CN1963423A - 洞壁应力测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道岩体应力的现场量测的洞壁应力测试方法及其装置，可使其测量结果更加准确可靠。该方法是使用同一岩芯和同一组测量应变花进行应力解除测量和应力恢复测量，其洞壁应力测试装置，包括上下对置的马鞍型压块，上下两块马鞍型压块上的圆弧槽对置形成的圆孔的大小与对其加载的岩芯的直径相适配，马鞍型压块上的圆弧槽的大小略小于半圆，上下两块马鞍型压块上的圆弧槽与岩芯之间设置有至少一层薄膜衬垫。此方法可最大限度的减小测量误差，还可利用监测应变花长期监测岩洞壁切向应力。该方法与传统方法相比，还具有操作简单、设备简单、成本低、测量准确可靠、适合于现场操作的优点，尤其适合于在隧道岩体应力的现场量测中应用。

Description

洞壁应力测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种测试方法及其测试装置，尤其是用于隧道岩体应力的现场量测的洞壁应力测试方法及其装置。

背景技术

岩体应力的现场量测包括岩体初始应力测试和洞室围岩的应力测试，其测试方法很多，目前常用的方法可分为两大类：即应力解除法和应力恢复法，其中应力解除法研究较为成熟，应用最广。应力恢复法常用于洞壁表面量测受开挖扰动的次生引力场。

对于隧道围岩洞壁的应力状态的测量，目前多采用单一的应力解除法或应力恢复法进行测量。由于应力解除法直接测量的是应变值，需要用应力应变关系才能换算出应力值，其测量的精度除了取决于测量本身外，还取决于弹性常数的选取和测量精度，因此其所得到的结果误差较大，只能起到参考的作用。

应力恢复法一般采用刻槽法，其基本原理是：在选定的测试点安装测量元件，然后在岩体中开挖一个扁槽埋设液压枕或千斤顶，对其加压，使测量元件的读数恢复到掏槽前的值，则液压枕或千斤顶的压力读数便是该方向上的岩体应力，其优点是可以不考虑岩体的应力一应变关系而直接得出岩体的地应力，其局限性在于：1、扁千斤顶法只是一种一维的应力测试方法，一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的压力分量；为了确定该测点的几个应力分量就必须在该点沿不同方向切割几个扁槽，这是不可能实现的，因为扁槽的相互重叠造成不同方向测量结果的相互干扰，使之变得毫无意义。2、如果应力恢复时，岩体的应力和应变关系与应力解除前并不完全相同，也必然影响测量的精度。

因此，由上可知，由于应力解除法或应力恢复法本身都具有一定的缺陷，其测量结果的误差较大。另外，由于目前的岩体应力的现场量测都是单独采用了应力解除法或应力恢复法，没有一种现场量测的方法是将应力解除法或应力恢复法同时采用，因而最终得到的测量的结果与实际情况相差较大，因此其测量的精度与实际情况不相符合，测量的精度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量结果更加准确可靠的洞壁应力测试方法及其装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：洞壁应力测试方法，包括以下步骤：

(1)应力解除法：

a、在洞壁岩石的测点上粘贴分别为测量应变花和监测应变花的两组电阻应变片，测量应变花用于现场测量，监测应变花用于监测应力状态随时间的变化；每组电阻应变片为三片，三片电阻应变片的粘贴方向分别为X方向、Z方向及其间45°方向，利用应变仪对测量应变花测量其X方向、Z方向及其间45°方向上的初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰，其中：X方向为沿洞壁轴线的水平方向，Z方向为沿洞壁的垂直方向；

b、钻取下测量应变花处的岩芯，利用应变仪对测量应变花分别测量其X方向、Z方向及其间45°方向上的应变值ε₀′、ε₄₅′、ε₉₀′，用应变值ε₀′、ε₄₅′、ε₉₀′与初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰相减，得到其应变差值Δε₀、Δε₄₅、Δε₉₀；

(2)应力恢复法：

将取下的测量应变花处的岩芯放置在上下对置的马鞍型压块的圆弧槽中，马鞍型压块的圆弧槽的大小与岩芯的直径相匹配，利用加载装置在马鞍型压块上分别对岩芯的测量应变花的三个应变片的轴向方向进行加载，加载到应变花各应变片的值恢复到对应的初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰，完成应力恢复，分别读取加载压力值F_X、F₄₅、F_Z，经下列计算可得到二次应力的三个方向应力分量：

