记录应包括工程名称、岩石名称、测点编号、 测点位置、试验方法、地质描述、测试深度、相应 于各解除深度的电阻片的应变值、灵敏系数、系统 绝缘值、冲水时间、各电阻片及应变丛布置方向、 钻孔轴向方位角、倾角、围压试验资料、测试过程 中发生的异常现象、测试人员、测试日期。

7 实测数据整理分析
(1)坐标系及测量元件序号规定 坐标系应符合下列规定: ① 岩体应力测试计算坐标系应采用右手系。 ② 大地坐标系o—xyz:轴z为铅垂向上,轴x 为建筑物轴线方向或正北向,其方位为?0。 ③ 钻孔坐标系o—xiyizi:轴zi为钻孔轴向,指 向孔口为正,轴xi为水*向,以按右手系确 定的轴yi位于*肟占涞闹赶蛭

7 实测数据整理分析(续)
钻孔方向应符合下列规定: 钻孔倾角?i以仰角为正,方位角?i为钻孔在水*面投影 线的方位,如果钻孔为铅垂向,?i为轴xi的方位,这时?0为
垂直建筑物轴线(轴y)的方位或正西向。

测量元件序号应符合下列规定:
钻孔孔壁应变计:i为布置在孔壁上的应变丛序号,j为 应变丛内应变片序号。?为应变计安装偏斜角,以水*轴起 始逆时针向度量。 钻孔孔径变形计:i为测量钻孔序号,j为安装在测量钻 孔内变形计的触头序号,d为测孔孔径。 钻孔孔底应变计:i为测量钻孔序号,j为布置在测量钻 孔孔底上应变片的序号。

7 实测数据整理分析(续)
(2)孔壁应变测试法应力计算 应力解除完成以后孔壁应变计各应变丛得到一 组应变测量值,即观测方程的观测值,从理论上可 以证明从钻孔应变计获得的应变观测方程有6个是 线性独立的,因此,将观测结果代入观测方程组 (一般情况为9~12个方程),解联立方程就可求得 围岩的6个应力分量。 观测方程的表达式为: (6.1-3)

7 实测数据整理分析(续)
式中 ?k——应变观测值。 k——观测值方程序号,应变计内布设几个应变丛, 其序号用i表示,对应的极角为?i。每个应变丛由几个应变片 组成,其序号用j表示,对应的角度为?j。 k=m(i-1)+j (i=1-3,j=1-m ) ,m为应变计内应变丛 中应变片个数。 应力系数Ak1、Ak2、…Ak6用下式确定:

(6.1-4)

对于孔壁应变测量(6.1-4)式中K1=K2=K3=K4=1。

7 实测数据整理分析(续)
(3)空心包体钻孔三向应变计应力计算 观测方程和应力系数计算分别为式(6.1-3)、 (6.1-4),但修正系数Ki(i=1-4)不等于1,由 钻孔半径R,应变计内半径R1,应变片嵌固部位 的半径?,围岩的弹性模量E、泊松比?和环氧树 脂层的弹性模量E1、泊松比?1确定:

7 实测数据整理分析(续)

(6.1-5)

(6.1-6)

7 实测数据整理分析(续)

(6.1-7)

7 实测数据整理分析(续)
(4)钻孔坐标系同大地坐标系的转换

公式(6.1-3)-(6.1-7)是在钻孔坐标系下围岩应力 的计算公式,为了求得大地坐标系下的围岩应力,必须进 行坐标变换。 钻孔坐标系和大地坐标系都采用右手系,大地坐标 系o—xyz:轴z为铅垂向上;轴x为建筑物轴线方向,其 方位角为?0;轴y的方位角为?0-90°。钻孔坐标系o— xiyizi:轴zi为钻孔轴线方向,指向孔口为正,轴xi为水* 向,以轴yi位于*肟占湮鼋堑闹赶蛭<辞憬俏 0°,方位角为?i-90°;轴yi的倾角为90°-?i,方位 角为?i+180°。钻孔坐标系o—xiyizi与大地坐标系o— xyz相互关系如图6.1-8所示,钻孔坐标系各坐标轴相对大 地坐标系的方向余弦如表6.1-1。

图6.1-8 钻孔坐标系与大地坐标系的相对关系

表6.1-1 钻孔坐标系各坐标轴相对大地坐标系的方向余弦

7 实测数据整理分析(续)
钻孔坐标系表达的应力分量?xi,?yi,?zi和 ?xiyi转换到大地坐标系表达的应力分量的转换公 式为(6.1-8):

(6.1-8)

三 1

关键技术问题 套心解除速率的要求

通过多年的测试经验,在浅孔孔壁应变法和 浅孔空心包体孔壁应变法浅孔全过程的测量中, 力争获取较好的全过程曲线,规程要求按预定深 度分10级,开始每级解除深度可为5㎝,在接* 应变片粘结部位时宜为2㎝。逐级钻进,进行套 心解除,每解除到一级深度时,停钻不停机连续 读数两次。

2 应变计的制作

在岩体应力的测量试验中,对试验的影响因 素很多,如温度、湿度、介质和垫层等,这些 都要在应变计的制作过程中予以考虑。应变计 的制作是十分关键的技术之一。首先是电阻片 的选择,同一组试件的工作片与温度补偿片的 规格和灵敏系数应相同,电阻值在120Ω左右, 允许偏差为±0.1Ω。并对温度变化不敏感。其 次是制作应变计的底托材料在满足其他要求的 基础上,其弹性模量应尽可能低,不致对电阻 片随应力解除的变化构成约束影响。

3 粘结剂的配制

要将制作好的应变计牢固地粘结在测量孔 中,就必须选择好的粘结剂,并且有一套完整 的应变计粘结工艺。对水*浅孔要求钻孔略向 上倾斜5°左右,以便排出岩粉和积水,并对钻 孔进行清洗干燥,因而对粘结剂的要求仅限于 粘结强度和固化时间。在垂直深孔应力测量中, 对粘结剂要求则更高一些,除需满足以上要求 外,还须在水下可固化,耐油,强度高等。长 江科学院研制的CKJ-1型水下粘结剂能满足以 上要求,在工程中应用是比较成功的。

4 钻孔机具的选配 套心解除法一般要求使用金刚石钻头钻孔, 每百m倾斜不超过3°,且测量小孔和解除大孔 同心度允许偏差不超过2mm。因此在钻进过程 中要求在一定间隔内,在钻杆上加接定向(导 向)接头,使用专用的Ф76 mm(薄壁)和 Ф36 mm的金刚石钻头,且解除钻具有能较完 整地取出岩心,岩心残留不大于5㎝,起伏差不 大于2㎝。

