CN110618252A - 挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法及测试装置 - Google Patents

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CN110618252A CN201910924297.3A CN201910924297A CN110618252A CN 110618252 A CN110618252 A CN 110618252A CN 201910924297 A CN201910924297 A CN 201910924297A CN 110618252 A CN110618252 A CN 110618252A
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Abstract

本发明提出了一种挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法及测试装置，属于工程岩体稳定性检测技术领域，其包括弧形面板、多棱柱体、千斤顶、压力传感器、激光测距仪以及垫板；千斤顶是以多棱柱体为中心设置在多棱柱体的侧壁上并以多棱柱体中心为中心点沿径向向外延伸，千斤顶的伸缩端依次设置有压力传感器、垫板以及弧形面板。本发明的测试装置可以适应不同的地应力水平和变形等级的围岩状况，适用范围广，该装置结构简单，可以重复利用；本发明测试装置的各个方向的弧形面板互不影响，各个方向的应力准确性较高。

Description

挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法及测试装置
技术领域
本发明属于工程岩体稳定性检测技术领域，具体涉及一种挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法及测试装置。
背景技术
在未来的铁路建设过程中，不良地质问题突出，(1)沿途地处欧亚板块与印度洋板块碰撞隆升形成的板块缝合带，构造地质作用强烈，高地应力岩爆和大变形问题突出；(2)地处地中海-喜马拉雅地热带，热泉(水)沿深大断裂带出露，隧道高地热问题突出；(3)深大活动断裂密集发育，构造运动活跃，多条断裂带来高烈度地震及隧道断层大位移蠕滑问题，尤其全新世活动断裂对隧道影响最大。
随着隧道及地下工程的不断发展，越来越多的交通线路会涉及到隧道的修建。当在修建隧道时，对隧道选址处的岩体特别是构造活动较强烈及地形起伏复杂的地区的岩体地应力的测定就显得尤为关键。隧道具有结构安全要求高、轨道沉降精度控制高、社会关注度大和影响范围广等特点。而对于在构造活动较强烈及地形起伏复杂的地区，地质构造复杂、岩体风化破碎、新构造运动活跃、地震频发。在此类岩体环境下，岩体破碎严重，而传统的地应力测试方法对岩体的完整性要求较高，因此，发明一种对于破碎围岩地应力的测试装置与使用方法就显得格外重要。
目前主要测量方法有数十种之多，而对测量方法的分类没有统一的标准。针对测量的基本原理，可将测量方法分为间接测量和直接测量两大类。间接测量法是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，通过已知的公式，计算岩体中的应力值。常见的间接测量法包括：应力解除法、孔径变形法、孔壁应变法、空心包体法等。其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的、发展较为成熟的一种地应力测量方法。但是套孔应力解除法仅适用于矿山中的现有巷道和硐室，测量地点局限，运用上也存在一些技术上的困难。直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。扁千斤顶2法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致裂法是在目前应用最为广泛的方法。但是水压致裂法技术复杂，且是一种应力估算方法，测得的主应力方向不准，另外对岩体的完整性要求较高，对于岩体破碎地带，会因为岩体透水而使测量结果产生较大误差。
发明内容
