CN105181199B - 一种地应力测试的旁孔应力解除法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地应力测试的旁孔应力解除法，先在所测试岩体上进行位于测试部位内竖向主孔的钻进；在主孔的底部进行底部测量孔和底部旁孔的钻进，并测量并记录相关径向变形数据；在主孔的侧壁上进行侧壁测量孔和侧壁旁孔的钻进，并测量并记录相关径向变形数据；最后处理上述测量并记录的数据，即可计算出所述测试位置的三维地应力值。本发明在旁孔应力解除过程中，回避了高应力下进行套芯应力解除过程中的饼化现象，同时，可以通过多个测量孔得到多组测量数据，进而计算获得准确、可靠的三维地应力测试结果。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体地指一种应用于测量高应力状态下深部岩体地应力的一种地应力测试的旁孔应力解除法。
背景技术
为了适应我国国民经济快速发展，在水利水电、交通、矿山等领域需要建设大量深埋长大隧洞(巷道)等工程，深埋高地应力导致高强度岩爆、大变形、塌方等重大工程灾害频发，造成大量人员伤亡和重大经济损失。初始高地应力是导致上述灾害以及影响不同类型灾害形成机制的最直接的控制因素。因此，准确测量出深埋高地应力条件下工程区的初始地应力是进行上述工程灾害风险合理评估、准确预测以及可靠防控的前提和关键。
地应力的实测工作起始于20世纪30年代。1932年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛水坝下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法，首次成功地进行了原岩应力的测量，从而开创了现场地应力测量的先河。经过数十年的发展，国内外已发展和应用的地应力测量方法比较多，大致可归纳为如下几类：水压致裂法(hydraulic fracturing method)，应力解除法(relief methods)，扁千斤顶法(flat jacking method)，应变恢复法(strainrecovery method)，钻孔崩落法(borehole breakout method)，差应变曲线分析法(differential strain curve analysis method)，钻进诱发张裂缝法(drilling inducedtensile fracture method)，声发射法(acoustic emission method)，以及地球物理方法等其他测试方法。在三维地应力测量方面，应用普遍的是水压致裂法和应力解除法。
水压致裂法存在必须事先假定地应力张量的一个主方向与钻孔轴向一致的局限，使该法在地质条件复杂地区应用时，其测量数据的科学性、可靠性是值得商榷的。在高应力条件下，套芯应力解除过程中常出现 岩芯饼化现象，难以获得所需的完整岩芯长度，成为制约套芯应力解除法在高地应力条件下成功应用的重大技术障碍。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种地应力测试的旁孔应力解除法，以满足和适应高应力地区的地应力测量。
本发明的技术方案为：一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于，它包括以下步骤：
1)、在测试现场进行主孔的钻进，钻至需要进行应力测试的岩体区域；
2)、在主孔的底部中心进行底部测量孔的钻进，冲洗底部测量孔，在底部测量孔中安放变形计，并记录底部测量孔中的变形计初始读数；
3)、进行位于主孔底部内、底部测量孔径向外侧的底部旁孔的钻进，记录底部旁孔的位置，并对底部测量孔进行应力解除，在应力解除过程中，测量并记录底部测量孔中变形计的变形量；
4)、在主孔的侧壁上进行一组侧壁测量孔的钻进，记录侧壁测量孔的位置，冲洗侧壁测量孔，在侧壁测量孔中安放变形计，并记录侧壁测量孔中变形计的初始读数；
5)、在钻进的侧壁测量孔径向外侧部钻进侧壁旁孔，对侧壁测量孔进行应力解除，记录侧壁旁孔位置，在解除过程中，测量并记录该组侧壁测量孔的径向变形；
6)、类似步骤4)、5)，在主孔侧壁上钻进另外两组侧壁测量孔与其相对应的侧壁旁孔，对各组侧壁测量孔进行应力解除，在解除过程中，测量并记录该组侧壁测量孔的径向变形；在测量主孔横截面上，三组侧壁测量孔互成120°；