5 二次仪表的配置和标定

由于地应力测试对成果质量的影响因素较多, 现场环境差,因此要求二次仪表具有一定的精 度和抗干扰能力,并经过计量部门计量合格。 仪器设备运抵现场组装后,应在现场进行检查 和标定。

第二节

孔底应变法测试

一 测试技术 孔底应变法测试仍属于应力解除法,是采 用电阻应变计(或其他感应元件)作为传感元 件,测量套钻解除后钻孔孔底岩面应变变化, 根据经验公式,求出孔底周围的岩体应力状态, 适用于各向同性岩体的应力测试。主要优点为 所需的完整岩心长度较短,在较软弱或完整性 较差的岩体内较易成功。 钻孔孔底应变*峁雇既缤6.2-1,应变片 布置如图6.2-2。

图6.2-1 钻孔孔底应变 计元件示意图

图6.2-2 孔底应变 计应变片布置图

孔底应变计的安装工作要求烘烤孔底,需在钻孔 无水状态下进行。为排除钻孔孔内积水,钻孔宜向 上倾斜3°-5°。

二 测试方法
1 测点布置

测点布置同孔壁应变法测试之二的规定,当 测量岩体中某一点的三向应力状态时,宜在同 一*面内,布置交会于岩体某点的三个钻孔 (如45°、90°、-45°),如图6. 2-3所示。 地质描述与孔壁应变法测试之二的规定相同。

图6. 2-3 三孔交汇 示意图

2 主要仪器设备

测试仪器设备与6.1节相同,只需将孔壁应变 计换成孔底应变计。
测试准备应符合下列规定: (1)根据测试要求选择场地,安装钻机。钻 进到预定深度,取出岩心,观察节理、裂隙发 育情况,判断是否满足试验条件,否则应继续 钻进,直至满足试验条件。 (2)粗磨、细磨孔底至*整光滑。 (3)用清洁剂洗净孔底并用烘烤器烘干。

3 应变计安装

(1)在孔底及孔底应变计底表面均匀涂上一 层粘结剂。
(2)用安装杆将带有孔底应变计的安装器送 入孔中,当接*孔底时定向就位,将孔底应变 计压贴在孔底*面中部1/3直径范围内,并保持 一定的预压力,使应变计与孔底岩面紧密粘贴。 (3)粘结剂固化后,检查系统绝缘值,绝缘 值不应小于50M?. (4)取出安装器。

4 测试及稳定标准

(1)从钻具中引出测量电缆,接通仪器。向 钻孔内冲水,每隔5min读数一次,当连续三次 相邻读数差不超过5??且冲水时间不少于30min 时,取最后一次读数作为稳定读数,并作为初 始值。
(2)按预定深度逐级钻进,进行套心解除。 每级解除深度,开始时宜为1cm,当解除孔径 0.6倍后宜为2cm,每解除一级,停钻不停机读 数,连续读数两次。

4 测试及稳定标准(续)

(3)套钻最终解除深度应超过孔底应力集中影 响区,最小解除深度应大于解除孔孔径的1.5倍。
(4)继续向钻孔内冲水,每隔5min读数一次, 当连续三次相邻读数差不超过5??且冲水时间不少 于30min时,取最后一次读数作为稳定读数。

(5)在解除过程中,发现异常情况时,应立即 停机检查,作好记录。
(6)检查系统绝缘值,卸下钻具,取出带有应 变计的岩心进行描述。

5 岩心围压试验、测试成果整理及测试记录与第一节 相同。 6 应力计算
钻孔孔底应变测量需要布置s个交汇钻孔(s≥3, 其中不同方向的钻孔至少为3个),其序号用i表示, 并设钻孔的倾角为?i,方位角为?i。应变计端面上布 置1个应变丛,应变丛内由t个应变片组成,其序号 用j表示,对应的角度为?i。由孔底应变测量得到的 应变观测值?k(k=(i-1)t+j,i=1-s,j=1-t)可建立 一组观测方程,解观测方程组即可获得大地坐标系 下的围岩应力状态。观测方程组成如(6.2-1)式:
(6.2-1)

6 应力计算(续)
观测方程的应力系数Ak1-Ak6可由(6.2-2)式、 (6.2-3)式求出:

(6.2-2)

(6.2-3)

如果交汇的测量钻孔取在同一水*面上,即?i=0,则应 力系数Ak1-Ak6表达式(6.2-4)变成

(6.2-4)

三 关键技术问题
孔底应变法测量方法的关键在于应变测量元 件的制作。由于试验是在钻孔中进行,难以用 人工直接将电阻片贴入孔底,为此设计了一种 应变盒。预先把电阻片粘贴在应变盒的底*面 上,以专用工具将其送入孔底,使它粘贴在孔 底*面上。在处理、粘贴、防潮过程中,电阻 片表面已形成一层薄膜,以及塑料壳体对电阻 片的正常工作是否有影响,其大小如何,这些 均需通过率定确定。由于每个应变元件粘贴后 不能重复使用,因此率定工作只能采用抽样率 定的方法。

因该测量方法要求钻孔干燥无水,故钻孔应 略向上倾斜5°左右。该测量方法需配置专用钻 孔机具和孔底磨*装置。测量三向应力宜在同 一*面内布置交会于岩体某点的三个钻孔(如 45°、90°、-45°)。

第三节

孔径变形法测试

一 测试技术
孔径变形法测试包括压磁应力计测试和孔径 变形计测试两种方法。它是在钻孔预定孔深处 安放压磁应力计或四分向环式钻孔变形计,然 后套钻解除,测量解除前后的变形或应变差值, 按弹性理论建立的孔径变化与应力之间的关系 式,计算出岩体中钻孔横截面上的*面应力状 态。

典型的钻孔变形计有YJ-81型压磁式应力计和 36-2型钢环式变形计,分别示意如图6..3-1和图 6.3-2。

图6.3-1 YJ-81型压磁式应力*峁故疽馔

图6.3-2 36-2型钢环式变形*峁故疽馔

当需要测求岩体的空间力状态时,应采用三 孔交汇测试的方法,一般采用两侧测孔与中间 测孔分别构成45°夹角的布置方法。

二 测试方法
1 主要仪器设备 ——钻机及其附属设备; ——大、小口径金刚石钻头; ——磨*钻头及导向钻头; ——压磁应力计及读数仪或四分量环式 变形计及静态应变仪; ——围压率定器; ——安装设备。