σ_X＝α×F_X×S_P/A；σ_Z＝α×F_Z×S_P/A；σ₄₅＝α×F₄₅×S_P/A

式中，F_X、F_Z、F₄₅分别为应力恢复时加载装置的压力表读数，单位为MPa；S_P为加载装置的活塞面积，单位为cm²；α为压力等效系数；A为岩芯的截面面积，单位为cm²。

为方便起见，可利用现有的内径为50mm的手持式工程钻来钻取下测量应变花处的岩芯，因此岩芯的直径为50mm，其长度以50mm为宜。

经试验表明，压力等效系数的平均值为1.32。

由于在实际的应力恢复测试中没有考虑围压即岩心钻下前的原位侧压力的影响，为了使其得到的二次应力计算值更加精确，其二次应力的计算采用下列公式进行修正：

σ_X＝α×β×F_X×S_P/A；σ_Z＝α×β×F_Z×S_P/A；

σ₄₅＝α×β×F₄₅×S_P/A；

式中，β为围压影响系数。

经试验表明，围压影响系数与在围压作用下施加的载荷σ_V呈对数关系，围压为10MP_a时的围压影响系数为1.2106，围压为20MP_a时的围压影响系数为1.3043，围压为30MP_a时的围压影响系数为1.387。

为更好地达到长期监测的目的，监测应变花采用硅胶密封保护，其引线用高绝缘防水导线引出衬砌之外。

洞壁应力测试装置，其特征是：包括上下对置的马鞍型压块，上下两块马鞍型压块上的圆弧槽对置形成的圆孔的大小与对其加载的岩芯的直径相适配，马鞍型压块上的圆弧槽的弧长略小于半圆弧长，上下两块马鞍型压块上的圆弧槽与岩芯之间设置有至少一层薄膜衬垫，以保证应力分布均匀并减小摩擦对测量的影响。

进一步的是，所述薄膜衬垫采用聚四氟乙烯薄膜衬垫。

本发明的有益效果是：利用此方法，其应力解除测量、应力恢复测量、弹性常数测量等使用同一个岩芯和同一组应变花，最大限度的减小了测量误差，同时该方法毋需测定岩石的弹性模量便可计算出岩体的应力，且钻取单孔得到岩芯即可测定平面内多个方向的应力，方法简单实用、经济、易行，适合于现场操作。采用上下对置的马鞍型压块并衬以薄膜衬垫，作为岩芯进行应力恢复测量时的加载装置，可保证应力恢复测量的精度；在测量应变花旁配套布置监测应变花，使其在得到基础数据的同时，使围岩洞壁切向应力的长期监测成为可能。该方法与传统方法相比，还具有操作简单、设备简单、成本低、测量准确可靠的优点，尤其适合于在隧道岩体应力的现场量测中应用。

附图说明

图1是本发明在岩石的测点上粘贴测量应变花和监测应变花的示意图，图中示出了应变花中应变片的数量和粘贴方向。

图2是本发明中的岩芯放置在上下对置的马鞍型压块中的示意图，图中箭头为应力恢复时的载荷加载方向。

图3是本发明的测试和应力计算流程方框图。

图4是σ_V-σ_h变化关系图。

图5不同围压状态下的β-σ_V的变化关系图。

图中标记为：测量应变花1、监测应变花2、岩芯3、马鞍型压块4、马鞍型压块5、圆弧槽6、圆弧槽7、薄膜衬垫8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明的洞壁应力的测试方法，是使用同一岩芯3和同一组测量应变花1进行应力解除测量和应力恢复测量，同时还可完成岩石的弹性常如弹性模量E、泊松比μ的测量，这样就可最大限度的减小测量误差，其具体测量步骤如下：

(1)应力解除法：

a、在选定的洞壁岩石的测点上，按照常规的要求将测点处用切割机等切平，用砂纸等工具将其表面磨光，然后用蘸有丙酮的棉球清洗表面，这些都是粘贴应变片时对岩石表面的常规处理方式。岩石表面处理完毕后，在岩石的测点表面上粘贴分别为测量应变花1和监测应变花2的两组电阻应变片，测量应变花1用于现场测量，监测应变花2用于监测应力状态随时间的变化。每组电阻应变片为三片，三片电阻应变片的粘贴方向分别为沿X方向、Z方向及其间45°方向，粘贴应变片可采用502胶、环氧树脂胶等，粘贴时应挤出多余的胶液和粘接剂中的气泡，粘贴合格后，最好再在应变片和引线上涂上一层防潮胶，以减少水分对粘接剂强度、应变计工作性能的影响。固化后即可进行测量。为了进一步减少水分的影响，还可以在测量前用吹风机将应变片周围及其接线处吹干，待降温至隧道内的温度后，即可开始逐步进行测量应变花1的三个方向的应变量测。利用应变仪对测量应变花1测量，从而得到其X方向、Z方向及其间45°方向上的初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰。上述的X方向为沿洞壁轴线的水平方向，Z方向为沿洞壁的垂直方向。

