[发明专利]一种基于扁千斤顶测量确定岩体三维初始地应力的方法

权利要求书

1.一种基于扁千斤顶测量确定岩体三维初始地应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：测量点选取；

步骤2：采用扁千斤顶法分别测得各个测量点的扁槽法向应力分量σ_θ”；

步骤3：通过岩石力学试验或地质报告确定测量点附近岩石的泊松比v；

步骤4：计算测量点附近区域岩体的三维初始地应力分量的过程如下：

步骤4-1：绕隧道轴线方向z轴旋转空间直角坐标系，使新旧坐标系之间夹角成θ度，根据弹性力学新旧坐标系下的应力转换关系：

σ(r,θ,z)＝Q_ij×σ(x,y,z)×Q_ij^T

其中，σ(r,θ,z)为柱坐标系下的应力分量矩阵；Q_ij为此时的新旧坐标系应力变换矩阵；σ(x,y,z)为空间直角坐标系下的应力分量矩阵；

通过公式计算得到τ_θz＝-sinθτ_zx+cosθτ_zy；

步骤4-2：绕隧道半径方向r轴旋转柱坐标系，使新旧坐标系之间夹角成α度，根据弹性力学新旧坐标系下的应力转换关系：

σ(r”,θ”,z”)＝Q_ij'×σ(r,θ,z)×Q_ij'^T

其中，σ(r”,θ”,z”)为新柱坐标系下隧道开挖后的扰动应力分量矩阵；Q_ij'为此时的新旧坐标系应力变换矩阵；σ(r,θ,z)为旧柱坐标系下隧道开挖后的扰动应力分量矩阵；

通过公式计算得到：σ_θ”＝cos²ασ_θ-sin2ατ_θz+sin²ασ_z'；

将步骤4-1得到的τ_θz代入公式得到：σ_θ”＝cos²ασ_θ+sin2α(sinθτ_zx-cosθτ_zy)+sin²ασ_z'；

步骤4-3：假设沿隧道轴线z方向上没有因开挖引起隧道变形，我们可以得到隧道附近σ_z的应力变化量为：

Δσ_z＝νΔ(σ_x+σ_y)＝ν[(σ_x'+σ_y')-(σ_x+σ_y)]

其中，Δσ_z为开挖导致的z方向的应力分量变化量；σ_x'和σ_y'为隧道开挖后的扰动应力分量；

根据第一应力不变量σ_y'+σ_x'＝σ_r+σ_θ，我们可以得到：

Δσ_z＝ν[(σ_r+σ_θ)-(σ_x+σ_y)]

σ_z'＝σ_z+Δσ_z＝σ_z+ν[(σ_r+σ_θ)-(σ_x+σ_y)]

其中，σ_z'为隧道开挖后的扰动应力分量；

将得到的σ_z'代入步骤4-2得到的σ_θ”公式中：

σ_θ”＝cos²ασ_θ+sin2α(sinθτ_zx-cosθτ_zy)+sin²α(σ_z+ν[(σ_r+σ_θ)-(σ_x+σ_y)])

步骤4-4：将现有的扁千斤顶法测隧道截面x-y平面初始地应力分量的理论计算公式为代入步骤4-3得到的σ_θ”公式中；

现有的扁千斤顶法测隧道截面x-y平面初始地应力分量的理论计算公式：

其中，σ_r为径向应力；σ_θ为切向应力；τ_rθ为剪应力；a为隧道半径；r为测量点距隧道圆心距离；θ为测量点与隧道水平面之间的逆时针旋转夹角；σ_x、σ_y和τ_xy为应力分量；

假设a＝r，将上述公式代入步骤4-3得到的σ_θ”公式中，得到：

σ_θ”＝Aσ_x+Bσ_y+Cσ_z+Dτ_xy+Eτ_zx+Fτ_zy

其中，σ_θ”为扁千斤顶法现场实测扁槽法向应力值；θ为测量点与隧道水平面之间的逆时针旋转夹角；α为扁槽与隧道轴线之间的顺时针旋转夹角；v为测量点附近岩石的泊松比；σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_zx和τ_zy为6个初始地应力分量；

步骤4-5：将权利要求2中所述的6个测量点的夹角θ、α；权利要求1中步骤3所述的测量点附近的岩石的泊松比v；权利要求1中步骤2所述的各个测量点的扁槽法向应力分量σ_θ”代入步骤4-4得到的公式中，最终计算得到6个初始地应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_zx和τ_zy。

2.根据权利要求1所述的一种基于扁千斤顶测量确定岩体三维初始地应力的方法，其特征在于，所述步骤1中测量点选取为在隧道岩壁上同一截面或者同一截面附近区域，通过调整测量点与隧道水平面之间的夹角θ及扁槽与隧道轴线之间的夹角α，选择6个不同的测量点，记为P₁～P₆。