2 测试准备 ⑴ 选择场地,安装钻机。 ⑵ 用大口径钻头钻至预定部位,取出岩心。 ⑶ 用磨*钻头磨*孔底,用导向钻头钻深约45cm的导向孔。 ⑷ 用测试钻头钻测试孔,孔深约50cm,要求 与大孔同轴,允许偏差为2mm。取出测试孔 岩心并冲洗钻孔。 ⑸ 观测岩心并进行描述,当岩心不满足试验要 求时应重复本条2-4款。 ⑹ 四分向环式变形计,应在安装前进行率定。

3 压磁应力计安装 ⑴ 应力计定向底座送入孔底定向,再将应力 计送至孔底,将尾部插入底座定向凹槽内,对 应力计施加预压力。

⑵ 对水*测量孔,采用钻杆将应力计和水* 定向器送至孔底定向固定,并施加预压力。
⑶ 预压力的大小宜为应力计最大读数范围的 1/3-2/3,并保持该预压力不变。 ⑷ 记录安装定向方向。

4 四分向环式变形计安装 ⑴ 将变形计中各组钢环的引出线按顺序连接 在应变仪的接线箱上,并预调*衡。 ⑵ 接上定向器,与变形计一起用安装杆缓慢 送入测量孔内,并不断监视应变仪,读数压缩 值宜控制在2000??。 ⑶ 用铁锤轻击安装杆端部,使变形计锥体与 测量孔孔口紧密接触。 ⑷ 记录安装定向方向。

5 压磁应力计法的测试及稳定标准 ⑴ 将应力计导线从钻具中引出接入二次仪表 上,冲水读数,每隔5min读数一次,连续三次 相邻读数差不超过3个仪器最小读数单位且冲水 时间不少于30min时,取最后一次读数作为稳 定读数,并记为初始值。 ⑵ 每钻进解除2cm,停钻不停机读数一次。

⑶ 最终解除深度(即从测点到孔底的距离) 不得小于解除孔孔径的1.5倍。

6 四分向环式变形计法的测试及稳定标准 ⑴ 将应变计导线从钻具中引出,接入二次 仪表上,冲水读数,每隔5min读数一次,连续 三次相邻读数差不超过5??且冲水时间不少于 30min时,取最后一次读数作为稳定读数,并 记为初始值。 ⑵ 每钻进2cm,停钻不停机读数一次。

⑶ 最终解除深度(即从测点到孔底的距离) 不得小于解除孔径的1.5倍。 ⑷ 解除过程钻孔孔径变形同钻进深度变化曲 线如图6.3-3。

图6.3-3 孔径变形法应力解除应变全过程曲线

7 压磁应力计法测试成果整理 ⑴ 绘*獬疃萮与应力计各元件读数差?u 的解除全过程关系曲线,确定最终稳定值。 ⑵ 绘制应力计各元件率定曲线,各元件率定 系数按下式计算:
Sw K? ?u

(6.3-1)

式中 K ——元件率定系数; Sw——围压器单位压力MPa; △u ——仪器读数差。

7 压磁应力计法测试成果整理(续) ⑶ 记录应力值Sij按下式计算:

Sij=Ki· △u
式中 Sij——对于空间问题为Sij,对于*面问题 为 S ? 、S ?? 和 S ??? 。 ⑷ *面应力计算。当符合*面问题假设,且压 磁应力计各元件互成60°布置时,*面应力按 下式计算:

7 压磁应力计法测试成果整理(续)
? 1、2 ? ( S ? ? S ?? ? S ???) ?
1 3 2 (6.3-2) ( S ? ? S ??) 2 ? ( S ?? ? S ???) 2 ? ( S ??? ? S ?) 2 3

3 ( S ?? ? S ???) tg2? ? ? 2S ? ? S ?? ? S ???

(6.3-3)

式中

?1、?2——最大、最小主应力,MPa; S ? 、S ?? 、S ??? ——三个测试方向的记录应力,

MPa; ( S ?? ? S ???) ?——当 <0时为最大主应力?1与记 ? ? S ?? ? S ??? 2S 录应力的夹角; ( S ?? ? S ???) 当 >0时为最大主应力?2与记 2 S ? ? S ?? ? S ??? 录应力的夹角。

7 压磁应力计法测试成果整理(续)
⑸ 空间应力计算。根据三个不同方向的 钻孔测试所取得的各个应力值Sij,空间应 力分量?x、?y、?z、?xy、?yz、?zx按下列 公式计算:

?aij ? 1 ? 2 cos 2? ij ? ?bij ? ? ? ? ?cij ? 1 ? 2 cos 2? ij ?d ? 4 sin 2? ij ? ij

(6.3-4)

7 压磁应力计法测试成果整理(续) 式中 i——钻孔序号; j——测试方向序号; ?——钻孔内某点测试方向与钻孔坐标系?ij的 夹角; li1、mi1、ni1、li2、mi2、ni2、li3、mi3、ni3分 别为相应测点钻孔坐标系各轴对大地坐标系的 方向余弦。

8 四分向环式钻孔变形计法测试成果整理 ⑴ 绘*獬疃萮与各钢环应变?i关系曲线。 ⑵ 根据h-?i关系曲线,参照地质条件和试验情 况,确定最终稳定读数?ni。 ⑶ 绘制各元件率定的千分表读数Si与电阻应 变仪读数?i的关系曲线。各元件率定系数按下式 计算:

8 四分向环式钻孔变形计法测试成果整理(续)
Ki ?

?i
Si

(6.3-5)

式中 Ki——元件i的率定系数,1/mm; ?i——各元件的应变值; Si——千分表读数,mm。

8 四分向环式钻孔变形计法测试成果整理(续)
⑷ 钻孔径向变形按下式计算:
?d ?

