[发明专利]一种地应力大小和方向的确定方法

权利要求书

1.一种地应力大小和方向的确定方法，其特征在于，包括应力采集和应力计算，所述应力采集包括以下步骤：

(a)在测量应力的环氧树脂空心包体上沿圆周方向设置三个应变花，相邻应变花的夹角为120°，每个应变花上有四个应变片，每个应变花上的应变片依次旋转45°设置；

(b)造孔：先用金刚石钻头开孔，钻进到预测孔深，再用钻头同心钻进测量孔，

(c)洗孔：测量孔钻进完毕，观察岩芯的完整情况，若岩芯较为完整，且无大的节理裂隙面，则用清水冲洗，清除测量孔中的岩粉；如果岩芯不符合测试要求，则用130mm套芯，重复上一步的工作；

(d)应力计的安装：空心包体定向送入测量孔内，让粘结剂充满应力计与岩石钻孔的空隙；

(e)应力解除：待粘结剂固化后，用金刚石钻头套钻解除，测试过程按解除深度采用应变仪记录解除过程的数据；

所述应力大小的计算方法如下：

式中：ε_ij——第i个应变花第j个应变片测得的解除应变值，i＝1～3，j＝1～4，

θ_i——第i个应变花对应的极角，

——第i个应变花第j个应变片对应的角度，

K_i——应变片的修正系数；

其中：

K1=d1(1-v1v2)(1-2v1+R12ρ2)+v1v2]]>

K2=(1-v1)d2ρ2+d3+v1d4ρ2+d5ρ4]]>

K3=d6(1+R12ρ2)]]>

d1=11-2v1+m2+n(1-m2)]]>

d2=12(1-n)m2(1-m2)R22D]]>

d3=1D[m4(4m2-3)(1-n)+x1+n]]]>

d4=-4R12D[m6(1-n)+x1+n]]]>

d5=3R12D[m4(1-n)+x1+n]]]>

d6=11+m2+n(1-m2)]]>

n=G1G2]]>

m=R1R2]]>

D=(1+x2n)[x1+n+(1-n)(3m2-6m4+4m6)]+(x1-x2n)m2[(1-n)m6+x1+n]]]>

x₁＝3-4v₁

x₂＝3-4v₂

R₁为空心包体内半径；R₂为测量孔的半径；G₁、G₂分别为包体材料环氧树脂和岩石的剪切模量；v₁、v₂分别为空心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。

2.根据权利要求1所述的一种地应力大小和方向的确定方法，其特征在于，所述应力值方程为12个观测值方程，解六个应力分量的未知量，利用最小二乘法原理，得到求解应力分量最佳值的正规方程组：

Σk=1nAk12Σk=1nAk1Ak2......Σk=1nAk1Ak6Σk=1nAk2Ak1Σk=1nAk22......Σk=1nAk2Ak6....................................Σk=1nAk6Ak1Σk=1nAk6Ak2......Σk=1nAk62σxσyσzτxyτyzτzx=EΣk=1nAk1ϵkΣk=1nAk2ϵk.........Σk=1nAk6ϵk]]>

由此解得由钻孔坐标系表达的岩体六个应力分量后，把它们转换到大地坐标系中去，再根据下式求解它的三个主应力：

σ1=2-p3cosω3+13J1]]>

σ2=2-p3cos(ω+2π3)+13J1]]>

σ3=2-p3cos(ω+4π3)+13J1]]>

式中：

ω=cos-1[-Q2/-(p3)3]]]>

p=-13J12+J2]]>

Q=-227J13+13J1J2-J3]]>

式中J₁、J₂和J₃为应力张量的第一、第二和第三不变量；

主应力方向由下式：

(σ_x-σ_i)l_i+τ_xym_i+τ_zxn_i＝0

τ_xyl_i+(σ_y-σ_i)m_i+τ_yzn_i＝O

τ_zxl_i+τ_yzm_i+(σ_z-σ_i)n_i＝0

其中任二式和方向余弦关系式：

li2+mi2+ni2=1]]>

联立解得，

主应力的倾角α_i和方位角β_i为：

α_i＝sin^-1n_i

βi=β0-sin-1mi1-ni2]]>

式中：β₀为大地坐标系X轴的方位角，如X轴为正北方向，则β₀＝O。