CN106814407A - 基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法，步骤是：A、施工水平试验孔：对试验孔的孔底中心进行磨平；B、孔底应力解除作业：在已磨平的试验孔孔底安装四分量应变丛，得到不同方向的正应变变化值；C、局部壁面解除应力解除作业：在距离孔底的钻孔侧壁上选择一个局部壁面进行打磨处理，测量结束后就得到两组八个不同方向的孔壁正应变值；D、数据整理与分析：结合试验孔孔底和侧壁壁面的应力解除作业获得的不同方向的正应变变化值，获得测点的三维地应力状态。确保测点的地应力测量工作在相对较小的岩体范围内完成，避免因岩体性质的非均质性要素对测量结果的影响，提高了测试成果的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于岩土力学测量技术领域，更具体涉及一种用于确定地下岩层三维地应力的方法，它适用于地下洞室或巷道内的水平钻孔孔底和孔壁变形数据估算岩体初始三维地应力状态。
背景技术
岩石介质有别于其他材料的重要特性之一就是在其内部赋存有内应力，这主要是由岩体自重和地质历史上地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等多种因素导致的。地应力是对岩体中存在的内应力的统称，工程岩体的这种力学状态不仅是客观存在的，而且其大小和方向也是因地而异的。地应力测量与研究及其应用已遍及水利水电、矿业工程、油气资源开采、交通行业等诸领域内的岩石工程设计和稳定性评价工作，可以说，地应力是岩石力学与工程设计和计算分析必不可少的基本数据资料之一。国内外针对未受工程扰动区影响的原位初始地应力状态的测量方法及其相关测试技术的研究已有80余年的历史，在已提出的众多地应力测量方法中，在岩石力学与工程领域里尤以钻孔应力解除法的应用最为普遍，其测试技术发展得也相对比较成熟和完善。尽管如此，钻孔应力解除法地应力测量方法本身实际应用过程中仍然存在着一定的局限性，特别是在三维地应力测量方面尤为如此。
经对现有三维地应力测量方法及其测试技术的文献检索发现，刘允芳、尹健民、刘元坤、刘鸣等在2014年出版的《地应力测量方法和工程应用》(湖北科学技术出版社，89-93页)一书中给出了基于钻孔孔径变形测量法和钻孔孔底应变测量法为基础的三维地应力测量方法。无论是钻孔孔径变形测量法，还是钻孔孔底应变测量法，通过一个单一钻孔只能获得与钻孔轴线垂直的平面内的二维应力状态，要获得测点的三维地应力状态，就必须在测量点附近至少布置三个不同方向的钻孔，也就是通过三孔交汇法来确定测点的三维地应力状态。三孔交汇法可以采用孔口交汇，也可以采用孔底交汇。以钻孔孔底应变测量法为例，在地下巷道内的掌子面或边墙上向岩体内施工一水平试验孔，当试验孔的深度远离巷道围岩的扰动区域之外时，对试验孔的孔底中心进行磨平，然后在已磨平的试验孔孔底安装四分量应变丛，即每个应变片相间成45°分布，待粘贴在孔底的应变丛固结后，再沿原试验孔进行同心孔施工钻进，在此过程中可以通过与应变丛相连的应变仪连续记录试验孔孔底的应变变化情况，待孔底变形稳定后停止钻进作业，这样可以得到至少四个不同方向的正应变变化值；采用同样的方法，可以通过获得至少三个不同方向钻孔孔底的正应变变化值；由于各个不同方向的正应变变化值与测量点围岩远场六个地应力分量之间存在着确定的数学关系，按照前述的钻孔孔底应变测量方法可以获得至少六个独立的数学方程式，如果已知岩体的弹性模量和泊松比，就可以据此获得三维地应力张量的六个分量，因而也就确定了测量的三维地应力状态。根据前面所述的基于钻孔孔底应变测量法可知，要确定测点的三维地应力状态，就必须在测点附近采用三孔交汇法将各个试验孔的孔底应变值组合在一起进行综合分析来获得。一般来说，无论是采用孔底交汇或是孔口交汇，在现场实施地应力测量时，都很难保证三个试验孔的轴线完全交汇至一点，这样就必然会导致各个试验孔的孔底局部应变测量相对比较分散，从而给最终的测量结果带来较大的误差。特别是对于孔口交汇法而言，三个试验孔的孔底分散在较大的岩体区域，岩体性质的非均质性给最终的地应力张量计算结果带来误差更是难以避免。