? ni ? ? 0i
Ki

(6.3-6)

式中 △d ——钻孔径向变形,mm; i——测试元件的序号; ε0i ——元件i的初始应变值; εni ——元件i的最终稳定应变值。
⑸ 岩体三维应力计算比较复杂,请参见规程附 录。

三 关键技术问题
1 应变元件的制作 孔径变形测试法一般采用四分向环式钻孔变形计。 钢环处理是影响变形计质量好坏的关键,应按下列方 法和步骤进行。

(1)选用胶基丝绕式电阻片或箔式电阻片,尺寸 不大于3㎜×5㎜(越小越好)。电阻值不小于80Ω (越大越好),电阻值允许偏差不大于±0.1Ω。
(2)全部应变钢环经零号砂纸打磨光滑后,用纱 布蘸丙酮清洗至少3次。

(3)室温下,用宽约5㎜的软排笔,蘸上ky-1聚乙 烯醇缩甲乙醛酸,均匀地薄薄涂敷整个钢环。每隔 15min涂刷一次,反复涂刷4次。

1 应变元件的制作(续) (4)将涂过胶水的钢环放入烘箱,进行固化处理。 (5)在贴片处涂刷底胶。 (6)取出钢环套,在专用加温架上,保持约60℃温 度。在电阻片背面及钢环贴片处各涂一层胶,粘 贴电阻片。

(7)贴片后,用特制夹具对电阻片均匀加压,压力 控制在0.1MPa左右。
(8)按规定进行固化处理,但最高温度不得超过 180±2℃。

1 应变元件的制作(续) (9)应变钢环经过固化处理后,逐一检查各 电阻片的电阻值及绝缘度,剔出不合格者。 (10)在电阻片上再涂2-4层胶水,并作同样 的固化处理。 (11)用7×0.07㎝塑料线作引线,联成全桥 或半桥,将引线固定在钢环上。 (12)接通电阻应变仪,检查调零效果,并复 查其绝缘度。

1 应变元件的制作(续) (13)检验符合要求后,用环氧树脂胶在 电阻片及引线处(特别是引线处)反复涂刷 2-4次,胶层宜薄而匀。 (14)待环氧树脂胶在室温下固化后,将 钢环置于水中,测其绝缘度。若绝缘度在 4h不小于50MΩ,即为合格。

(15)将应变钢环放入烘箱,在60-80℃ 温度下烘烤2-14天;或在-40-+50℃温度范 围内使其骤冷骤热,反复10余次,进行温 度老化处理。

2 变形计组装 (1)按顺序在钢环架上装上处理好的钢环。旋紧 钢环架,沿凸齿方向轻轻移动钢环,检查是否灵 活。 (2)将钢环电阻片引线分别焊在测量导线上,再 次测量其电阻值及绝缘度,并检查桥路。 (3)将16心屏蔽电缆穿入变形计锥形塞孔中,并 按组分别焊在接线室中。 (4)接通电阻应变仪,检查应变钢环是否正常。

(5)将已经装好且符合要求的应变钢环及其钢环 架装入外壳,插进销钉定位。

2 变形计组装(续) (6)旋紧螺杆,卡紧电缆,嵌上触头。 (7)将纯净凡士林加热溶化,在60-80℃温度下, 用注射器将其从外壳触头孔注入变形计内,排出 空气,最好是真空灌注。 (8)装上保护套,将钢环压缩量控制在0.4-0.6㎜ 范围内。 (9)接通电阻应变仪,观测各钢环随时间的应变 变化情况,绘制常温下电阻片应变蠕变曲线。要 求24h内相对蠕变量不大于0.5%。

3 四分向环式钻孔变形计的率定 为求出各钻孔变形计的率定系数,需对钻孔变 形*新识āB识ǔ绦蛉缦拢 (1)将应变计与电阻应变仪接通、调零。

(2)将变形计安装在率定架上,触头、移动滑块、 千分表(或位移计)应保持在同一轴线上。
(3)千分表(或位移计)调整指针至0.2㎜左右。 (4)首先对钢环预先压缩0.5㎜,再放松。重复34次。然后每增加0.1㎜,记录应变值一次。压缩 至0.5㎜ 逐级放松,至少重复进行3个循环。加压、 卸压时,读数差不得超过20με。

第四节

水压致裂法测试

一 测试原理及基本公式 钻孔套心应力解除技术在工程岩体应力测量 中有广泛的应用并可获得比较准确的应力量值, 但钻孔套心工法十分复杂,测试成本较高,比 较适合不太深的钻孔中进行,对于深度较大岩 体中的初始应力(如深度大于300m或超过 1000m深孔中)比较常用的方法是水压致裂法。

一 测试原理及基本公式(续)
水压致裂法是迄今为止进行深部地应力测量 最有效的手段,国外最大测量深度达5105m。 除此之外,该方法还具有钻孔套心应力解除法 无法比拟的突出优点:①资料整理不需要岩石 弹性常数参与计算,避免因弹性常数取值不准 确而引起的误差;②岩壁受力范围较大,避免 点应力状态的局限性和地质条件不均匀性的影 响;③可以利用现有地质勘探钻孔进行测量, 不需要专门钻孔;④操作简易,测量周期短。

一 测试原理及基本公式(续)
该方法主要设备由三部分组成:钻孔承压段的封隔系 统、加压系统和测量、记录系统。利用一对可膨胀的橡 胶封隔器,在预测深度处取一段钻孔进行封隔,然后泵 入液体对中间段钻孔施压,加压到钻孔围岩出现破裂缝 (此时的压力称破裂压力),立即关闭压力泵,维持裂 缝张开(此时的压力称为瞬时关闭压力),最后将压力 泵卸压至零。围岩第一次破裂后,重复注液施压至破裂 缝继续开裂(这时的压力为重张压力),以获得较准确 的压裂参数。根据实测压裂过程曲线确定压裂参数并计 算测段岩体最大和最小水*主应力,根据裂缝张开方向 确定主应力方向。水压致裂法地应力测量场景见图6.4-1。

图6.4-1

水压致裂法实测现场

一 测试原理及基本公式(续)
水压致裂法地应力测量原理建立在弹性力学 *面问题理论基础上,经典理论以如下三个假 设条件为前提:1) 围岩是线性、均匀、各向同 性的弹性体;2) 围岩为多孔介质时,注入的流 体按达西定律在岩石孔隙中流动;3) 岩体中初 始应力的一个主应力方向为铅垂向,与钻孔方 向一致,它的大小*似等于上覆岩层的自重。 因此水压致裂法地应力测量的力学原理可以简 化为弹性*面问题,如图6.4-2,含有圆孔的无 限大*板受两向应力?A和?B(?A??B)的作用, 则孔周附*的二次应力状态为:

一 测试原理及基本公式(续)
? A ?? B R2 3R 4 ? ?' ? (1 ? 2 ) ? (1 ? 4 ) cos 2? 2 2 r r ? A ?? B ? A ??B R2 3R 4 4a 2 ' ?r ? (1 ? 2 ) ? (1 ? 4 ? 2 ) cos 2? 2 2 r r r ? A ?? B 3R 4 4 R 2 ' ? r? ? ? (1 ? 4 ? 2 ) sin 2? 2 r r ? A ?? B
(6.4-1)

式中: R ?为钻孔半径, r ?径向距离, ? ?极径与轴x的夹角, ??r、???和??r? ?径向应力、切 向应力和剪切应力, ?A 和?B ? 钻孔横截面上最大 和最小主应力。

一 测试原理及基本公式(续)
?B

???