为了克服现有技术中对破碎围岩地应力测试技术所存在的不足，本发明提供了一种挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法，通过简单的测试方法确定出挤压性围岩地应力和变形潜势判定，为支护结构等级和参数以及预留变形量等设计提供参考。
同时，本发明提供了一种可用于上述挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法的测试装置，设计结构简单、测试结果准确、制造成本较低。
本发明所采用的技术方案是：
一种挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法，其包括以下步骤：
(1)利用激光测距仪6测出沿钻孔径向延伸并顶在钻孔壁的千斤顶2的位移初始值，记为u0-0；
(2)放开千斤顶2，使千斤顶2自由变形，记录变形过程的位移值，记为u0，待孔径收缩变形结束，记录最大变形值u0-max和孔径收缩变形时间n，计算孔径的平均收缩速率v(mm/d)；
v＝1/n∑vi
vi为第i小时的变形速率；
(3)向千斤顶2加压使激光测距仪6读数恢复为位移初始值，记录该千斤顶2前方压力传感器3的读数，记为P；利用下式确定出地应力σi；
σi＝P/A
A为千斤顶2顶端作用在钻孔孔壁的接触面积；
(4)根据步骤(3)的地应力σi与测点处的自重应力σv之间的关系以及最大地应力σmax、最小地应力σmin，确定出该检测点处的构造应力系数I和地应力变异系数δ；
(5)重复步骤(1)-(4)计算出钻孔内多个检测点对应的构造应力系数I和地应力变异系数δ，取平均值，得到钻孔对应的平均构造应力系数和平均地应力变异系数，进而确定岩体所处的应力状态，判定岩体所处的地质构造运动激烈程度，以及岩体所处的应力环境；
(6)利用点荷载仪测定钻孔内岩体点荷载强度Is(50)，利用公式Rc＝22Is(50)求得岩体单轴抗压强度Rc；根据岩体的完整性系数KV与岩体单轴抗压强度Rc，确定出岩体强度值Rcm；
Rcm＝KVRc
(7)利用岩体强度应力比Gn与岩体强度Rcm、最大地应力σmax之间的关系确定出岩体强度应力比Gn；
(8)根据步骤(7)岩体强度应力比Gn的大小确定出挤压性围岩等级，进而确定出所配套支护结构等级；根据岩体强度应力比Rc/σmax与孔径极限收缩量umax/D确定出围岩挤出变形等级，进而确定出预留变形量；根据步骤(2)的钻孔孔径平均收缩速率v确定出钻孔的变形潜势等级，进而确定出支护方式。
进一步限定，所述步骤(8)中，当岩体强度应力比Gn≤0.15时，挤压性围岩等级为Ⅲ级；当0.2≥Gn>0.15时，挤压性围岩等级为Ⅱ级；当0.3≥Gn>0.2时，挤压性围岩等级为Ⅰ级；
当岩体强度应力比Rc/σmax＜0.2且umax/D>0.1时，围岩挤出变形等级为Ⅳ，挤出程度为严重；当0.2≤Rc/σmax＜0.4且0.05≤umax/D≤0.1时，围岩挤出变形等级为Ⅲ，挤出程度为中等；当0.4≤Rc/σmax＜0.7且0.01≤umax/D≤0.05时，围岩挤出变形等级为Ⅱ，挤出程度为轻度；当0.7≤Rc/σmax且umax/D≤0.01时，围岩挤出变形等级为Ⅰ，挤出程度为轻微；
当钻孔孔径平均收缩速率v>10时，围岩变形潜势等级为Ⅲ，具有强烈的变形潜势；当钻孔孔径平均收缩速率v为2～10时，围岩变形潜势等级为Ⅱ，具有中等变形潜势；当钻孔孔径平均收缩速率v<2时，围岩变形潜势等级为Ⅰ，属于正常变形潜势。
一种适用于上述的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法的测试装置，其包括弧形面板5、多棱柱体、千斤顶2、压力传感器3、激光测距仪6以及垫板4；所述千斤顶2是以多棱柱体为中心设置在多棱柱体的侧壁上并以多棱柱体中心为中心点沿径向向外延伸，所述千斤顶2的伸缩端依次设置有压力传感器3、垫板4以及弧形面板5；所述多个千斤顶2对应的弧形面板5在同一圆周上分布；所述激光测距仪6设置在千斤顶2的固定端侧壁上。
进一步限定，所述弧形面板5与钻孔壁贴合，且一个弧形面板5与相邻一个弧形面板5之间的间隙是10～40mm。
进一步限定，所述垫板4与压力传感器3连接的一侧是平面结构，与弧形面板5连接的一侧结构与弧形面板5相匹配。