7)、处理上述测量并记录的数据，并计算出所述测试位置的三维地应力值。
优选地，对底部测量孔进行应力解除的底部旁孔数量为1～4个，对每一个侧壁测量孔进行应力解除的侧壁旁孔数量为1～2个。
优选地，所述三个侧壁测量孔具有高度差。
进一步地，所述底部测量孔和底部旁孔通过地应力测试装置进行施工，所述地应力测试装置包括从上至下沿轴向依次设置的固定套筒、张紧套筒、驱动套筒和旋转套筒，所述固定套筒内设置驱动油缸，所述驱动油缸的输出端与活塞杆的一端连接，所述活塞杆沿轴向设置，所述活塞杆的另一端伸入到所述张紧套筒内；所述张紧套筒的筒壁外侧设置有一圈橡胶层，所述橡胶层与所述活塞杆通过对称设置的连杆连接，所述连杆的两端分别与所述橡胶层、活塞杆铰接；所述驱动套筒内沿轴向设置有其输出端做旋转运动的摆动缸，所述摆动缸的输出端设置在所述旋转套筒顶部中心处，所述旋转套筒内固定设置有钻孔机构、清洗机构和测试机构。
进一步地，所述张紧套筒的径向侧壁设有朝向内部的凹陷区，所述橡胶层的上、下两端分别与所述凹陷区的顶部和底部固定连接；所述连杆设置有4根，所述连杆以张紧套筒的中心轴呈伞状分布。
优选地，所述钻孔机构与测试机构以旋转套筒中心轴对称设置，所述清洗机构位于所述钻孔机构与测试机构连线的中垂线上。
进一步地，所述旋转套筒内沿径向设置有上隔板和下隔板，所述钻孔机构与测试机构的固定端位于所述旋转套筒顶部下表面，所述清洗机构的固定端位于所述下隔板下表面，所述上隔板和下隔板设置有被所述钻孔机构与测试机构穿过的通孔，所述钻孔机构、清洗机构和测试机构的工作端位于同一水平面。
更进一步地，所述钻孔机构包括沿轴线依次设置的第一伸缩油缸、旋转马达和钻头，所述第一伸缩油缸的固定端固定设置在所述旋转套筒顶部下表面，所述第一伸缩油缸的输出端与所述旋转马达的底座固定连接，所述旋转马达的输出端与所述钻头固定连接；所述清洗机构包括沿轴线依次设置的第二伸缩油缸和喷嘴，所述第二伸缩油缸的固定端固定设置在所述下隔板下表面，所述第二伸缩油缸的输出端与所述喷嘴固定连接；所述测试机构包括第三伸缩油缸和变形计，所述第三伸缩油缸的固定端固定设置在所述旋转套筒顶部下表面，所述第三伸缩油缸的输出端与所述变形计固定连接。
所述旋转套筒底部被支撑板密封，所述支撑板设置有被所述钻孔机构、 清洗机构和测试机构穿过的通孔，所述支撑板中心位置设置有探测器。
本发明在旁孔应力解除过程中，回避了高应力下进行套芯应力解除过程中的饼化现象，同时，可以通过多个测量孔得到多组测量数据，进而计算获得准确、可靠的三维地应力测试结果。
附图说明
图1为主孔底部内底部测量孔和底部旁孔的布置示意图；
图2为主孔侧壁上侧壁测量孔与侧壁旁孔的布置示意图；
图3为本发明中地应力测试装置的主视示意图；
图4为本发明中的地应力测试装置的侧视示意图；
图5为本发明中地应力测试装置的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明主要描述的是一种地应力测试的旁孔应力解除法，它具体包括以下步骤：
1)、参考图1，首先进行主孔1的钻进，钻进至需要进行应力测试的岩体区域；
2)、在主孔1的底部中心进行底部测量孔2的钻进，底部测量孔2的钻进采用口径为36mm的钻头，钻孔30cm深，将底部测量孔2冲洗干净后，通过变形计测量并记录底部测量孔2的径向变形，变形计可以采用36-2型环式传感器钻孔变形计或高灵敏度钢片式传感器钻孔变形计，变形计接在特制的定向器上，用钻杆缓慢送底部测量孔2内，控制一定的预压缩量，取出钻杆与定向器，记录各测点在底部测量孔2中的方向，将变形计的电缆线按规定的顺序接在电阻应变仪上，向底部测量孔2中冲水，每隔10min读数一次，连续三次读数相差不超过5με即视为变形计已经稳定；
3)、进行位于主孔1底部内、底部测量孔2径向外侧的底部旁孔3的钻进，记录底部旁孔3的位置，并对底部测量孔2进行应力解除，在应力解除过程中，测量并记录底部测量孔2的径向变形：在应力解除过程中，底部旁孔每钻进2cm时，记录下底部测量孔2中变形计各钢环的读数，到30cm前后若连续两次读数相差不超过5με确认为稳定，即可停钻；