b、待三个方向的初始应变值全部测量完毕后，用钻取具钻取下测量应变花1处的岩芯3，岩芯3的直径和长度可以根据实际条件和需要进行选取，通常情况下可以利用内径为50mm的手持式工程钻等工具，钻取下直径为50mm、长度为50mm的岩芯3。最好在在隧道内且在与步骤a中的初应变量测同样的温度、电压等条件下，利用应变仪对测量应变花1测量其X方向、Z方向及其间45°方向上的应变值ε₀′、ε₄₅′、ε₉₀′，用应变值ε₀′、ε₄₅′、ε₉₀′与初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰相减，得到应变差值Δε₀、Δε₄₅、Δε₉₀，完成应力解除后的应变量测。

(2)应力恢复法：

应力恢复法在洞壁应力测试装置上完成。将取下的测量应变花1处的岩芯3放置在上下对置的马鞍型压块4、5的圆弧槽6、7中，马鞍型压块4、5的圆弧槽6、7大小与岩芯3的直径相匹配，圆弧槽6、7的大小略小于半圆，上下两块马鞍型压块4、5上的圆弧槽6、7与岩芯3之间最好设置有至少一层薄膜衬垫8，这种薄膜衬垫8可以采用聚四氟乙烯薄膜衬垫等，使其岩芯3在马鞍型压块4、5的圆弧槽6、7中受力均匀且消除摩擦产生的切向应力。

利用加载装置在马鞍型压块(4)上分别对岩芯(3)的测量应变花(1)的三个应变片的轴向方向进行加载，加载到应变花(1)各应变片的值恢复到对应的初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰，完成应力恢复，分别读取加载压力值F_X、F₄₅、F_Z，经下列计算可得到二次应力的三个方向应力分量：

σ_X＝α×F_X×S_P/A；σ_Z＝α×F_Z×S_P/A；σ₄₅＝α×F₄₅×S_P/A

式中，F_X、F_Z、F₄₅分别为应力恢复时加载装置的压力表读数，单位为MPa；S_P为加载装置的活塞面积，单位为cm²；α为压力等效系数；A为岩芯的截面面积，单位为cm²。

压力等效系数α通过试验可以求得。例如在室内试验中，将上述取得的岩芯1分别沿轴向和平行截面的方向粘贴应变片，连接应变仪，在压力机上分别沿应变片的轴向方向加载，使其两个方向的微应变值相同的情况下，可分别得到轴向和径向的一系列分别为σ_V和σ_h的应力值，得到的试验结果是σ_V-σ_h呈线性关系，其回归方程为σ_V＝1.0613σ_h+7.9568，具有很好的规律性，从而求得压力等效系数的平均值为1.32，与实际情况相符，如图4所示。

在恢复测量过程中，读取应变随应力的变化还可以获得弹性模量和泊松比，用于应力解除的计算。

在上述的实际应力恢复测试中，没有考虑围压的影响，可以通过修正来使其最后的计算结果更精确，二次应力的计算采用下列公式进行修正：

σ_X＝α×β×F_X×S_P/A；σ_Z＝α×β×F_Z×S_P/A；

σ₄₅＝α×β×F₄₅×S_P/A；

式中，β为围压影响系数。

围压影响系数与在围压作用下施加的载荷σ_V呈对数关系，围压为10MP_a时的围压影响系数为1.2106，围压为20MP_a时的围压影响系数为1.3043，围压为30MP_a时的围压影响系数为1.387。在围压小于30MP_a时，围压影响系数在1.0～1.4之间，若围压较小，可忽略其影响，可以取β＝1；若围压在10MP_a～30MP_a之间，可通过查补运算得到较为精确的β值；若围压大于30MP_a，可通过外延的方法得到较为精确的β值，不过围压大于30MP_a的情况较少，其不同围压状态下的β-σ_V的变化关系如图5所示。上述的运算方法都是常规的运算方法，这里不再赘述。

