CN116291410A - 一种单点多次应力解除原岩应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单点多次应力解除原岩应力测试方法，包括：S1.在待测地应力点位置获取直径为R_k的钻孔；S2.获取直径为R₀的钻孔，对R₀钻孔进行套孔应力解除，获取套孔应力解除中R₀钻孔的孔壁围岩的应力数据；其中，R₀钻孔位于R_k钻孔的底部并与R_k钻孔同心，R₀<R_k；S3.依次获取直径为R₁、R₂、……、R_k‑1的钻孔，重复S2，获取k次的应力数据；其中，R₀<R₁<……<R_k‑1<R_k；S4.基于应力数据，获取地应力测试结果，基于地应力测试结果，获取待测地应力点位置的地应力。本发明大大提高了单点地应力测试结果准确性，有效避免了各种因素导致的谬误结果，提高了单孔地应力测试利用率。

Description

一种单点多次应力解除原岩应力测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种单点多次应力解除原岩应力测试方法。

背景技术

原岩应力为存在于地壳中未受工程扰动的天然应力，其一般包含由覆盖岩石的重量引起的应力和由于地质运动产生的岩体相互挤压构造应力。在地下工程开挖建设过程中，原岩应力是引起围岩变形、破坏的根本作用力，是工程岩体整体稳定分析的前提和基础。原岩应力的大小和方向对地下工程整体规划、支护结构设计和施工工艺选择具有决定性的作用。为正确评价地下工程建设过程中的围岩稳定性、优化支护结构设计，必须采取有效的方法对工程范围岩体的原岩应力进行测试。空心包体套孔应力解除法基础理论完备，实施方便，是国内外常用的原岩应力测试方法，其基本原理是通过在未扰动区一小孔内黏贴安设包含多角度应变片的空心包体，然后在空心包体外套取与小孔同轴的钻孔，利用空心包体不同方位的应变变化量和岩石弹性参数计算钻孔坐标系下三维原岩应力分量，并根据需要将其转换至大地坐标系，进一步确定其主应力大小和方向。空心包体套孔应力解除法施工简单、精度较高，其在地应力测量中得到广泛应用。

尽管空心包体套孔应力解除原岩应力测试方法理论完备，但在具体实施过程中测试结果往往因钻孔地质条件、空心包体安装质量等客观因素导致失败。测试过程中要求应力解除段钻孔围岩具有良好的完整性，以确保解除后的厚壁圆筒岩芯不产生断裂；空心包体必须与小孔完全黏贴，以避免局部处于非接触状态影响包体内的应力分布进而导致错误的分析结果。吴继忠等(CN103075150B)提出了一种原孔位多次应力解除法的地应力测试方法，通过在同一钻孔不同深度(2～3m间隔)进行多次应力解除测试增强测试数据的科学性和真实性，探究原岩应力随孔深的变化规律。然而，同一钻孔在不同深度处的应力可能存在空间变异性，理论上讲不同钻孔深度位置的应力并非完全相同。另外，部分工程可用于安装空心包体的完整段沿深度方向有限，如部分煤矿顶板岩层厚度可能小于1m，空心包体仅可安设在顶板厚度方向中心位置，否则会因边界效应导致错误测量结果。因此，吴继忠提出的原孔位多次应力解除法在这类地层应力测试中不具备实施性，该方法存在一定的局限性。

因此，空心包体应力解除法在现场实施过程中往往由于钻孔潮湿、围岩局部破碎、空心包体与围岩不完全粘贴等技术问题导致测试结果最小二乘拟合误差大，测试数据可信度低，甚至因围岩局部裂隙导致厚壁圆筒断裂进而导致测试失败；部分指定位置的关键测点完整围岩范围有限，测试结果准确性难以保障。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种单点多次应力解除原岩应力测试方法，有效避免了各种因素导致的谬误结果，大大提高了单点原岩应力测试结果准确性和钻孔利用率。

为实现上述目的，本发明提供了一种单点多次应力解除原岩应力测试方法，包括：

S1.在待测地应力点位置获取直径为R_k的钻孔；

S2.获取直径为R₀的钻孔，对R₀钻孔进行套孔应力解除，获取套孔应力解除中所述R₀钻孔的孔壁围岩的应力数据；其中，所述R₀钻孔位于R_k钻孔的底部并与所述R_k钻孔同心，R₀<R_k；

