CN109374409A - 一种现场快速测量地应力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种现场快速测量地应力的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：钻取孔洞，根据波速对各孔洞进行分类；步骤2：配制膨胀水泥浆；步骤3：将压力传感器放入步骤1钻取的各个孔洞内并进行固定；步骤4：获取围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度σk；步骤5：获取围岩在有地应力影响下的岩体临界破碎压力；步骤6：获取垂直于裂缝面的最小水平主应力σ2；步骤7：完成地应力的现场快速测量。本发明所要解决的技术问题是提供一种现场快速测量地应力的方法，可以解决在野外施工现场无油压，无电压状态下无法测量地应力的问题，实现在施工现场快速地确定地应力大小和方向，提高了试验效率，节约了试验成本。

Description

一种现场快速测量地应力的方法
技术领域
本发明涉及土木工程测量技术领域，尤其是一种适用于岩体，土体等土木工程中现场快速测量地应力的方法。
背景技术
目前，我国主要利用应力解除法及水压致裂法测量地应力的大小和方向。
但在野外施工现场无油压，无电压状态下，上述方法操作繁琐，所以对于现场获取岩体地应力的方法便成为关键问题，目前却没有相应的方法解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种现场快速测量地应力的方法，可以解决在野外施工现场无油压，无电压状态下无法测量地应力的问题，实现在施工现场快速地确定地应力大小和方向，提高了试验效率，节约了试验成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种现场快速测量地应力的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在围岩高处垂直于坡面的区域，任意钻取多个直径为d和深度为h的孔洞，根据波速对各孔洞进行分类，选择n个岩性相同并且内壁完整无缝隙的孔洞做为高处试验孔洞并进行编号A1、A2、A3…An，n≥5；在围岩低处垂直于坡面的区域，任意钻取多个直径为d和深度为h的孔洞，根据波速对各孔洞进行分类，选择n个岩性相同并且内壁完整无缝隙的孔洞做为低处试验孔洞并进行编号B1、B2、B3…Bn，n≥5；
步骤2：根据孔洞的岩性在无地应力影响条件下的抗拉强度初步确定膨胀水泥浆中膨胀剂的添加范围，配制第1、2、3…N组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，N＝n≥5；
步骤3：将压力传感器放入步骤1选取的各个孔洞内并进行固定；
步骤4：向围岩高处试验孔洞A1、A2、A3…An，n≥5中分别注入第1、2、3…N组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，并用刚性圆盘固定架进行封口固定,封口完毕后立即测量，根据压力传感器对应记录不同编号孔洞压力数据，2～3天后卸掉刚性圆盘固定架，并观察孔内壁是否出现裂纹，并记录下不同编号孔洞的胀裂情况；
利用压力传感器得到的数据，绘制不同膨胀剂含量时围岩高处不同编号孔洞中应力-时间曲线图，找到应力突变点，该应力突变点对应的压力值即表征为围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度σk或者取其岩样，开展多组劈裂试验，获取围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度σk；