??r
r

?A

?

X

图6.4-2 含圆孔无限大*面的应力状态

一 测试原理及基本公式(续) 考虑岩体中的孔隙压力体P0 ,并 S 以 S A ? ? A ? P0 , B ? ? B ? P0 ,表示岩体的地应力,则海 姆森给出 SB = Ps (6.4-10) (6.4-11)

S A ? 3S B ? Pb ? P0 ? ? t

其中:Pb为自裂过程曲线的初始破裂压力, Ps为关闭压力, σt为岩石抗拉强度。

一 测试原理及基本公式(续) 式(6.6-11)中的抗拉强度σt,目前采用两 种方法确定: (1)在试验室里,将所测孔段的岩样,加工 成厚壁空心圆柱体,对中心孔内壁加压直至岩样 破裂:
B2 ?1 ?t ? 2 ? Pb B ?1
(6.4-12)

式中:B=b/a, b—圆柱体试件外径, a—圆柱体试件中心孔的孔径, Pb—圆柱体试件破裂时的内压。

一 测试原理及基本公式(续) (2)在现场可从对封隔段的多次循环加压过 程求出。在第一次加压循环过程中,使完整的孔 壁围岩破裂,出现明显的破裂压力Pb ,而在以后 的加压循环过程中,因岩石已破裂,故其抗拉强 度σt=0,则重张压力Pr为:

Pr ? 3S B ? S A ? P0

(6.4-13)

这样,在求解钻孔横截面上最大主应力时, 也可以直接采用重张压力计算:

S A ? 3S B ? Pr ? P0

(6.4-14)

一 测试原理及基本公式(续)
比较式(6.6-13)和式(6.6-4)可得到 岩石的抗拉强度: σt = Pb – Pr (6.4-15) 水压致裂破裂面一般沿垂直于横截面上 最小主应力方向的*面扩展(形成*行于钻 孔轴线的裂缝),其延伸方向就是钻孔横截 面上的最大主应力方向。 由于测量仪表放置在钻孔孔口地面,所 测的岩体应力SA、SB还需加上钻孔的静水压 力PH。

二 测试方法 1 钻孔测试段布置

(1)在测试段上下1.5m范围内,岩性应均 一完整。 (2)由于水压致裂法需对测试孔压裂段加压 直至岩壁破裂,故要求测试段串接起来的封隔器 加上压裂段共约3m长的岩体透水性小,根据计算 公式的假定及目前工程实例统计岩体渗透系数应 小于1个吕容值。
(3)地质描述除应与第一节的第二条相同外, 还应该提供钻孔柱状图,包括岩性、裂隙密度、 岩心获得率、RQD及岩体渗透系数?值。

2 主要仪器设备
——钻机及附属设备;

——橡胶封隔器(与钻孔孔径匹配)及高压软 管; ——压力传感器和流量传感器;
——函数记录仪;

——高压大流量电动压力泵,压力泵的选择宜 采用大流量和高压力的电动压力泵,考虑到测试 设备的轻便化和适用性,本方法要求泵压不小于 40MPa,流量不小于8L/min,可两台并联;
——印模器或钻孔电视录像设备。

3 测试准备 ⑴ 根据钻孔地质资料或钻孔录像资料 选择测段。 ⑵ 清洗钻孔。 ⑶ 率定传感器,并进行封隔器预压试 验。 ⑷ 对加压管路进行高压密封试验,试 验压力不应小于20MPa。 ⑸ 检查定向设备。

4 测试步骤

(1)串接两个橡胶封隔器,用安装工具放至 选定的压裂段,加压至预定的座封压力,使封隔 器膨胀座封于孔壁上。原测上座封压力应大于橡 胶封隔器的扩张压力小于测试岩体破裂缝的重张 压力,宜在现场通过试验或用同类岩体测试的经 验确定。
(2)对压裂段注水加压,打开函数记录仪连 续记录压力,p与时间t关系曲线和流量Q与时间t 关系曲线。 (3)从函数记录仪上观察时间与压力关系曲 线走势,当泵压上升至某一临界值pb时,曲线出 现拐点,岩壁破裂,立即关闭压力泵停止加压。

4 测试步骤(续) (4)当曲线下拐并逐步趋于稳定后,打开压 力泵阀门卸压,并关闭记录仪。 (5)按本条2-4款连续进行3-4次加压循环。 (6)测试完毕后,封隔器卸压,排出封隔器 内的液压剂,从钻孔中移动封隔器,按本条1-5款 进行下一测试段测试,直至全孔测试完成后,从 钻孔中取出封隔器。 (7)用定向印模器或钻孔录像仪记录压裂缝。 当使用定向印模器记录压裂缝时应选择破裂压力 明显的压裂段。

5 测试成果整理 (1)根据实测压裂过程曲线(图6.4-3),确 定压裂过程中各特征点参数。具体步骤如下:

图6.4-3 水压致裂过程与工程岩体应力的关系

5 测试成果整理(续) ① 利用两个串联的可膨胀橡胶封隔器(中 间以花管和高压油管联接)加压座封于孔壁上, 形成压裂段(即花管段)。 ② 向压裂段注水加压,使其孔壁承受着逐渐 增强的液压作用。 ③ 当泵压上升至某一临界值Pb(称为破裂压 力)时,由于岩石破裂导致泵压值急剧下降而流 量值急剧上升。

5 测试成果整理(续) ④ 关闭压力泵,当泵压开始趋向稳定时,此 段压裂过程曲线的拐点即为瞬时关闭压力Ps。

⑤ 当泵压趋向稳定时,打开压力泵阀卸压, 压裂段液压作用被解除后破裂缝完全闭合,泵压 降为零。
⑥ 重张,连续多次(宜为3-4次)加压循环 (此时压力与时间关系曲线上的最高点即为重张 压力Pr),以便取得合理的压裂参数以及正确地 判断岩石破裂和裂缝延伸的过程。