进一步限定，所述垫板4与弧形面板5的接触面板占弧形面板5内表面积的1/2～2/3，能够分解弧形面板5与千斤顶2之间的点接触，降低应力分布。
进一步限定，所述多棱柱体为正多边棱柱体且棱数是偶数个，千斤顶2的个数与多棱柱体的侧面一一对应，且两对的两两千斤顶2在同一条直线上，保证相对的千斤顶2两端与岩体壁之间的作用力是相等的。
更进一步限定，所述多棱柱体是正六棱体，所述千斤顶2是以正六棱体为中心设置在正六棱体的侧壁上并以正六棱体中心为中心点沿径向向外延伸的6个，可以分别从0°、60°和120°的三个不同方向对岩体壁施加应力。
进一步限定，所述垫板4的厚度为0.4～1.8cm，弧形面板5的厚度为0.5～2cm。
本发明的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法是利用能够给钻孔施加压力的千斤顶2的自由变形量，测出钻孔变形过程的位移值和孔径的平均收缩速率，之后再向千斤顶2加压计算出地应力，确定出该检测点处的构造应力系数I和地应力变异系数δ；再结合钻孔内岩体点荷载强度Is(50)以及岩体的完整性系数KV与岩体单轴抗压强度Rc，进一步确定出岩体强度值Rcm、岩体强度应力比Gn，从而判定出挤压性围岩等级、围岩挤出变形等级以及钻孔的变形潜势等级等，与现有技术相比，其具有以下有益效果：
(1)本发明可以测得岩体各个方向的变形量和变形速率，进而判断岩体的变形等级和变形潜势等级；而且可以通过变形恢复的方式测得0°、60°和120°三个方向的应力，获得最大应力水平和最大应力的方向，进而判定岩体的构造应力水平和构造应力变异系数，为支护结构等级和参数以及预留变形量的设计提供参考。
(2)本发明不仅考虑到钻孔的横向应力变形，同时还测出了纵向的应力变形以及综合考虑了纵向应力变形对横向应力变形的影响，使测试和判定结果准确，适用性强，克服了套孔应力解除法的局限性，对岩体完整性要求不高；此外，由于本发明测试的各个方向的弧形面板互不影响，各个方向的应力准确性较高。
(3)本发明通过挤压性围岩等级、挤出变形等级和变形潜势等级综合确定岩体的变形潜势，还可以根据挤压性围岩等级、挤出变形等级和变形潜势等级为支护结构等级、预留变形量的确定提供参考。
(4)本发明的测试装置可以适应不同的地应力水平和变形等级的围岩状况，适用范围广。该装置结构简单，可以重复利用。
(5)本发明能够适用于多种地质环境，施工工艺简单、机理明确，成本较低，适用性广，是一种推广前景良好的测试方法。
附图说明
图1为本发明的实现挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法的测试装置。
图2为挤压性围岩地应力测试与变形潜势判定方法的流程图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
本发明的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法用测试装置，包括弧形面板5、多棱柱体、千斤顶2、压力传感器3、激光测距仪6以及垫板4；其中，多棱柱体以正多边棱柱体且棱数是偶数个为佳，千斤顶2是以多棱柱体为中心设置在空心的多棱柱体的侧壁上并以多棱柱体中心为中心点沿径向向外延伸，即千斤顶2的个数与多棱柱体的侧面一一对应，且两对的两两千斤顶2在同一条直线上。千斤顶2的伸缩端依次设置有压力传感器3、垫板4以及弧形面板5；所述多个千斤顶2对应的弧形面板5在直径为20～50cm的圆周上均匀分布；各弧形面板5与钻孔壁贴合，且一个弧形面板5与相邻一个弧形面板5之间的间隙是10～40mm。弧形面板5可由TC4的钛合金制成，平均壁厚为0.5～2cm，高度为10～40cm。垫板4也可由TC4的钛合金制成，垫板4的厚度为0.4～1.8cm，其与压力传感器3连接的一侧是平面结构，与弧形面板5连接的一侧是弧形面，具体结构与弧形面板5相匹配，垫板4与弧形面板5的接触面板占弧形面板5内表面积的1/2～2/3，使千斤顶2的压力能够均匀分布在钻孔孔壁上，且与钻孔之间形成面接触。激光测距仪6设置在千斤顶2的固定端侧壁上，且通过数据线与外侧监控计算机相连，用于检测千斤顶2的伸缩量或自由变形量。激光测距仪6采用FUWEI激光对射M18圆形光电传感器FJY18-100N，量程为5～10cm，精度为0.01mm，响应时间小于10ms。