步骤5：向低处试验孔洞B1、B2、B3…Bn，n≥5中分别注入第1、2、3…N组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，利用压力传感器测得试验孔洞内环形拉应力q0，再根据弹性力学得到围岩在有地应力影响下的岩体临界破碎压力
式中，r-孔洞半径，R-地应力到孔洞中心的径向距离，q0-压力传感器测得试验孔洞内环形拉应力；
步骤6：将低处试验孔洞B1、B2、B3…Bn，n≥5上的刚性圆盘固定架拆除，将低处各试验孔洞内的膨胀锚固体敲碎并取出，然后将内窥镜深入低处各试验孔洞中找到裂缝位置，并将压力传感器伸入裂缝内且固定好，向各孔洞再次浇筑第1、2、3…N组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆并安装刚性圆盘固定架封口，根据压力传感器的压力数据得到的膨胀压力随时间的变化曲线，通过曲线上的突变点，得到围岩在有地应力影响下的压力值，此压力值即为垂直于裂缝面的最小水平主应力σ2；
步骤7：根据弹性力学及水压致裂法原理分析得出岩体临界破裂压力σm＝3σ2-σ1+σk，式中，σ2为步骤6得到的垂直于裂缝面的最小水平主应力，σm为步骤5得到的围岩在有地应力影响下的岩体临界破裂压力，σk为步骤4得到的围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度，
因此，地应力＝最大主应力σ1＝3σ2+σk-σm，同时观察裂纹情况，即可确定地应力的方向，即完成地应力的现场快速测量。
步骤3和步骤6中，固定压力传感器的方法为：将压力传感器贴在L型固定条上，并用隔温材料紧密包裹压力传感器，然后将包裹有压力传感器的L型固定条依次放入各孔洞内相应位置并固定好。
刚性圆盘固定架包括圆环轴杆，圆环轴杆的两端分别安装有刚性上圆盘和刚性下圆盘，刚性上圆盘通过多根带螺栓的螺纹钢筋与挡板连接。
外加剂优选为减水剂，其目的在于使膨胀水泥浆凝固后自身粘聚力降低，便于后期用重物击碎它。
步骤1中，在围岩高处及围岩低处钻取的孔洞采用垂直于围岩坡面开孔的方式，目的在于保证孔洞方向与围岩一组主应力平行，这样岩层中有一个主应力分量的方向和孔轴平行，可仅考虑其它两个主应力，将三维问题转为二维问题即平面问题，减小受力分析难度；在围岩高、低处的孔洞保持在同一水平线上，避免试验偶然误差；相邻孔洞的间距是l(l>0.5m)，避免相邻孔洞因水泥浆中膨胀剂的含量不同，产生干扰。
本发明提供的一种现场快速测量地应力的方法，有益效果如下：
1、通过膨胀水泥浆的自膨胀效应将岩体胀裂，通过压力传感器得知自膨胀力大小，替代传统方法的油压加载及电压控制，不需要传统方法的油压及电压，可解决在野外施工现场无油压，无电压状态下，现场无法获取岩体地应力的难题。
2、无需特定的试验设备，操作简便，在现场能快速获取地应力大小和方向，提高试验效率，节约试验成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明安装了压力传感器及刚性圆盘固定架的孔洞示意图；
图2为本发明压力传感器安装在L型固定架上的示意图；
图3为本发明刚性圆盘固定架的示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1-图3所示，一种现场快速测量地应力的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：选择一块稳定的岩质边坡，在围岩高处(围岩顶点至围岩顶点垂直向下1m的区域内)垂直于坡面的区域，任意钻取15个直径为50mm和深度为1.5m的孔洞，两孔间距1.5m，根据波速(使用声波仪)对各孔洞进行按岩性进行分类，选择5个岩性相同并且内壁完整无缝隙(使用内窥镜)的孔洞做为高处试验孔洞并进行编号A1、A2、A3、A4、A5；在围岩低处(地面至底面垂直向上1m的区域内)垂直于坡面的区域，任意钻取15个直径为50mm和深度为1.5m的孔洞，两孔间距1.5m，根据波速(使用声波仪)对各孔洞进行按岩性进行分类，选择5个岩性相同并且内壁完整无缝隙(使用内窥镜)的孔洞做为高处试验孔洞并进行编号B1、B2、B3、B4、B5；