5 测试成果整理(续) (2)根据印模或钻孔录像资料,绘制压裂缝 形状,确定压裂缝方位。

(3)测试成果包括各测试段的破裂压力pb、 瞬时关闭压力ps、重张压力pr、孔隙压力po、静 水压力ph、岩体抗拉强度?t、钻孔横截面上大主 应力SH及方位和小主应力Sh。
在水压致裂过程中,随着压力段液压增大, 孔壁上切向有效压应力将逐渐下降,最终在某部 位变为拉应力,当此拉应力值等于或大于岩石的 抗拉强度?t时,孔壁上开始出现裂缝,岩石破裂 出现的临界压力Pb为

5 测试成果整理(续)
3? h ? ? H ? ? t pb ? ? p0 K
(6.4-16)

式中

K——孔隙渗透弹性参数,可在试验室内 确定,其变化范围为1≤K≤2;
? h 、 ? H ——分别为钻孔横断面上最大、 最小*面有效主应力(MPa)。

对非渗透性岩石(岩石渗透系数小于1个吕容 值),K值*似等于1。式(6.4-16)可简化为:
pb ? 3? h ? ? H ? ? t ? p0
(6.4-17)

5 测试成果整理(续)
(4)按下列公式计算岩体应力:
Sh=ps SH=3Sh-pb-po+?t (6.4-19)



SH=3Sh-pr-po
Pb——岩体破裂单位压力,MPa; Po——岩体孔隙单位压力,MPa;

式中 SH、Sh——分别为钻孔横断面上的大、小*面主应力;

?t——岩体抗拉强度,MPa;
Ps——瞬时关闭单位压力,MPa; Pr——岩体重张单位压力,MPa。 当压力传感器安置在地面时,实测的应力还需叠加单位 静水压力Ph(MPa)。

5 测试成果整理(续)

(5)当钻孔为铅直方向时,钻孔横截面
上大、小主应力为最大和最小水*主应力, 最大水*主应力方向为水*面内破裂缝的方 向。

第五节

表面应变法测试

一 测试基本原理 岩体表面应力测试是通过测量岩体表面应变 或位移来计算应力,用于测量岩体表面或地下 洞室围岩表面受扰动后重新分布的岩体应力状 态。本测试方法包括两种:表面应力解除法和 表面应力恢复法。采用应力恢复法需已知岩体 某一主应力的方向,然后根据主应力方向来确 定液压枕和应变计或位移计埋设方向。本方法 适用于完整和较完整岩体。

二 测试方法 1 测区布置 (1)测区及附*岩性应均一完整。 (2)每一测区应布置2-3个测点,各测点应 尽量靠*,并避开断层、裂隙等不良地质构造。 (3)当需测求岩体三维应力时,应采用在 现场*洞(最好为圆洞)表面布置三个试点 (如?=0°、90°、225°)来测试,应避免开 挖爆破对测点的影响,需认真对试验面进行处 理。

2 主要仪器和设备

——掏槽机具及配套设备;
——应变计及读数仪; ——液压枕及压力表;

——防护器具;
——率定设备。

3 测试准备
(1)根据测试要求选择适当场地和试点。 (2)试点周围岩面的修整范围:解除法应大于解 除岩心直径的2倍;恢复法,在粘贴应变计的一边, 其长和宽各应为2倍的槽长,岩面起伏差不得超过 0.5cm。 (3)在已修整的试点范围内,选定粘贴应变计的 位置并进行细加工,其范围应大于应变计长度的2倍。 (4)清洗应变计粘贴部位,进行防潮处理并作好 粘贴准备。

(5)率定应变计和液压枕。

4 仪器安装
(1)解除法仪器安装示如图6.5-1 ① 在已处理好的测试面上布置一组应变计, 每组应变计不应少于3只。 ② 粘贴的应变计及测试系统绝缘度不应小于 50M?。

③ 安装应变计防护罩,引出测量导线。

图6.5-1 表面应力解除法测量布置图

4 仪器安装(续)
(2)恢复法仪器安装示如图6.5-2。

图6.5-2 恢复法液压枕及应变计埋设示意图

4 仪器安装(续)
① 在已处理好的试点面上,安装应变计,其 方向应与解除槽方向垂直,应变计的中心点到解 除槽中心线的距离为槽长的1/3。

② 应变计的粘贴、防潮及防护处理与解除法 仪器安装规定相同。 ③ 应变计安装完毕后,每隔5min读数一次, 连续三次相邻读数差,钢弦应变计不大于3Hz, 电阻应变计不超过5??,即为稳定读数,并记为 初始值。

4 仪器安装(续)
④ 按解除槽预定深度及宽度掏槽,每掏槽 2cm深测读应变计读数一次,直至满足埋设压力 枕要求。 ⑤ 掏槽结束后,按③款规定的稳定标准测读 应变计读数。 ⑥ 清洗解除槽,埋入液压枕,填筑并捣实砂 浆,养护7d。

5 解除法测试及稳定标准
⑴ 从钻具中引出应变计电缆并接通仪器,向 测试点连续冲水30min,检查隔温、防潮效果, 并在冲水过程中检查应变计读数有无漂移。 ⑵ 用钻机分级解除,每级深2cm或按h/D=0.1 分级(h为解除槽深度,D为解除岩心直径),每 级解除后测读应变计稳定读数。

⑶ 解除结束后,按上述稳定标准测读应变计 读数。
⑷ 最终解除深度不应小于解除岩心直径的0.5 倍。

6 恢复法测试及稳定标准
⑴ 加压恢复时宜采用大循环法分级加压,级 数不得少于6级,测试时应记录每级压力下的应 变计读数。

⑵ 最大一级压力,应大于掏槽解除结束时稳 定应变值的相应压力。
⑶ 取出液压枕,并描述其埋设情况。

7 解除法测试成果整理
⑴ 各级解除深度时的应变值计算 1)采用钢弦应变计时按下式计算:

?i ? ? ( f ? f )
2 ni 2 0

(6.5-1)

式中 ?i——解除应变值,??; fni——与解除深度对应的应变计读数, Hz; f0——应变计初始读数,Hz; ?——应变计的率定系数,??/Hz2。

7 解除法测试成果整理(续)
2)采用电阻片应变计时按下式计算:

?i=?n-?0

(6.5-2)

式中 ?i——解除应变值,??; ?n——与解除深度对应的应变仪读数, ??; ?0——应变仪初始读数,??。

7 解除法测试成果整理(续)
⑵ 绘制应变丛各应变计的应变值?i与相对解 除深度h/D的关系曲线。 ⑶ 根据?i-h/D关系曲线,结合试点面地质条件 和试难情况,确定各应变计的解除应变值。

⑷ 最大级最小主应力按下式计算:

7 解除法测试成果整理(续)
E ? ?? 1 ? 1 ? ? 2 (? 1 ? ?? 2 ) ? ? ?? ? E (? ? ?? ) 1 ? 2 1? ? 2 2 ?