S3.依次获取直径为R₁、R₂、……、R_k-1的钻孔，重复所述S2，获取k次的所述应力数据；其中，R₀<R₁<……<R_k-1<R_k；

S4.基于所述应力数据，获取地应力测试结果，基于所述地应力测试结果，获取所述待测地应力点位置的地应力大小与方向。

可选地，所述R₀钻孔，通过直径为R₁的钻孔进行套孔应力解除。

可选地，所述直径为R₁、R₂、……、R_k-1的钻孔，通过直径为R₂、R₃、……、R_k的钻孔进行套孔应力解除。

可选地，获取所述待测地应力点位置的地应力包括：

剔除所述地应力测试结果中的偏差值；

基于剔除偏差值后的所述地应力测试结果，构建地应力解超静定模型；

基于最小二乘法，对所述地应力解超静定模型求解，获取所述地应力。

可选地，所述地应力测试结果为：

式中，k为解除次数编号，i为应变花编号，j为应变片编号，ε_kij为应变片测得的应变变化量，θ_ki为应变花对应的极角，

为应变片的角度；K_jk为应变片的修正系数，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx均为钻孔坐标系下岩体的应力分量，ν_k为岩石的泊松比，为地应力测试结果。

可选地，所述地应力解超静定模型为：

式中，k为解除次数编号，s为观测值方程个数，A_k为地应力计算方程中的简化系数，ε_k为应变片的变形量，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx为钻孔坐标系下岩体的六个应力分量。

可选地，剔除所述地应力测试结果中的偏差值包括：

获取全部所述地应力测试结中应力分量的平均值；

将单次所述地应力测试结中应力分量与所述平均值进行比较，超出预设阈值的进行剔除。

可选地，所述预设阈值包括：单次所述地应力测试结中应力分量超出所述平均值的预设范围。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

(1)现有的套孔应力解除法仅根据某点单次套孔应力解除过程包体应变变化量计算原岩力，无法判断并排除因空心包体粘贴不牢、岩体含裂隙缺陷、岩体局部不均质等原因导致该点错误结果，本方法采用单点多次套孔原岩应力解除方法，可在同一点进行多次应力解除，并根据单次分析结果剔除明显偏差数据，对多次结果进行统一最小二乘方法获取该点的原岩应力，大大提高了单点地应力测试精度。

(2)对于围岩体普遍破碎、可用于开展应力解除测试范围有限的工程而言，该方法可在同一位置进行二次甚至多次应力解除，避免因首次测试失败导致钻孔报废无法使用。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的测孔布设示意图；

图2为本发明实施例的空心包体应力计示意图；

图3为本发明实施例的应力计算模型示意图；

其中，1、电缆；2、安装杆；3、密封圈；4、树脂材料；5、应变丛；6、出胶孔；7、密封圈；8、导向器；9、钻孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提供了一种单点多次应力解除原岩应力测试方法，包括：

S1.在待测原岩应力点位置钻设直径为R_k的钻孔；

S2.在上述钻孔底部钻取与大直径钻孔同轴的直径为R₀的钻孔，在该钻孔黏贴与其直径适配的空心包体，然后采用直径为R1的钻孔对包体进行套孔应力解除，获取套孔应力解除引起的空心包体应变变化量；其中，钻孔直径满足R₀<R₁<R_k；

S3.在上述完成原岩应力解除钻孔的基础上安设与直径R1适配的空心包体，然后采用直径为R2的钻孔对其进行原岩应力解除，获取套孔应力解除引起的空心包体应变变化量；

S4.重复所述S3，依次安设与上次解除钻孔直径适配的空心包体，并采用更大直径的套孔进行应力解除，累计获取k次的解除过程空心包体中应变片的应变变化量；其中，R₀<R₁<……<R_k-1<R_k；