进一步说明，千斤顶2可以采用超薄型液压千斤顶2，具体可以采用FPY型号，额定吨位为20～500t，油泵采用CP-180获CP700。
表1超薄型千斤顶参数表
本发明还提供了一种用上述测试装置实现的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法，其由以下步骤实现：
(1)利用激光测距仪6测出沿钻孔径向延伸并顶在钻孔壁的千斤顶2的位移初始值，记为u0-0；
(2)放开千斤顶2，使千斤顶2自由变形，记录变形过程的位移值，记为u0，待孔径收缩变形结束，记录最大变形值u0-max和孔径收缩变形时间n，计算孔径的平均收缩速率v(mm/d)；
v＝1/n∑vi
vi为第i小时的变形速率；
(3)向千斤顶2加压使激光测距仪6读数恢复为位移初始值，记录该千斤顶2前方压力传感器3的读数，记为P；利用下式确定出地应力σi；
σi＝P/A
A为千斤顶2顶端作用在钻孔孔壁的接触面积；
(4)根据步骤(3)的地应力σi与测点处的自重应力σv之间的关系以及最大地应力σmax、最小地应力σmin，确定出该检测点处的构造应力系数I和地应力变异系数δ；
(5)重复步骤(1)-(4)计算出钻孔内多个检测点对应的构造应力系数I和地应力变异系数δ，取平均值，得到钻孔对应的平均构造应力系数和平均地应力变异系数；通过构造应力水平、构造应力变异系数的判定确定岩体所处的应力状态，判定岩体所处的地质构造运动激烈程度，以及岩体所处的应力环境。
(6)利用点荷载仪测定钻孔内岩体点荷载强度Is(50)，利用公式Rc＝22Is(50)求得岩体单轴抗压强度Rc；根据岩体的完整性系数KV与岩体单轴抗压强度Rc，确定出岩体强度值Rcm；
Rcm＝KVRc
(7)利用岩体强度应力比Gn与岩体强度Rcm、最大地应力σmax之间的关系确定出岩体强度应力比Gn；
(8)根据步骤(7)岩体强度应力比Gn的大小确定出挤压性围岩等级，可以作为隧道支护结构刚度确定的依据，根据不同的挤压性围岩等级，设计不同的支护结构体系，确定出所配套支护结构等级；根据岩体强度应力比Rc/σmax与孔径极限收缩量umax/D确定出围岩挤出变形等级，挤出变形等级说明岩体应力全部释放后所需要的变形值，体现的是岩体的内能转变为势能的过程，可以基于该值确定隧道的预留变形量；根据步骤(2)的钻孔孔径平均收缩速率v确定出钻孔的变形潜势等级，进而确定出支护方式。
支护结构等级以及其对应的支护参数和预留变形量的确定参考《Q/CR9512—2019铁路挤压性围岩隧道技术规范》。
表2构造应力等级
分级 一般 较高 高
构造应力系数I 1～1.5 1.5～2.0 >2.0
地应力变异系数δ <0.25 0.25～0.75 >0.75
表3挤压性围岩等级
表4围岩挤出变形等级
分级 强度应力比R<sub>c</sub>/σ<sub>max</sub> 孔径极限收缩量u<sub>max</sub>/D 挤出程度
Ⅰ ＞0.7 ＜0.01 轻微
Ⅱ 0.4～0.7 0.01～0.05 轻度
Ⅲ 0.2～0.4 0.05～0.1 中等
Ⅳ ＜0.2 >0.1 严重
表5围岩变形潜势等级
分级 孔径平均收缩速率v<sub>平均</sub>(mm/d) 变形潜势等级
Ⅰ <2 正常
Ⅱ 2～10 中等
Ⅲ >10 强烈
实施例1
参见图1，本实施例的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法用测试装置，包括弧形面板5、正六棱柱体1、千斤顶2、压力传感器3、激光测距仪6以及垫板4；其中，千斤顶2是6个，分别以空心正六棱柱体1为中心设置在正六棱柱体1的侧壁上且中心轴与正六棱柱体1的侧壁垂直，千斤顶2的缸体固定端与正六棱柱体1固定、伸缩端以正六棱柱体1中心为中心点沿径向向外延伸。在千斤顶2的伸缩端依次设置有压力传感器3、垫板4以及弧形面板5；6个千斤顶2对应的弧形面板5在直径为30cm的圆周上均匀分布，即相对设置的两两在同一条直线上；弧形面板5与钻孔壁贴合，且相邻两个弧形面板5之间的间隙是30mm。弧形面板5可由材料为TC4的钛合金制成，壁厚为1cm，高度为30cm，垫板4与压力传感器3连接的一侧是平面结构，与弧形面板5连接的一侧为弧形面，其结构与弧形面板5相匹配，垫板4与弧形面板5的接触面板占弧形面板5内表面积的1/2，使千斤顶2的顶升压力能够通过垫板4、弧形面板5传递到钻孔孔壁上，且与钻孔形成面接触，压力分布均匀。激光测距仪6设置在千斤顶2的固定端侧壁上且通过数据线与外侧监控计算机相连，用于检测千斤顶2的伸缩量或自由变形量。