4)、参考图2，在主孔1的侧壁上进行侧壁测量孔4的钻进，记录侧壁测量孔4的位置，侧壁测量孔4采用口径为36mm的钻头，钻孔30cm深，将侧壁测量孔4冲洗干净后，通过变形计测量并记录侧壁测量孔4的径向变形，变形计接在特制的定向器上，用钻杆缓慢送人侧壁测量孔4内，控制一定的预压缩量，取出钻杆与定向器，记录各测点在侧壁测量孔4中的方向，将变形计的电缆线按规定的顺序接在电阻应变仪上，向底部测量孔2中冲水，每隔10min读数一次，连续三次读数相差不超过5με即为稳定；在侧部测量孔4径向外侧部钻进侧壁旁孔5，对侧壁测量孔4进行应力解除，在解除过程中记录侧壁测量孔4的孔径变形：侧壁旁孔5每钻进2cm时，记录下侧壁测量孔4中各钢环的读数，到30cm前后若连续两次读数相差不超过5με确认为稳定，即可停钻；
5)类似步骤4)，在主孔侧壁上钻进另外两组侧壁测量孔4与其相对应的侧壁旁孔5，进行应力解除，获取测量数据，在主孔横截面上，三组侧壁测量孔4互成120°；三个侧壁测量孔4需具有一定高度差，以避免一组中的侧壁旁孔5影响附近其他组的侧壁测量孔4；
6)、处理上述测量并记录的数据，并计算出所述测试位置的三维地应力值。
步骤6)中，计算所述测试位置的三维地应力值的方法为：试验测定被测量岩体的弹性模量、泊松比、内摩擦角及粘聚力，根据岩体的力学特性可用FLAC建立围岩的弹塑性力学模型，数值模拟钻进旁孔解除过程，设定不同的地应力场得到被测量岩体的地应力值对应的测量孔变形数据，形成数值模拟样本，采用MATLAB神经网络学习数值模拟样本，建立被测量岩体的地应力值与测量孔变形数据之间的映射关系，再根据套芯应力解除过程中的测量孔实际测量变形数据采用智能搜索算法获得各个测量孔平面内的地应力值，进而计算出该测点的三维地应力值。
本发明中，底部测量孔2和侧壁测量孔4的数量3～4个为宜，而对每一个底部测量孔2进行应力解除的底部旁孔3数量1～4个为宜。
本发明在旁孔应力解除过程中，回避了高应力下进行套芯应力解除过程中的饼化现象，同时，可以通过多个测量孔得到多组测量数据，进 而计算获得准确、可靠的三维地应力测试结果。
应用举例：四川某水利工程由于初始应力值较大，常规套芯应力解除法测量常出现岩芯饼化现象，导致难以获得所需的完整岩芯，无法得到应力解除的可靠数据，采用本发明的旁孔应力解除法测量地应力，按本发明的方法测试，岩体为大理岩，试验测得大理岩的弹性模量为25.4GPa，泊松比为0.22，凝聚力为20.9MPa，摩擦角为22.4°，测量孔直径为36mm，解除庞孔直径36mm。前置套孔1钻至深度为6.7m处，按照本发明进行测试，测得孔底测量孔2的变形为0.0430mm、0.0590mm、0.0853mm、和0.0804mm；孔壁三个测量孔变形分别为0.0273mm、0.0419mm、0.0211mm和0.0355mm，0.0853mm、0.0120mm、0.0274mm和0.0713mm，0.0135mm、0.0457mm、0.0308mm和0.0263mm。用FLAC3D根据该工程围岩的力学参数建立摩尔库伦模型数值模拟小孔厚壁套芯应力解除过程，设定不同的地应力场得到岩体的地应力值对应的测量孔变形数据，形成模拟样本，采用MATLAB神经网络学习数值模拟样本，建立岩体的地应力值与各个测量孔变形数据之间的非线性映射关系，再根据套芯应力解除过程中的测量孔变形数据采用智能搜索算法获得该测点的最大主应力值为48.1MPa，次主应力为38.8MPa，最小主应力值为23.7MPa，符合该工程实际情况。
本发明中底部测量孔2和底部旁孔3通过地应力测试装置进行施工，参考图3及图4，该地应力测试装置包括从上至下沿轴向依次设置的固定套筒22、张紧套筒23、驱动套筒24和旋转套筒25：
在固定套筒22内设置驱动油缸26，驱动油缸26的输出端与活塞杆6的一端连接，活塞杆6沿轴向设置，活塞杆6的另一端伸入到张紧套筒23内；而张紧套筒23的筒壁设有朝向内部的凹陷区10，在凹陷区10内设有与其截面一致的橡胶层7，橡胶层7的上、下两端分别与凹陷区10的顶部和底部固定连接；橡胶层7与活塞杆6通过对称设置的连杆8连接，连杆8的两端分别与橡胶层7、活塞杆6铰接，连杆8设置有4根，连杆8以张紧套筒23的中心轴呈伞状分布。驱动油缸26工作，可推动活塞杆6，带动与活塞杆6相连的连杆8向下运动，使橡胶层7向外扩张，进而使橡 胶层7张紧孔壁，实现测试装置的固定。