(6.5-3)

式中 E——岩石弹性模量,MPa; ?——岩石泊松比; ?1、?2——最大、最小主应变,??,按应 变丛不同布置形式计算。

三 测试技术

1 应力解除法
(1)钢弦应变计的处理

a) 钢弦宜采用优质钢丝,直径为0.15-0.23㎜, 可用小提琴弦。
b) 将选定的钢弦固定在钢弦规上,预加一定张 力,使其频率达到800-1500HZ。 (2)钢弦应变计的组装

从钢弦规上取下有足够长度的钢弦,立即装在 应变计上,装时不得扭曲。装好后调整应变计螺 帽,拉紧钢弦,频率保持在800-1000HZ范围内。

三 测试技术(续)

(3)钢弦应变计的埋设
a) 在已处理好的试点面上,划出应变计的坐标线, 每组应变丛不得少于三只应变计。

b) 在应变从坐标线上,确定应变计的柱脚孔位, 两脚间跨距为10㎝,并凿出深2.5㎝、直径为 φ0.5-0.6㎝的小孔。 c) 用清水将小孔冲洗干净,然后将调制好的膨胀 水泥或环氧树脂水泥填入孔中。将钢弦应变计 柱脚均匀地压入小孔内,并加设支撑,固定应 变计。
d) 用环氧树脂水泥粘贴应变计防护罩。

三 测试技术(续)

(4)掏槽解除
a) 确定要解除的岩心直径。 b) 接通导线,测读记录各应变计的初始读数。 c) 安装好解除用的钻机或风钻等 d) 先用人工打出深2㎝导向槽,导向槽要求规 则、*整。测量掏出导向槽后的应变计的读数, 并作记录。

三 测试技术(续)
2 应力恢复法

(1)应变计的安装与解除槽的要求: 在已处理好的试验面上,安装应变计,应变 计的方向应与解除槽长轴垂直,应变计的中心 点与解除槽长轴中心线的距离为槽长的1/3。

三 测试技术(续)
2 应力恢复法(续)

(2) 掏槽解除与测试
a) 测读应变计初始读数。 b) 用人工凿出深2㎝的导向槽,然后分级掏槽, 每次掏槽深度为2㎝,直至满足要求为止。

c) 最终一次掏槽结束后,每隔5min读数一次, 15min内,对钢弦应变计,读数差不大于 ±3HZ;对电阻片,读数差不大于±5με,即 可认为稳定。

测试技术(续) 2 应力恢复法(续)


(3)液压枕的率定与安装 a) 将液压枕内灌满油,从排气孔排出空气,安装压 力表(压力表的量程和等级,视解除应变量级 大小而定)。
b) 在液压枕表面,涂一层黄油,便于试验后取出。

c) 调制水泥砂浆并灌入槽中,安装液压枕,并捣实 砂浆。
d) 砂浆宜养护7天,达到要求后,接通液压枕油路, 并检查各部件是否处于完好状态。

三 测试技术(续)
2 应力恢复法(续)

(4)加压恢复
a) 加压退压方法,一般采用大循环法。 压力等级为1.0-2.0 MPa,每次测试不得 少于6级。测试时,记录每一级压力下的 应变计读数。

b) 最大一级压力,使得应变计读数大 于解除结束时应变计稳定应变值。

第六节

工程实例

实例一 钻孔套心应力解除法岩体应力测量 三峡工程永久船闸开挖后,因开挖卸荷的影 响,船闸区的岩体应力场受到扰动,岩体应力 重新分布。为了解船闸区岩体应力状态的变化 情况,长江科学院于1999年8-10月在船闸南坡 3号排水洞(底板高程113m)进行了3个钻孔的 岩体应力测量。南坡3号排水洞与闸室边墙相距 约40m,ZK2钻孔位于永久船闸二闸室朝南与 排水洞相垂直的钻孔,仰角5°(以排除孔内积 水),方位角201°,其位置示意图如图6.6-1 所示。

图6.6-1 ZK2测孔位置示意图

岩体应力测量设备采用长江科学院自行研制的 CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计,属钻孔孔 壁应变计法的一种。这种应变计布设了等间距3个 应变丛,它们的极角θi =-90°,150°,30°,每个 应变丛布置4个应变片,它们的布置角随应变丛而 异,第1丛(θ1 = -90°),φ1j = 0°,45°,90°,120°,第2丛(θ2 = 150°),φ2j = 0°,45°,90°,90°,第3丛(θ3 =30°),φ3j = 45°,90°,90°,120°,以获取较理想的实测数 据。 以ZK2钻孔8.15m测深的ZK2-3测点为例,解 除应变全过程曲线如图6.6-2所示,解除应变观测 值列于表6.6-1。

图6.6-2 ZK2-3测点解除应变全过程曲线

表6.6-1 ZK2-3测点解除应变观测值(×10-6) ε1 136 ε2 82 ε3 159 ε4 145 ε5 85 ε6 168 ε7 131 ε8 ε9 ε10 122 ε11 104 ε12 149

129 124

由图6.6-2可知,解除应变全过程曲线,比较符 合理论和实测应变值变化规律。解除深度到达应 变丛粘贴部位(即深度25cm左右),实测的解除 应变观测值变化剧烈,在这之后应变观测值逐渐 趋于稳定,在这之前应变观测值因钻孔孔底应力 集中现象,使附*岩体压缩,应变观测值为负值, 在解除深度达15cm之前,应变观测值变化甚小。

由表6.6-1可知,θ2 =150°应变丛的2个 φ=90°的应变片测得比较一致的应变观测值 (ε7=131×10-6,ε8=129×10-6),同样,θ3=30° 应变丛的两个φ=90°的应变片,也测得比较一致 的应变观测值(ε10=122×10-6,ε11=104×10-6)。 这与理论结果相符合。

由此从图6.6-2和表6.6-1的原始资料分析可知, ZK2-3测点实测成果是可信赖的。

把解除应变观测值表6.6-1输入到数据处理的计

算机源程序进行计算,计算结果的输出资料列于
表6.6-2。表6.6-2有7条纵列,第1列表示所有12个

应变观测值参加统计计算的各项数据,第2列至第
7列分别表示舍弃残差较大的应变观测值后的各组 计算结果,得到最大和最小水*主应力及其方向 (SH、SI、AH),三个主应力量值(S1、S2、 S3),每个主应力的倾角和方位角(A1,B1, A2,B2,A3,B3)。