S5.基于所述应变数据计算钻孔原岩应力，基于所述原岩应力计算结果，可进一步获取所述待测地应力点各坐标系下的原岩地应力大小和方向。

进一步地，所述R₀钻孔，通过直径为R₁的钻孔进行套孔应力解除。

进一步地，所述直径为R₁、R₂、……、R_k-1的钻孔，依次通过直径为R₂、R₃、……、R_k的钻孔进行套孔应力解除。

进一步地，获取所述待测点原岩应力包括：

剔除所述原岩应力测试结果中的偏差结果；

基于剔除偏差结果后的空心包体应变测试结果，构建原岩应力解超静定求解方程；

基于最小二乘法，计算上述原岩应力解超静定静定方程的法方程，进而获取所述原岩应力。

进一步地，剔除地应力测试结果中的偏差值包括：包括：

计算各单次解除获得原岩应力值，并计算所有解除获得的原岩应力各分量平均值；

将单次所述地应力测试结中应力分量与所述平均值进行比较，超出预设阈值的进行剔除。

进一步地，所述预设阈值包括：单次所述地应力测试结中应力分量超出所述平均值的预设范围。

本发明公开了一种单点多次应力解除原岩应力测试方法，首先，打设大孔至测点位置；其次，钻取同轴小孔，安设直径适配的空心包体，每个空心包体设置不少于3组应变花，每个应变花包含四个不同方向的应变片；然后采用更大直径空心钻头对包含空心包体的岩心进行套孔应力解除。在完成首次应力解除位置安设与当前内径适配的空心包体，并再次利用更大直径钻头进行应力解除，重复该过程直至最后解除厚壁圆筒岩芯直径与大孔直径相同。根据钻孔孔壁应力弹性解计算每次解除获得的原岩应力测试结果，剔除存在明显数据异常的测试结果，并采用最小二乘法对所有有效数据进行原岩应力计算。该方法大大提高了单点地应力测试结果准确性，有效避免了各种因素导致的谬误结果，提高了单孔地应力测试利用率。

实施例

本实施例提供了一种单点多次应力解除原岩应力测试方法，本实施例采用的基本构思为：

(1)钻取直径为R_k的大孔至待测原岩应力点位置，然后钻设一与大孔同轴的直径为R₀的小孔，并在孔内黏贴贴空心包体应变计；

(2)利用空心钻头套取与上述大孔同心，且直径为R₁(R_k>R₁>R₀)的厚壁圆筒岩芯，测试套孔应力解除前后空心包体各应变花中应变片的变化量；

(3)在直径为R₁的钻孔内黏贴与其直径适配的空心包体应变计，并套取与大孔同心、直径为R₂(R_k>R₂>R₁)的厚壁圆筒岩芯，测量套孔应力解除前后空心包体各应变片变化量；

(4)重复步骤3，每次采用比上次套孔直径更大的空心钻头进行应力解除，直至解除直径为R_k的厚壁圆筒岩芯。

(5)利用圆孔周边围岩应力弹性解计算每次应力解除对应的原岩应力值，通过对比分析剔除存在明显误差的测试结果，然后采用最小二乘方法求解所有有效解除对应的最优原岩应力解。

如图1-图3所示，本实施例所提出的一种单点多次应力解除原岩应力测试方法，具体步骤如下：

(1)打设大孔：于测量点位通过液压钻机与导向装置向岩体内部钻进大孔，测孔开孔深度至少为2～4倍的测试位置空间跨度或高度(图1所示)；待大孔钻进至指定位置，清理大孔内的杂物并在大孔底部钻取同心锥形孔，方便步骤(2)同心小孔的钻进。

(2)打设小孔：完成步骤(1)后在锥形孔处打设直径为R₀的小孔，钻孔深度不少于空心包体长度，清理并烘干小孔孔壁。

(3)安装空心包体应力计：利用含陀螺仪的专用工具将空心包体推送至小孔孔口，采用粘结剂(树脂材料)将空心包体与小孔围岩紧密粘贴，如图2所示，其中，1、电缆；2、安装杆；3、密封圈；4、树脂材料；5、应变丛；6、出胶孔；7、密封圈；8、导向器；9、钻孔。

所述空心包体应变计包含不少于3组应变花，每组应变花由4个不同方向的应变片组成。

(4)应力解除：取芯之前先接好应变计连线，确保粘结剂完全固化，数据采集与套孔应力解除同步进行，解除套孔钻头直径为R₁，钻进速度保持在10～20mm/min，测试解除过程中空心包体各应变片的变化量，待读数稳定后取出岩芯。