发明内容
本发明的目的在于克服上述基于钻孔孔底应变测量，采用三孔交汇法确定测点三维地应力的不足之处，是在于提供了一种基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法，依据线弹性岩石力学理论，不仅钻孔孔底的局部变形(应变)与测点围岩远场三维地应力张量的六个分量之间存在着确定的数学关系，钻孔孔壁的局部变形(应变)也同样与测点围岩远场三维地应力张量的六个分量之间存在着确定的数学关系，通过测量孔底变形(应变)和孔壁变形(应变)获得至少六个以上的独立的正应变值，即可根据已知的钻孔孔底及孔壁上局部壁面的正应变与测点围岩远场三维地应力张量六个分量之间数学方程，得到不少于六个独立方程形成的线性方程组，据此求得测点的六个地应力分量，从而也就获得了测点的三维地应力状态。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法，其步骤是：
A、施工水平试验孔：在地下巷道内的掌子面或边墙上向岩体内施工一水平试验孔，试验孔孔径可选取为或当试验孔的深度远离巷道围岩的扰动区域之外时，对试验孔的孔底中心进行磨平；
B、孔底应力解除作业：在已磨平的试验孔孔底安装四分量应变丛，即每个应变片相间成45°分布，待粘贴在孔底的应变丛固结后，再沿原试验孔进行同心孔施工钻进对孔底的局部壁面进行应力解除作业，试验孔孔底的应力解除深度可以取试验孔直径的3-5倍。在此过程中可以通过与应变丛相连的应变仪连续记录试验孔孔底的应变变化情况，待孔底变形稳定后停止钻进作业，得到至少四个不同方向的正应变变化值；
C、局部壁面解除应力解除作业：在距离孔底300mm-500mm的钻孔侧壁上选择某一个局部壁面进行打磨处理，处理完毕后在该局部壁面上粘贴同样的四分量应变丛，局部壁面可选择为的圆形。待粘贴的应变丛固结后，采用取芯钻头绕已固化的应变丛沿孔壁径向进行环切钻进以对该局部壁面实施应力解除作业，钻取完整岩芯的长度约40-60mm即可达到完全应力解除，通过与应变丛相连的应变仪连续记录应力解除过程中的孔壁壁面正应变变化，待孔壁壁面变形稳定后停止环切钻进作业，这样也可以得到至少四个不同方向的正应变变化值。同时为了在测点附近获得较多的不同方向的正应变，可以在靠近试验孔孔底应变测量部位的侧壁上多布置1-2组应变丛，不同应变丛在钻孔轴线间的夹角为110°～130°。这样，当测量结束后就可得到两组八个不同方向的孔壁正应变值，再加上孔底应变测量值，可以进一步提高三维地应力的测量精度；
D、数据整理与分析：结合试验孔孔底和侧壁壁面的应力解除作业获得的不同方向的正应变变化值，可以由此得到不少于六个独立方程组成的线性方程组，只要已知测点附近岩石材料的弹性模量和泊松比，就可以通过最小二乘法求解得到测点的六个地应力分量，从而也就获得了测点的三维地应力状态。
与现有的通过测量孔底应变、采用三孔交汇法来确定测点三维地应力的方法相比，本发明克服了需要在多个不同方向的试验孔孔底进行独立变形测量，避免了在较大岩体区域内采用相对分散的变形测量值进行组合估算测点三维地应力状态的弊病。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、相较于现有方法需要至少三个钻孔来测量岩体三维地应力场，本方法基于单个钻孔变形就能测量岩体三维地应力场；
2、充分利用钻孔孔底应变测量法被解除岩芯较短、易于实施的优势；