参见图2，利用上述测试装置实现的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法，由以下步骤实现：
(1)采用常规的岩体破碎带动态钻孔方法在隧道导洞或正洞侧墙进行钻孔。
(2)锁止液压油缸，将组合好的测试装置放入孔内；当钢环放入孔内时，将钻孔与压力环之间的缝隙以有机树脂灌注，保证两者之间的密贴；千斤顶2是6个均匀分布在钻孔的圆周内，即相对的两两在同一直线上分布，即相对的两个千斤顶2对钻孔的内壁的顶推力是相同的，因此，利用激光测距仪6测出在0°、60°、120°方向上沿钻孔径向延伸并顶在钻孔壁的千斤顶2的位移初始值，记为u0-0、u60-0、u120-0；
(3)放开液压千斤顶2，使千斤顶2可以自由变形，记录变形过程的位移值u0、u60、u120。待孔径收缩变形结束，记录最大变形值u0-max、u60-max、u120-max和孔径收缩变形时间n(单位：天)，计算孔径平均收缩速率v平均(mm/d)。
v平均＝1/n∑vi
vi为第i天的变形速率；选取0°、60°、120°三个方向中最大的孔径平均收缩速率，作为分析的v平均值(mm/d)。
(4)通过油泵向千斤顶2加压使激光测距仪6读数恢复为位移初始值，记录该千斤顶2前方压力传感器3的读数，记为Pi；假设弧形面板5后方地应力为均布力σi。弧形面板5与钻孔的接触面积为A，根据受力平衡，可获得地应力σi。
利用下式确定出地应力σi；
σi＝P/A
A为千斤顶2顶端作用在钻孔孔壁的接触面积；
(4)根据步骤(3)的地应力σi与测点处的岩体自重应力σv之间的关系以及最大地应力σmax、最小地应力σmin，确定出该检测点处的构造应力系数I和地应力变异系数δ；
σv＝γh
I＝σmax/σv；
γ是岩体的容重，N/m3；h是测点处的埋深；σv由岩体自重产生的竖向应力；σmax代表测点处的岩体构造应力最大值，σmin代表测点处的岩体构造应力最小值。
(5)重复步骤(1)-(4)计算出钻孔内多个检测点对应的构造应力系数I和地应力变异系数δ，取平均值，得到钻孔对应的平均构造应力系数I平均＝1/n∑Ii和平均地应力变异系数δ平均＝1/n∑δi；
(6)利用点荷载仪测定钻孔内岩体点荷载强度Is(50)，利用公式Rc＝22Is(50)求得岩体单轴抗压强度Rc；根据岩体的完整性系数KV与岩体单轴抗压强度Rc，确定出岩体强度值Rcm；
Rcm＝KVRc
(7)采用波动走时法测定出岩体中弹性波纵波波速，利用岩体强度应力比Gn与岩体强度Rcm、最大地应力σmax之间的关系确定出岩体强度应力比Gn；
Gn＝Rcm/σmax
Rcm＝KVRc＝(vpm/vpr)2
vpm为岩体中弹性波纵波波速；vpr为岩石中弹性波纵波波速。
(8)根据步骤(7)岩体强度应力比Gn的大小确定出挤压性围岩等级；根据岩体强度应力比Rc/σmax与孔径极限收缩量umax/D确定出围岩挤出变形等级；根据步骤(2)的钻孔孔径平均收缩速率v确定出钻孔的变形潜势等级，为支护结构等级和参数以及预留变形量的设计提供依据。
Gn＝Rcm/σmax＝0.25，Rc/σmax＝0.5，umax/D＝0.23，n＝0.89d，v＝1mm/d。
由此可以判定出，本实施例的隧道的挤压性围岩等级属于轻度，隧道支护结构等级为一级，喷射混凝土采用25-27cm厚C25混凝土，系统锚杆长度为4.0-6.0m，二次衬砌钢筋混凝土厚度45-50cm，预留变形量为10-20cm，变形潜势为正常。
实施例2