步骤2：根据声波测试仪的波速判断孔洞岩体的岩性，依据当地地质报告及建筑边坡工程技术规范(GB 50330-2013)，大致判断该岩体抗拉强度范围，然后依据在无地应力影响条件下围岩的抗拉强度，初步确定膨胀水泥浆中膨胀剂的添加范围为水泥质量的10％～30％，以5％的增量逐级递增配制5组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，其中第1组膨胀水泥浆中膨胀剂的添加量为水泥质量的10％，第二组为15％，第三组为20％，第四组为25％，第五组为30％；
步骤3：将压力传感器8放入步骤1选取的10个孔洞内并进行固定；
步骤4：向围岩高处试验孔洞A1、A2、A3、A4、A5中分别注入第1、2、3、4、5组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，并用刚性圆盘固定架进行封口固定,封口完毕后立即测量，根据压力传感器8对应记录不同编号孔洞压力数据，2～3天后卸掉刚性圆盘固定架，并使用内窥镜伸入孔洞观察，孔内壁是否出现裂纹，并记录下不同编号孔洞的胀裂情况；
利用压力传感器8得到的数据，绘制膨胀剂含量为10％--30％时围岩高处不同编号孔洞中应力-时间曲线图，找到应力突变点，该应力突变点对应的压力值即表征为围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度σk；
步骤5：向围岩低处试验孔洞B1、B2、B3、B4、B5中分别注入第1、2、3、4、5组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，利用压力传感器8测得试验孔洞内环形拉应力q0，再根据弹性力学得到围岩在有地应力影响下的岩体临界破碎压力
式中，r-孔洞半径，R-地应力到孔洞中心的径向距离，q0-压力传感器测得试验孔洞内环形拉应力；
步骤6：将低处试验孔洞B1、B2、B3、B4、B5上的刚性圆盘固定架拆除，将低处各试验孔洞内的膨胀锚固体敲碎并取出，然后将内窥镜深入低处各试验孔洞中找到裂缝位置，并将压力传感器8伸入裂缝内且固定好，向各孔洞再次浇筑第1、2、3、4、5组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆并安装刚性圆盘固定架封口，根据压力传感器8得到的数据，绘制膨胀剂含量为10％--30％时围岩低处不同编号孔洞中应力-时间曲线图，找到应力突变点，得到围岩在有地应力影响下的压力值，此压力值即为垂直于裂缝面的最小水平主应力σ2；
步骤7：根据弹性力学及水压致裂法原理分析得出岩体临界破裂压力σm＝3σ2-σ1+σk，式中，σ2为步骤6得到的垂直于裂缝面的最小水平主应力，σm为步骤5得到的围岩在有地应力影响下的岩体临界破裂压力，σk为步骤4得到的围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度，
因此，地应力＝最大主应力σ1＝3σ2+σk-σm，同时观察裂纹情况，即可确定地应力的方向，即完成地应力的现场快速测量。
实施例二
如图1-图3所示，一种现场快速测量地应力的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：选择一块稳定的岩质边坡，在围岩高处(围岩顶点至围岩顶点垂直向下1m的区域内)垂直于坡面的区域，任意钻取15个直径为50mm和深度为1.5m的孔洞，两孔间距1.5m，根据波速(使用声波仪)对各孔洞进行按岩性进行分类，选择5个岩性相同并且内壁完整无缝隙(使用内窥镜)的孔洞做为高处试验孔洞并进行编号A1、A2、A3、A4、A5；在围岩低处(地面至底面垂直向上1m的区域内)垂直于坡面的区域，任意钻取15个直径为50mm和深度为1.5m的孔洞，两孔间距1.5m，根据波速(使用声波仪)对各孔洞进行按岩性进行分类，选择5个岩性相同并且内壁完整无缝隙(使用内窥镜)的孔洞做为高处试验孔洞并进行编号B1、B2、B3、B4、B5；