3、充分应用了同一钻孔孔壁变形测量，选取的侧壁变形局部测量部位可以与测量孔底变形的部位比较接近，这样可以确保测点的地应力测量工作在相对较小的岩体范围内完成；
4、尽可能地避免因岩体性质的非均质性等要素对测量结果的影响，进一步提高了测试成果的可靠性。
附图说明
图1为一种基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法实施过程示意图。
其中：图a为一种地下巷道水平试验孔示意图
图b为一种孔底四分量应变丛正视图
图c为一种孔底四分量应变丛侧视图
图d为一种孔底应力解除示意图
图e为一种局部壁面四分量应变丛侧视图
图f为一种局部壁面应力解除示意图
其中1——地下巷道；2——掌子面；3——水平试验孔；4——孔底四分量应变从；5——局部壁面四分量应变从；6——局部壁面应力解除岩心；7——水平试验孔孔底；8——局部壁面。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法，其步骤是：
A、如图1(a)所示，在地下巷道1的掌子面2上施钻一水平试验孔3，水平试验孔直径可选取为当水平试验孔3的深度远离地下巷道1的围岩扰动区域之外时，对水平试验孔3的孔底7进行磨平作业。
B、四分量应变丛4的每个应变片相间成45°分布(如图1(b)A-A剖面所示)，粘贴四分量应变丛4的直径为的圆形。待粘贴在水平试验孔孔底7上的四分量应变丛4固结后，再沿原水平试验孔3的轴线进行同心孔施工钻进以对孔底7已粘贴四分量应变丛4的孔底面进行应力解除作业，试验孔孔底的应力解除深度为300mm。在此过程中可以通过与应变丛相连的应变仪连续记录试验孔孔底7的应变变化情况，待孔底变形稳定后停止钻进作业；
C、待试验孔孔底7的正应变测量结束后，在距离孔底300mm的钻孔侧壁局部壁面8附近选择某一局部壁面进行打磨处理，处理完毕后在该局部壁面8粘贴四分量应变丛5(应变丛5的布置形式同应变丛4，如图1(b)A-A剖面所示)，粘贴四分量应变丛5的直径为的圆形。待粘贴的四分量应变丛5固结后，采用取芯钻头围绕已固化的四分量应变丛5沿孔壁径向向围岩岩体内进行环切钻进以对已粘贴四分量应变丛5的局部壁面实施应力解除作业，钻取完整岩芯的长度约50mm。通过与四分量应变丛5相连的应变仪连续记录应力解除过程中的孔壁局部壁面正应变变化，待孔壁局部壁面变形稳定后停止环切钻进作业。在保证孔底应变测量可靠的前提下，可以在试验孔侧壁上布置2个局部壁面进行应力解除，两组组应变丛在钻孔轴线间的夹角为110°，这样可以获得至少8个以上的不同方向的正应变值，从而确保测量的精度和有效性。
D、结合水平试验孔3的孔底和侧壁壁面上的应力解除作业获得的不同方向的正应变变化值，可以由此得到不少于六个独立方程组成的线性方程组，只要已知测点附近岩石材料的弹性模量和泊松比，就可以通过最小二乘法求解得到测点的六个地应力分量，从而也就获得了测点的三维地应力状态。
申请者利用本地应力测试技术方法开展了试验，发现该方法测得的地下巷道处三维地应力状态与工程实际保持了较高的吻合度，较好地反映出地下巷道周围地应力特点以及演化规律，对于保障地下巷道施工安全以及指导地下巷道施工方案具有重要意义。
实施例2：
一种基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法，其步骤是：
A、如图1(a)所示，在地下巷道1的掌子面2上施钻一水平试验孔3，水平试验孔直径可选取为当水平试验孔3的深度远离地下巷道1的围岩扰动区域之外时，对水平试验孔3的孔底7进行磨平作业。