本实施例的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法用测试装置，包括弧形面板5、正六棱柱体1、千斤顶2、压力传感器3、激光测距仪6以及垫板4；其中，千斤顶2是6个，分别以空心正六棱柱体1为中心设置在正六棱柱体1的侧壁上且中心轴与正六棱柱体1的侧壁垂直，千斤顶2的缸体固定端与正六棱柱体1固定、伸缩端以正六棱柱体1中心为中心点沿径向向外延伸。在千斤顶2的伸缩端依次设置有压力传感器3、垫板4以及弧形面板5；6个千斤顶2对应的弧形面板5在直径为10cm的圆周上均匀分布；弧形面板5与钻孔壁贴合，且相邻两个弧形面板5之间的间隙是10mm。弧形面板5可由材料为TC4的钛合金制成，壁厚为0.5cm，高度为10cm，垫板4与压力传感器3连接的一侧是平面结构，与弧形面板5连接的一侧为弧形面，其结构与弧形面板5相匹配，垫板4与弧形面板5的接触面板占弧形面板5内表面积的1/2，使千斤顶2的顶升压力能够通过垫板4、弧形面板5传递到钻孔孔壁上，且与钻孔形成面接触，压力分布均匀。激光测距仪6设置在千斤顶2的固定端侧壁上且通过数据线与外侧监控计算机相连。激光测距仪6采用FUWEI激光对射M18圆形光电传感器FJY18-100N，量程为5cm，精度为0.01mm，响应时间小于10ms。
本实施例的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法与实施例1的相同。
实施例3
本实施例的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法用测试装置，包括弧形面板5、正五棱柱体、千斤顶2、压力传感器3、激光测距仪6以及垫板4；其中，千斤顶2是5个，分别以空心正五棱柱体为中心设置在正五棱柱体的侧壁上且中心轴与正五棱柱体的侧壁垂直，千斤顶2的缸体固定端与正五棱柱体固定、伸缩端以正五棱柱体中心为中心点沿径向向外延伸。在千斤顶2的伸缩端依次设置有压力传感器3、垫板4以及弧形面板5；5个千斤顶2对应的弧形面板5在直径为40cm的圆周上均匀分布；弧形面板5与钻孔壁贴合，且相邻两个弧形面板5之间的间隙是40mm。弧形面板5可由材料为TC4的钛合金制成，壁厚为2cm，高度为40cm，垫板4与压力传感器3连接的一侧是平面结构，与弧形面板5连接的一侧为弧形面，其结构与弧形面板5相匹配，垫板4与弧形面板5的接触面板占弧形面板5内表面积的2/3。激光测距仪6设置在千斤顶2的固定端侧壁上且通过数据线与外侧监控计算机相连，激光测距仪6采用FUWEI激光对射M18圆形光电传感器FJY18-100N，量程为10cm，精度为0.01mm，响应时间小于10ms。
本实施例的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法与实施例1的相同。

Claims (9)

1.挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用激光测距仪(6)测出沿钻孔径向延伸并顶在钻孔壁的千斤顶(2)的位移初始值，记为u0-0；
(2)放开千斤顶(2)，使千斤顶(2)自由变形，记录变形过程的位移值，记为u0，待孔径收缩变形结束，记录最大变形值u0-max和孔径收缩变形时间n，计算孔径的平均收缩速率v(mm/d)；
v＝1/n∑vi
vi为第i小时的变形速率；
(3)向千斤顶(2)加压使激光测距仪(6)读数恢复为位移初始值，记录该千斤顶(2)前方压力传感器(3)的读数，记为P；利用下式确定出地应力σi；
σi＝P/A
A为千斤顶(2)顶端作用在钻孔孔壁的接触面积；
(4)根据步骤(3)的地应力σi与测点处的自重应力σv之间的关系以及最大地应力σmax、最小地应力σmin，确定出该检测点处的构造应力系数I和地应力变异系数δ；
(5)重复步骤(1)-(4)计算出钻孔内多个检测点对应的构造应力系数I和地应力变异系数δ，取平均值，得到钻孔对应的平均构造应力系数和平均地应力变异系数，进而确定岩体所处的应力状态，判定岩体所处的地质构造运动激烈程度，以及岩体所处的应力环境；
(6)利用点荷载仪测定钻孔内岩体点荷载强度Is(50)，利用公式Rc＝22Is(50)求得岩体单轴抗压强度Rc；根据岩体的完整性系数KV与岩体单轴抗压强度Rc，确定出岩体强度值Rcm；
Rcm＝KVRc
(7)利用岩体强度应力比Gn与岩体强度Rcm、最大地应力σmax之间的关系确定出岩体强度应力比Gn；