步骤2：根据声波测试仪的波速判断孔洞岩体的岩性，依据当地地质报告及建筑边坡工程技术规范(GB 50330-2013)，大致判断该岩体抗拉强度范围，然后依据在无地应力影响条件下围岩的抗拉强度，初步确定膨胀水泥浆中膨胀剂的添加范围为水泥质量的10％～30％，以5％的增量逐级递增配制5组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，其中第1组膨胀水泥浆中膨胀剂的添加量为水泥质量的10％，第二组为15％，第三组为20％，第四组为25％，第五组为30％；
步骤3：将压力传感器8放入步骤1选取的B1、B2、B3、B4、B5孔洞内并进行固定；
步骤4：取出围岩高处试验孔洞A1、A2、A3、A4、A5钻孔时取出的岩芯，在实验室内开展劈裂试验并取其平均值，得到围岩在无地应力影响下的抗拉强度σk；
步骤5：向围岩低处试验孔洞B1、B2、B3、B4、B5中分别注入第1、2、3、4、5组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，利用压力传感器8测得试验孔洞内环形拉应力q0，再根据弹性力学得到围岩在有地应力影响下的岩体临界破碎压力
式中，r-孔洞半径，R-地应力到孔洞中心的径向距离，q0-压力传感器测得试验孔洞内环形拉应力；
步骤6：将低处试验孔洞B1、B2、B3、B4、B5上的刚性圆盘固定架拆除，将低处各试验孔洞内的膨胀锚固体敲碎并取出，然后将内窥镜深入低处各试验孔洞中找到裂缝位置，并将压力传感器8伸入裂缝内且固定好，向各孔洞再次浇筑第1、2、3、4、5组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆并安装刚性圆盘固定架封口，根据压力传感器8得到的数据，绘制膨胀剂含量为10％-30％时围岩低处不同编号孔洞中应力-时间曲线图，找到应力突变点，得到围岩在有地应力影响下的压力值，此压力值即为垂直于裂缝面的最小水平主应力σ2；
步骤7：根据弹性力学及水压致裂法原理分析得出岩体临界破裂压力σm＝3σ2-σ1+σk，式中，σ2为步骤6得到的垂直于裂缝面的最小水平主应力，σm为步骤5得到的围岩在有地应力影响下的岩体临界破裂压力，σk为步骤4得到的围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度，
因此，地应力＝最大主应力σ1＝3σ2+σk-σm，同时观察裂纹情况，即可确定地应力的方向，即完成地应力的现场快速测量。
上述实施例一和实施例二中，步骤3和步骤6中，固定压力传感器8的方法为：将压力传感器8贴在L型固定条1上，并用隔温材料紧密包裹压力传感器，然后将包裹有压力传感器8的L型固定条1依次放入各孔洞内相应位置并固定好。
刚性圆盘固定架包括圆环轴杆3，圆环轴杆3的两端分别安装有刚性上圆盘4和刚性下圆盘2，刚性上圆盘4通过多根带螺栓5的螺纹钢筋7与挡板6连接。
步骤2中配制的膨胀水泥浆中还含有减水剂，减水剂的质量含量为水泥质量的5％。
步骤1中，在围岩高处及围岩低处钻取的孔洞采用垂直于围岩坡面开孔的方式，目的在于保证孔洞方向与围岩一组主应力平行，这样岩层中有一个主应力分量的方向和孔轴平行，可仅考虑其它两个主应力，将三维问题转为二维问题即平面问题，减小受力分析难度；在围岩高、低处的孔洞保持在同一水平线上，避免试验偶然误差；相邻孔洞的间距是l(l>0.5m)，避免相邻孔洞因水泥浆中膨胀剂的含量不同，产生干扰。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之一。