为了确保能够更好的长期监测，监测应变花2采用硅胶密封保护，其引线用高绝缘防水导线引出衬砌之外。

经过试验表明，应力恢复结果与用单孔应力解除法测试的计算结果基本近似，与弹性力学公式理论计算的结果也基本相同，并且与观察到的围岩岩体变形破裂现象基本一致，证明了该方法的实用性和正确性。

上述的计算过程，可以通过编制专门的软件来进行原始数据的处理，经过计算后直接输出测点的应力状态参数，其程序框图如图3所示。

Claims (8)

1、洞壁应力测试方法，包括以下步骤：

(1)应力解除法：

a、在洞壁岩石的测点上粘贴分别为测量应变花(1)和监测应变花(2)的两组电阻应变片，测量应变花(1)用于现场测量，监测应变花(2)用于监测应力状态随时间的变化；每组电阻应变片为三片，三片电阻应变片的粘贴方向分别为X方向、Z方向及其间45°方向，利用应变仪对测量应变花(1)测量其X方向、Z方向及其间45°方向上的初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰，其中：X方向为沿洞壁轴线的水平方向，Z方向为沿洞壁的垂直方向；

b、钻取下测量应变花(1)处的岩芯(3)，利用应变仪对测量应变花(1)测量其X方向、Z方向及其间45°方向上的应变值ε₀′、ε₄₅′、ε₉₀′，用应变值ε₀′、ε₄₅′、ε₉₀′与初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰相减，得到应变差值Δε₀、Δε ₄₅、Δε₉₀；

(2)应力恢复法：

将取下的测量应变花(1)处的岩芯(3)放置在上下对置的马鞍型压块(4、5)的圆弧槽(6、7)中，马鞍型压块(4、5)的圆弧槽(6、7)的大小与岩芯(3)的直径相匹配，利用加载装置在马鞍型压块(4)上分别对岩芯(3)的测量应变花(1)的三个应变片的轴向方向进行加载，加载到应变花(1)各应变片的值恢复到对应的初应变值ε₀ ⁰、ε₄₅ ⁰、ε₉₀ ⁰，完成应力恢复，分别读取加载压力值F_X、F₄₅、F_Z，经下列计算可得到二次应力的三个方向应力分量：

σ_X＝α×F_X×S_P/A；σ_Z＝α×F_Z×S_P/A；σ₄₅＝α×F₄₅×S_P/A；

式中，F_X、F_Z、F₄₅分别为应力恢复时加载装置的压力表读数，单位为MPa；S_P为加载装置的活塞面积，单位为cm²；α为压力等效系数；A为岩芯的截面面积，单位为cm²。

2、如权利要求1所述的洞壁应力测试方法，其特征是：钻取下测量应变花(1)处的岩芯(3)的直径为50mm，长度为50mm。

3、如权利要求1所述的洞壁应力测试方法，其特征是：压力等效系数的平均值为1.32。

4、如权利要求1所述的洞壁应力测试方法，其特征是：二次应力的计算采用下列公式进行修正：

σ_X＝α×β×F_X×S_P/A；σ_Z＝α×β×F_Z×S_P/A；

式中，β为围压影响系数。

5、如权利要求4所述的洞壁应力测试方法，其特征是：围压影响系数与在围压作用下施加的载荷σ_v呈对数关系，围压为10MP_a时的围压影响系数为1.2106，围压为20MP_a时的围压影响系数为1.3043，围压为30MP_a时的围压影响系数为1.387。

6、如权利要求1所述的洞壁应力测试方法，其特征是：监测应变花(2)采用硅胶密封保护，其引线用高绝缘防水导线引出衬砌之外。

7、洞壁应力测试装置，其特征是：包括上下对置的马鞍型压块(4、5)，上下两块马鞍型压块(4、5)上的圆弧槽(6、7)对置形成的圆孔的大小与对其加载的岩芯(3)的直径相适配，圆弧槽(6、7)的弧长略小于半圆弧长，上下两块马鞍型压块(4、5)上的圆弧槽(6、7)与岩芯(3)之间设置有至少一层薄膜衬垫(8)。

8、如权利要求7所述的洞壁应力测试装置，其特征是：所述薄膜衬垫(8)为聚四氟乙烯薄膜衬垫。

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