(5)重复步骤(3)～步骤(4)，每次安设空心包体的直径依次为R₁、R₂、……、R_k-1，对应的应力解除套孔直径为R₂、R₃、……、R_k，各钻孔直径关系为R₀<R₁<……<R_k-1<R_k，如图3所示。

所述厚壁圆筒壁厚不少于2cm，以确保每次套孔可取出完整厚壁圆筒岩心。

(6)通过弹模率定或常规单轴压缩试验测试测点位置围岩弹性模量和泊松比。

(7)根据圆孔孔壁围岩应力解计算每次地应力测试结果，具体计算公式为：

令：Eε_kij＝A_k1σ_x+A_k2σ_y+A_k3σ_z+A_k4τ_xy+A_k5τ_yz+A_k6τ_zx，则

式中，k为解除次数编号，i＝1～3是应变花编号；j＝1～4是应变片编号；ε_kij是应变片应变量；θ_ki是应变花极角(每次解除时应变花安装极角不能相同)；

是应变片角度，；K_jk是应变片修正系数，其中

n_k＝G₀/G_k

m_k＝R_0k/R_k

x₀＝3-4ν₀

x_k＝3-4ν_k

式中，R_0k为空心包体内半径；R_k为测量孔半径；G₀和G_k分别为包体材料和岩石的剪切模量；ν₀和ν_k分别为包体材料和岩石的泊松比；ρ为应变片在空心包体中的径向距离。

(8)对比分析k次地应力计算结果，剔除所有分析结果中地应力值存在明显谬误的数据

所述单次分析结果中地应力数据存在明显谬误是指某次解除数据原岩应力反演最小二乘拟合误差R²小于0.5。

(9)利用剔除明显谬误后的有效数据构建地应力解超静定方程，采用最小二乘法求解最优解，即为该点在钻孔坐标系下的真实地应力解，相应的超静定方程为：

式中：s为观测值方程个数，且s＝k′ij；k'为有效解除次数；i为单个空心包体应变花的数量；j为每个应变花包含不同方向应变片的数量。

(10)根据步骤(9)解得钻孔坐标系下岩体的六个应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx，把它们转换到大地坐标系中进行计算得到三个主应力的大小与方向。

以某次解除工作中实测数据为例，具体参数为：钻孔围岩弹性模量E＝25GPa、泊松比v＝0.159；包体材料E₀＝7.5GPa,泊松比v₀＝0.38。四次解除过程中空心包体半径分别为R₀₁＝10mm、R₀₂＝30mm、R₀₃＝50mm、R₀₄＝70mm，对应的解除钻孔半径分别为R₁＝30mm、R₂＝50mm、R₃＝70mm、R₄＝90mm，应变花极角和应变片角度分别见表1和表2所示。

表1应变花极角θ_ki

表2应变片角度

表3为多次应力解除过程中测得的应变，利用公式可通过计算得到如表4所示的六个应力分量，由于第四次解除时拟合系数R²明显小于其余三次解除时的拟合系数，故将第四次解除数据剔除并由其余三组数据进行地应力求解。

表5为基于本发明所提出的计算方法求解测得的测点处的六个地应力分量。

表3解除过程中所测得应变(με)

表3测点处地应力的六个应力分量(MPa)

应力分量	σx	σy	σz	τxy	τyz	τzx	R2
								第1次解除	9.955	8.854	5.807	-8.318	-1.384	0.794	0.9839
第2次解除	7.405	10.802	5.883	-3.292	-0.019	1.644	0.9966
								第3次解除	8.021	10.605	5.732	0.999	-0.661	-1.172	0.9776
第4次解除	-11.635	38.113	2.299	-44.520	-0.638	-2.683	0.4289

表4基于本发明计算方法所得的应力分量(MPa)

应力分量	σx	σy	σz	τxy	τyz	τzx	R2
								应力大小	9.5551	9.0691	5.7754	-2.4321	-1.1373	0.22	0.9375