而驱动套筒24内沿轴向设置有其输出端做旋转运动的摆动缸9，摆动缸9的输出端设置在旋转套筒25顶部中心处，旋转套筒25内固定设置有钻孔机构、清洗机构和测试机构。
本实施例的旋转套筒25内沿径向设置有上隔板11和下隔板12，钻孔机构与测试机构的固定端位于旋转套筒25顶部下表面，清洗机构的固定端位于下隔板12下表面，上隔板11和下隔板12设置有被钻孔机构与测试机构穿过的通孔，钻孔机构、清洗机构和测试机构的工作端位于同一水平面。
本实施例的钻孔机构、测试机构与清洗机构呈等腰三角形布置，具体为：钻孔机构、测试机构以旋转套筒25中心轴对称设置，清洗机构位于钻孔机构与测试机构连线的中垂线上。
本实施例的钻孔机构包括沿轴线依次设置的第一伸缩油缸13、旋转马达14和钻头15，第一伸缩油缸13的固定端固定设置在旋转套筒25顶部下表面，第一伸缩油缸13的输出端与旋转马达14的底座固定连接，旋转马达14的输出端与钻头15固定连接。在第一伸缩油缸13的竖向动力和旋转马达14的旋转动力共同驱动下，钻头15进行钻孔工作。
本实施例的清洗机构包括沿轴线依次设置的第二伸缩油缸16和喷嘴17，第二伸缩油缸16的固定端固定设置在下隔板12下表面，第二伸缩油缸16的输出端与喷嘴17固定连接。在第二伸缩油缸16的竖向动力驱动下，喷嘴17喷水，完成对由钻头钻出的孔进行清洗工作。
测试机构包括第三伸缩油缸18和变形计19，第三伸缩油缸18的固定端固定设置在旋转套筒25顶部下表面，第三伸缩油缸18的输出端与变形计19固定连接。在第三伸缩油缸18的竖向动力驱动下，变形计19可处于清洗后孔的不同位置，可测量并记录清洗后孔不同位置的变形数据。
本实施例旋转套筒25底部被支撑板20密封，支撑板20设置有被钻孔机构、清洗机构和测试机构穿过的通孔，支撑板20中心位置设置有探测器21，以进行可视化追踪。
本实施例的测试装置具有小型化、轻型化、智能化、系统化、设备 模块、实用性较强的特点，其工作原理为：
1、先将地应力测试装置运送至套钻孔底部(孔底已打磨平整)；
2、驱动油缸26工作，推动活塞杆6，连杆8向下运动，使橡胶层7向外扩张，进而使橡胶层7张紧孔壁，实现测试装置的固定；
3、钻头15由第一伸缩油缸13推动实现进给，并由及旋转马达14驱动钻头15转动，打下底部测量孔2，记录底部测量孔2的位置(如图5中工作位置一所示)；
4、摆动缸9工作，使旋转套筒25逆时针旋转90°，此时第二伸缩油缸16正对测量孔21，喷嘴17喷出压力水，清洗底部测量孔2(如图5中工作位置二所示)；
5、摆动缸9工作，使旋转套筒25再次逆时针旋转90°，此时地应力测试孔径变形计19正对底部测量孔2，第三伸缩油缸18推动变形计19，记录孔径变形计各测点在底部测量孔2中的径向变形数据(如图5中工作位置三所示)；
6、步骤5)的同时，钻头15在第一伸缩油缸13和旋转马达14驱动下，钻进底部旁孔3，以对底部测量孔2进行应力解除，获取孔径变形计数据(如图5中工作位置三所示)。
上述钻孔方式，具有操作简便，缩短测量时间，节约测量成本的特点，在高地应力地区进行地应力测量中，可提高地应力测试的成功率。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于，它包括以下步骤：
1)、在测试现场进行主孔(1)的钻进，钻至需要进行应力测试的岩体区域；
2)、在主孔(1)的底部中心进行底部测量孔(2)的钻进，冲洗底部测量孔(2)，在底部测量孔(2)中安放变形计，并记录底部测量孔(2)中的变形计初始读数；
3)、进行位于主孔(1)底部内、底部测量孔(2)径向外侧的底部旁孔(3)的钻进，记录底部旁孔(3)的位置，并对底部测量孔(2)进行应力解除，在应力解除过程中，测量并记录底部测量孔(2)中变形计的变形量；所述底部测量孔(2)和底部旁孔(3)通过地应力测试装置进行施工，所述地应力测试装置包括从上至下沿轴向依次设置的固定套筒(22)、张紧套筒(23)、驱动套筒(24)和旋转套筒(25)，所述固定套筒(22)内设置驱动油缸(26)，所述驱动油缸(26)的输出端与活塞杆(6)的一端连接，所述活塞杆(6)沿轴向设置，所述活塞杆(6)的另一端伸入到所述张紧套筒(23)内；所述张紧套筒(23)的筒壁外侧设置有一圈橡胶层(7)，所述橡胶层(7)与所述活塞杆(6)通过对称设置的连杆(8)连接，所述连杆(8)的两端分别与所述橡胶层(7)、活塞杆(6)铰接；所述驱动套筒(24)内沿轴向设置有其输出端做旋转运动的摆动缸(9)，所述摆动缸(9)的输出端设置在所述旋转套筒(25)顶部中心处，所述旋转套筒(25)内固定设置有钻孔机构、清洗机构和测试机构；