表6.6-2 ZK2-3测点实测资料整理成果表
0 0 0 DIS 0 0 0 RR R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 XX YY ZZ XY YZ ZX SH SI AH S1 S2 S3 A1 1.251 -1.290 0.666 -1.017 0.912 1.515 -0.123 -0.024 0.086 -0.964 0.110 1.100 -0.971 3.699 7.482 3.643 0.659 1.013 0.102 7.594 3.588 30.608 7.840 3.609 3.376 13.606 0 0 0 1.069 -0.379 1.044 -1.234 0.950 --0.221 -0.110 -0.000 -0.541 -0.030 0.960 -0.880 3.687 8.391 3.662 0.647 1.068 0.107 8.478 3.600 28.694 8.707 3.607 3.427 12.009 0 0 0 0.708 0.051 0.283 ---0.189 --0.446 -0.167 -0.057 -0.304 -0.094 0.896 -0.867 3.206 8.723 3.661 0.681 1.094 0.111 8.806 3.123 27.939 9.031 3.437 3.122 11.573 0 0 0 0.492 -0.091 0.236 ---0.157 --0.372 -0.148 -0.038 -0.084 0.437 ---0.527 3.258 8.616 3.766 0.692 1.067 0.050 8.704 3.170 28.240 8.924 3.564 3.152 11.668 12 0 0 0.158 -0.121 0.063 ---0.042 --0.100 -0.080 0.030 0.100 -0.050 ----3.221 8.587 3.647 0.742 0.914 0.121 8.688 3.120 28.733 8.851 3.483 3.120 10.051 12 1 0 0.078 --0.000 ---0.000 -----0.055 0.055 -0.00 -0.000 ----3.246 8.349 3.644 0.745 0.896 0.119 8.456 3.140 29.138 8.620 3.480 3.139 10.300 12 1 7 0.000 -------0.000 --0.000 ---0.000 ---0.000 ----3.240 8.367 3.635 0.747 0.905 0.112 8.474 3.133 29.126 8.640 3.470 3.132 10.323 5 0 0 5 3 0 5 3 11 5 3 11 5 3 11 5 3 11

B1
A2 B2 A3 B3

30.383
17.007 296.138 67.969 157.120

28.606
11.508 296.124 73.226 163.491

27.895
77.781 226.878 3.893 118.693

28.065
73.311 254.527 11.765 120.530

28.728
79.940 211.146 0.711 118.851

29.121
79.583 217.825 1.588 119.409

29.094
79.301 224.493 2.851 119.614

由表6.6-2可知,实测的ZK2-3测点应力状态各
项数据都非常接*,从此计算机资料处理结果说明

ZK2-3测点实测成果是可信赖的。应力实测成果,
6个岩体应力分量和3个主应力及其方向列于表6.63。
表6.6-3 ZK2-3测点岩体应力实测成果(应力单位:MPa,角度单位:°)
σx σy σz τxy τyz τzx

3.70
σ1 量值 7.84 倾角 13.6

7.48
方位角 30.4

3.64
σ2 量值 3.61 倾角 -17.0

0.66
方位角 116.1 量值 3.38

1.01
σ3 倾角 68.0

0.10
方位角 157.1

注:应力分量由船闸坐标系表达,轴x:111°,轴y:21°, 轴z:铅垂向上。

实测结果表明,大主应力为*似与船闸

轴线相垂直的*水*向应力,中主应力为*
似与船闸轴线相*行的*水*向应力,而小 主应力为*铅垂向应力,它的量值与上覆岩 体自重相当(测点上覆岩体厚120m,γH = 3.24MPa)。

实例二 水压致裂法岩体应力测量
水布垭水利枢纽位于湖北省巴东县水布垭镇 的清江中游河段上。地下厂房布置在右岸岩体 中,地下厂房轴线方位为115.5°,厂房顶高程

为237.9m,尾水管底板高程为164.1 m,开挖
总 高 度 为 73.8m , 主 厂 房 尺 寸 为 170 m×25 m×73.8m(长×宽×高),此次测孔布置在地 下厂房区12号勘探*洞洞深约300m处,布置水 *向、45°斜向和铅垂向的3个钻孔。

在水*和倾斜孔中均选择了4段测试段进行了 测试,每孔均获得了4段实测资料,在铅垂孔中选

择了7段测试段进行了测试,获得了6段实测资料。
根据压裂-时间曲线,每孔选择了2-3段印模段,各

测孔均获得2段破裂缝印模资料。其中铅垂钻孔第
五测段(36.02-37.22m)压裂循环曲线如图6.6-3 所示,破裂缝印模定向记录如图6.6-4所示,3个钻 孔获得的14个测段二维岩体应力实测数据如表6.64所示。

图6.6-3 铅垂钻孔第五测段(36.02-37.22m)压裂循环曲线

图6.6-4 铅垂钻孔第五测段(36.02-37.22m破裂缝印模定向记录

表6.6-4 水压致裂成果一览表
孔 号 孔深 (m) 4.71-5.91 水 * 孔 6.71-7.91 9.50-10.70 13.00-14.20 5.84-7.04 45° 斜 孔 10.35-11.55 16.11-17.31 21.46-22.66 6.94-8.14 15.09-16.29 垂 直 孔 17.23-18.43 21.21-22.41 36.02-37.22 38.00-39.20

压力参数(MPa)
Pb 6.83 5.33 7.66 8.33 3.16 5.00 4.66 3.16 2.77 2.16 4.31 7.24 3.23 4.16 Pr 5.55 3.83 5.66 6.33 2.17 4.33 4.27 2.78 2.46 1.85 3.49 6.01 2.77 4.00 Ps 3.62 2.83 3.37 3.66 1.62 2.32 2.58 2.05 1.49 1.49 2.16 3.39 2.16 3.08

应力值(MPa)
σA 5.31 4.66 4.46 4.66 2.71 2.63 3.47 3.39 2.00 2.62 3.00 4.16 3.70 5.24 σB 3.62 2.83 3.21 3.66 1.62 2.32 2.58 2.05 1.49 1.49 2.16 3.39 2.16 3.08

破裂缝方向 (垂直孔)

破裂缝产状 走向/倾向/倾 角
N46° E/SE/60°

N46° E/SE/70° N46° E/NW/60° N46° E/NW/70°

N76° E N80° E


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