(8)根据步骤(7)岩体强度应力比Gn的大小确定出挤压性围岩等级，进而确定出所配套支护结构等级；根据岩体强度应力比Rc/σmax与孔径极限收缩量umax/D确定出围岩挤出变形等级，进而确定出预留变形量；根据步骤(2)的钻孔孔径平均收缩速率v确定出钻孔的变形潜势等级，进而确定出支护方式。
2.根据权利要求1所述的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法，其特征在于，所述步骤(8)中，当岩体强度应力比Gn≤0.15时，挤压性围岩等级为Ⅲ级；当0.2≥Gn>0.15时，挤压性围岩等级为Ⅱ级；当0.3≥Gn>0.2时，挤压性围岩等级为Ⅰ级；
当岩体强度应力比Rc/σmax＜0.2且umax/D>0.1时，围岩挤出变形等级为Ⅳ，挤出程度为严重；当0.2≤Rc/σmax＜0.4且0.05≤umax/D≤0.1时，围岩挤出变形等级为Ⅲ，挤出程度为中等；当0.4≤Rc/σmax＜0.7且0.01≤umax/D≤0.05时，围岩挤出变形等级为Ⅱ，挤出程度为轻度；当0.7≤Rc/σmax且umax/D≤0.01时，围岩挤出变形等级为Ⅰ，挤出程度为轻微；
当钻孔孔径平均收缩速率v>10时，围岩变形潜势等级为Ⅲ，具有强烈的变形潜势；当钻孔孔径平均收缩速率v为2～10时，围岩变形潜势等级为Ⅱ，具有中等变形潜势；当钻孔孔径平均收缩速率v<2时，围岩变形潜势等级为Ⅰ，属于正常变形潜势。
3.一种适用于权利要求1所述的挤压性围岩地应力与变形潜势评价方法的测试装置，其特征在于，包括弧形面板(5)、多棱柱体、千斤顶(2)、压力传感器(3)、激光测距仪(6)以及垫板(4)；所述千斤顶(2)是以多棱柱体为中心设置在多棱柱体的侧壁上并以多棱柱体中心为中心点沿径向向外延伸，所述千斤顶(2)的伸缩端依次设置有压力传感器(3)、垫板(4)以及弧形面板(5)；所述多个千斤顶(2)对应的弧形面板(5)在同一圆周上分布；所述激光测距仪(6)设置在千斤顶(2)的固定端侧壁上。
4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述弧形面板(5)与钻孔壁贴合，且一个弧形面板(5)与相邻一个弧形面板(5)之间的间隙是10～40mm。
5.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述垫板(4)与压力传感器(3)连接的一侧是平面结构，与弧形面板(5)连接的一侧结构与弧形面板(5)相匹配。
6.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述垫板(4)与弧形面板(5)的接触面板占弧形面板(5)内表面积的1/2～2/3。
7.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述多棱柱体为正多边棱柱体且棱数是偶数个，千斤顶(2)的个数与多棱柱体的侧面一一对应，且两对的两两千斤顶(2)在同一条直线上。
8.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述多棱柱体是正六棱体，所述千斤顶(2)是以正六棱体为中心设置在正六棱体的侧壁上并以正六棱体中心为中心点沿径向向外延伸的6个，可以分别从0°、60°和120°的三个不同方向对岩体壁施加应力。
9.根据权利要求3～8任一项所述的测试装置，其特征在于，所述垫板(4)的厚度为0.4～1.8cm，弧形面板(5)的厚度为0.5～2cm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112858018A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 青岛海洋地质研究所 含水合物沉积物旁压蠕变试验装置及方法
CN112902883A (zh) * 2021-01-26 2021-06-04 中国矿业大学 一种岩石钻孔孔径变化的测量装置及方法
CN117007434A (zh) * 2023-10-07 2023-11-07 四川省华地建设工程有限责任公司 一种预钻式深部岩体力学变形试验仪及参数计算方法

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