Claims (6)

1.一种现场快速测量地应力的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1：在围岩高处垂直于坡面的区域，任意钻取多个直径为d和深度为h的孔洞，根据波速对各孔洞进行分类，选择n个岩性相同并且内壁完整无缝隙的孔洞做为高处试验孔洞并进行编号A1、A2、A3…An，n≥5；在围岩低处垂直于坡面的区域，任意钻取多个直径为d和深度为h的孔洞，根据波速对各孔洞进行分类，选择n个岩性相同并且内壁完整无缝隙的孔洞做为低处试验孔洞并进行编号B1、B2、B3…Bn，n≥5；
步骤2：根据孔洞的岩性在无地应力影响条件下的抗拉强度初步确定膨胀水泥浆中膨胀剂的添加范围，配制第1、2、3…N组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，N＝n≥5；
步骤3：将压力传感器(8)放入步骤1选取的各个孔洞内并进行固定；
步骤4：向围岩高处试验孔洞A1、A2、A3…An，n≥5中分别注入第1、2、3…N组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，并用刚性圆盘固定架进行封口固定,封口完毕后立即测量，根据压力传感器(8)对应记录不同编号孔洞压力数据，2～3天后卸掉刚性圆盘固定架，并观察孔内壁是否出现裂纹，并记录下不同编号孔洞的胀裂情况；
利用压力传感器(8)得到的数据，绘制不同膨胀剂含量时围岩高处不同编号孔洞中应力-时间曲线图，找到应力突变点，该应力突变点对应的压力值即表征为围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度σk或者取其岩样，开展多组劈裂试验，获取围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度σk；
步骤5：向低处试验孔洞B1、B2、B3…Bn，n≥5中分别注入第1、2、3…N组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，利用压力传感器测得试验孔洞内环形拉应力q0，再根据弹性力学得到围岩在有地应力影响下的岩体临界破碎压力
式中，r-孔洞半径，R-地应力到孔洞中心的径向距离，q0-压力传感器测得试验孔洞内环形拉应力；
步骤6：将低处试验孔洞B1、B2、B3…Bn，n≥5上的刚性圆盘固定架拆除，将低处各试验孔洞内的膨胀锚固体敲碎并取出，然后将内窥镜深入低处各试验孔洞中找到裂缝位置，并将压力传感器(8)伸入裂缝内且固定好，向各孔洞再次浇筑第1、2、3…N组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆并安装刚性圆盘固定架封口，根据压力传感器的压力数据得到的膨胀压力随时间的变化曲线，通过曲线上的突变点，得到围岩在有地应力影响下的压力值，此压力值即为垂直于裂缝面的最小水平主应力σ2；
步骤7：根据弹性力学及水压致裂法原理分析得出岩体临界破裂压力σm＝3σ2-σ1+σk，式中，σ2为步骤6得到的垂直于裂缝面的最小水平主应力，σm为步骤5得到的围岩在有地应力影响下的岩体临界破裂压力，σk为步骤4得到的围岩在无地应力影响下的岩体抗拉强度，
因此，地应力＝最大主应力σ1＝3σ2+σk-σm，同时观察裂纹情况，即可确定地应力的方向，即完成地应力的现场快速测量。
2.根据权利要求1所述的一种现场快速测量地应力的方法，其特征在于步骤3和步骤6中，固定压力传感器(8)的方法为：将压力传感器(8)贴在L型固定条(1)上，并用隔温材料紧密包裹压力传感器，然后将包裹有压力传感器(8)的L型固定条(1)依次放入各孔洞内相应位置并固定好。
3.根据权利要求1所述的一种现场快速测量地应力的方法，其特征在于：刚性圆盘固定架包括圆环轴杆(3)，圆环轴杆(3)的两端分别安装有刚性上圆盘(4)和刚性下圆盘(2)，刚性上圆盘(4)通过多根带螺栓(5)的螺纹钢筋(7)与挡板(6)连接。
4.根据权利要求1所述的一种现场快速测量地应力的方法，其特征在于：步骤2中配制的膨胀水泥浆中还含有外加剂。
5.根据权利要求4所述的一种现场快速测量地应力的方法，其特征在于：外加剂为减水剂。
6.根据权利要求1所述的一种现场快速测量地应力的装置及方法，其特征在于：步骤1中，在围岩高处及围岩低处钻取的孔洞采用垂直于围岩坡面开孔的方式，相邻孔洞的间距是l，l＞0.5米。
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Assignee: Hubei Hongzhuo Architectural Design Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980043461

Denomination of invention: A Method for Quickly Measuring Ground Stress on Site

Granted publication date: 20201002

License type: Exclusive License

Record date: 20231019

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Assignee: Hubei Hongzhuo Architectural Design Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980043461

Date of cancellation: 20240402