B、四分量应变丛4的每个应变片相间成45°分布(如图1(b)A-A剖面所示)，粘贴四分量应变丛4的直径为的圆形。待粘贴在水平试验孔孔底7上的四分量应变丛4固结后，再沿原水平试验孔3的轴线进行同心孔施工钻进以对孔底7已粘贴四分量应变丛4的孔底面进行应力解除作业，试验孔孔底的应力解除深度为400mm。在此过程中可以通过与应变丛相连的应变仪连续记录试验孔孔底7的应变变化情况，待孔底变形稳定后停止钻进作业；
C、待试验孔孔底7的正应变测量结束后，在距离孔底400mm的钻孔侧壁局部壁面8附近选择某一局部壁面进行打磨处理，处理完毕后在该局部壁面8粘贴四分量应变丛5(应变丛5的布置形式同应变丛4，如图1(b)A-A剖面所示)，粘贴四分量应变丛5的直径为的圆形。待粘贴的四分量应变丛5固结后，采用取芯钻头围绕已固化的四分量应变丛5沿孔壁径向向围岩岩体内进行环切钻进以对已粘贴四分量应变丛5的局部壁面实施应力解除作业，钻取完整岩芯的长度约60mm。通过与四分量应变丛5相连的应变仪连续记录应力解除过程中的孔壁局部壁面正应变变化，待孔壁局部壁面变形稳定后停止环切钻进作业。在保证孔底应变测量可靠的前提下，可以在试验孔侧壁上布置2个局部壁面进行应力解除，两组组应变丛在钻孔轴线间的夹角为120°，这样可以获得至少8个以上的不同方向的正应变值，从而确保测量的精度和有效性。
D、结合水平试验孔3的孔底和侧壁壁面上的应力解除作业获得的不同方向的正应变变化值，可以由此得到不少于六个独立方程组成的线性方程组，只要已知测点附近岩石材料的弹性模量和泊松比，就可以通过最小二乘法求解得到测点的六个地应力分量，从而也就获得了测点的三维地应力状态。
其它实施步骤与实施例1相同。
申请者利用本地应力测试技术方法开展了试验，发现该方法测得的地下巷道处三维地应力状态与工程实际保持了较高的吻合度，较好地反映出地下巷道周围地应力特点以及演化规律，对于保障地下巷道施工安全以及指导地下巷道施工方案具有重要意义。
Claims (1)
1.一种基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法，其步骤是：
A、施工水平试验孔：在地下巷道内的掌子面或边墙上向岩体内施工一水平试验孔，试验孔孔径选取或试验孔的深度远离巷道围岩的扰动区域之外，对试验孔的孔底中心进行磨平；
B、孔底应力解除作业：在已磨平的试验孔孔底安装四分量应变丛，每个应变片相间成45°分布，粘贴在孔底的应变丛固结后，再沿原试验孔进行同心孔施工钻进对孔底的局部壁面进行应力解除作业，试验孔孔底的应力解除深度取试验孔直径的3-5倍，通过与应变丛相连的应变仪连续记录试验孔孔底的应变变化，待孔底变形稳定后停止钻进作业，得到至少四个不同方向的正应变变化值；
C、局部壁面解除应力解除作业：在距离孔底300-500mm的钻孔侧壁上选择一个局部壁面进行打磨处理，处理完毕后在该局部壁面上粘贴同样的四分量应变丛，局部壁面选择为的圆形，待粘贴的应变丛固结后，采用取芯钻头绕已固化的应变丛沿孔壁径向进行环切钻进以对该局部壁面实施应力解除作业，钻取完整岩芯的长度40-60mm，通过与应变丛相连的应变仪连续记录应力解除过程中的孔壁壁面正应变变化，待孔壁壁面变形稳定后停止环切钻进作业，得到至少四个不同方向的正应变变化值，为了在测点获得不同方向的正应变，在试验孔孔底应变测量部位的侧壁上布置1-2组应变丛，不同应变丛在钻孔轴线间的夹角为110°～130°，测量结束后得到两组八个不同方向的孔壁正应变值，再加上孔底应变测量值，提高三维地应力的测量精度；
D、数据整理与分析：结合试验孔孔底和侧壁壁面的应力解除作业获得的不同方向的正应变变化值，得到不少于六个独立方程组成的线性方程组，已知测点岩石材料的弹性模量和泊松比，通过最小二乘法求解得到测点的六个地应力分量，获得了测点的三维地应力。
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