相对于现有应力解除测试方法，本实施例具有如下改进与优势：

(1)本实施例基于圆形巷道周围应力分布特征和套孔应力解除法的测量原理，提出一种单点多次应力解除原岩应力测试方法。根据岩石线弹性理论，地应力作用下钻孔孔壁应变仅取决于钻孔方向，且与钻孔直径无关。在钻孔完成一次套孔应力解除后，在钻孔内安设与当前钻孔直径匹配的空心包体，并套取更大外径的厚壁圆筒，通过应力解除过程中孔壁(空心包体)应变的变化量和岩体弹性参数再次计算该点的地应力大小和方向。通过后续安设更大直径的空心包体可进行多次应力解除地应力测量，根据多次测量结果可进一步分析单次测试结果的准确性，通过剔除异常测试结果获得更加准确的地应力状态。

(2)现有的套孔应力解除法仅根据某点单次套孔应力解除过程孔壁应变计算原岩力，无法判断并排除因空心包体粘贴不牢、岩体含裂隙缺陷、岩体局部不均质等原因导致该点错误结果，本方法采用单点多次套孔应力解除方法，可在同一点进行多次应力解除，并根据单次分析结果剔除明显偏差数据，对多次结果进行统一最小二乘方法获取该点的地应力，大大提高了单点地应力测试精度。

(3)对于围岩体普遍破碎、可开展应力解除范围有限的工程而言，该方法可在首次解除失败的基础上进行二次甚至多次应力解除，避免因此测试失败导致该钻孔报废无法使用。

(4)该单点多次应力解除方法适用于不同时刻、受到临近施工等影响下围岩同一位置的应力测量及变化规律研究。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种单点多次应力解除原岩应力测试方法，其特征在于，包括：

S1.在待测地应力点位置获取直径为R_k的钻孔；

S2.获取直径为R₀的钻孔，对R₀钻孔进行套孔应力解除，获取套孔应力解除中所述R₀钻孔的孔壁围岩的应力数据；其中，所述R₀钻孔位于R_k钻孔的底部并与所述R_k钻孔同心，R₀<R_k；

S3.依次获取直径为R₁、R₂、……、R_k-1的钻孔，重复所述S2，获取k次的所述应力数据；其中，R₀<R₁<……<R_k-1<R_k；

S4.基于所述应力数据，获取地应力测试结果，基于所述地应力测试结果，获取所述待测地应力点位置的地应力大小与方向。

2.根据权利要求1所述的单点多次应力解除原岩应力测试方法，其特征在于，所述R₀钻孔，通过直径为R₁的钻孔进行套孔应力解除。

3.根据权利要求1所述的单点多次应力解除原岩应力测试方法，其特征在于，所述直径为R₁、R₂、……、R_k-1的钻孔，通过直径为R₂、R₃、……、R_k的钻孔进行套孔应力解除。

4.根据权利要求1所述的单点多次应力解除原岩应力测试方法，其特征在于，获取所述待测地应力点位置的地应力包括：

剔除所述地应力测试结果中的偏差值；

基于剔除偏差值后的所述地应力测试结果，构建地应力解超静定模型；

基于最小二乘法，对所述地应力解超静定模型求解，获取所述地应力。

5.根据权利要求1所述的单点多次应力解除原岩应力测试方法，其特征在于，所述地应力测试结果为：

式中，k为解除次数编号，i为应变花编号，j为应变片编号，ε_kij为应变片测得的应变变化量，θ_ki为应变花对应的极角，

为应变片的角度；K_jk为应变片的修正系数，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx均为钻孔坐标系下岩体的应力分量，ν_k为岩石的泊松比，为地应力测试结果。

6.根据权利要求4所述的单点多次应力解除原岩应力测试方法，其特征在于，所述地应力解超静定模型为：

式中，k为解除次数编号，s为观测值方程个数，A_k为地应力计算方程中的简化系数，ε_k为应变片的变形量，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx为钻孔坐标系下岩体的六个应力分量。

7.根据权利要求4所述的单点多次应力解除原岩应力测试方法，其特征在于，剔除所述地应力测试结果中的偏差值包括：

获取全部所述地应力测试结中应力分量的平均值；

将单次所述地应力测试结中应力分量与所述平均值进行比较，超出预设阈值的进行剔除。

8.根据权利要求7所述的单点多次应力解除原岩应力测试方法，其特征在于，所述预设阈值包括：单次所述地应力测试结中应力分量超出所述平均值的预设范围。

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