4)、在主孔(1)的侧壁上进行一组侧壁测量孔(4)的钻进，记录侧壁测量孔(4)的位置，冲洗侧壁测量孔(4)，在侧壁测量孔(4)中安放变形计，并记录侧壁测量孔(4)中变形计的初始读数；
5)、在钻进的侧壁测量孔(4)径向外侧部钻进侧壁旁孔(5)，对侧壁测量孔(4)进行应力解除，记录侧壁旁孔(5)位置，在解除过程中，测量并记录该组侧壁测量孔(4)的径向变形；
6)、类似步骤4)、5)，在主孔侧壁上钻进另外两组侧壁测量孔(4) 与其相对应的侧壁旁孔(5)，对各组侧壁测量孔(4)进行应力解除，在解除过程中，测量并记录该组侧壁测量孔(4)的径向变形；在测量主孔横截面上，三组侧壁测量孔(4)互成120°；
7)、处理上述测量并记录的数据，并计算出所述测试位置的三维地应力值。
2.根据权利要求1所述的一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于：对底部测量孔(2)进行应力解除的底部旁孔(3)数量为1～4个，对每一个侧壁测量孔(4)进行应力解除的侧壁旁孔(5)数量为1～2个。
3.根据权利要求1所述的一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于：所述三个侧壁测量孔(4)具有高度差。
4.根据权利要求1所述的一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于：所述张紧套筒(23)的径向侧壁设有朝向内部的凹陷区(10)，所述橡胶层(7)的上、下两端分别与所述凹陷区(10)的顶部和底部固定连接；所述连杆(8)设置有4根，所述连杆(8)以张紧套筒(23)的中心轴呈伞状分布。
5.根据权利要求1所述的一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于：所述钻孔机构与测试机构以旋转套筒(25)中心轴对称设置，所述清洗机构位于所述钻孔机构与测试机构连线的中垂线上。
6.根据权利要求5所述的一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于：所述旋转套筒(25)内沿径向设置有上隔板(11)和下隔板(12)，所述钻孔机构与测试机构的固定端位于所述旋转套筒(25)顶部下表面，所述清洗机构的固定端位于所述下隔板(12)下表面，所述上隔板(11)和下隔板(12)设置有被所述钻孔机构与测试机构穿过的通孔，所述钻孔机构、清洗机构和测试机构的工作端位于同一水平面。
7.根据权利要求6所述的一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于：所述钻孔机构包括沿轴线依次设置的第一伸缩油缸(13)、旋转马达(14)和钻头(15)，所述第一伸缩油缸(13)的固定端固定设置在所述旋转套筒(25)顶部下表面，所述第一伸缩油缸(13)的输出端与所 述旋转马达(14)的底座固定连接，所述旋转马达(14)的输出端与所述钻头(15)固定连接；所述清洗机构包括沿轴线依次设置的第二伸缩油缸(16)和喷嘴(17)，所述第二伸缩油缸(16)的固定端固定设置在所述下隔板(12)下表面，所述第二伸缩油缸(16)的输出端与所述喷嘴(17)固定连接；所述测试机构包括第三伸缩油缸(18)和变形计(19)，所述第三伸缩油缸(18)的固定端固定设置在所述旋转套筒(25)顶部下表面，所述第三伸缩油缸(18)的输出端与所述变形计(19)固定连接。
8.根据权利要求1、5或6所述的一种地应力测试的旁孔应力解除法，其特征在于：所述旋转套筒(25)底部被支撑板(20)密封，所述支撑板(20)设置有被所述钻孔机构、清洗机构和测试机构穿过的通孔，所述支撑板(20)中心位置设置有探测器(21)。
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