[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

说明书

本发明公开一种基于扁千斤顶测量确定岩体三维初始地应力的方法，属于地应力测量技术领域。首先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，选取可测试的6个测量点；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”；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；结合弹性力学计算测量点附近区域岩体的三维初始地应力分量。该方法将扁千斤顶测量方法在保证测量精度的情况下由一维拓展为三维，具有操作简单、经济、便于测量的特点。

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，尤其涉及一种基于扁千斤顶测量确定岩体三维初始地应力的方法。

背景技术

由于岩体自重和地质构造运动，岩体中存在着复杂的地应力场，而且地应力是引起地下工程变形和破坏的根本作用力。获得地下工程区域的初始地应力大小和方向对地下工程轴线的布置、开挖方式和选择合理的支护参数至关重要。

目前世界上已有的测量方法有很多种，根据其原理主要分为直接测量法和间接测量法。直接测量法是指通过直接测量获得相应的应力分量值；而间接测量主要根据岩石的变形，利用弹性力学公式算出岩体的初始应力。

目前国内外比较常用的地应力直接测量方法主要有水压致裂法、声发射法、扁千斤顶法。虽然目前地应力测量领域在技术和装备上已经取得了很大的进步，但是他们仍存在着局限性。水压致裂法是一种目前应用较为广泛的一种方法，从原理上讲，它是一种二维应力测量方法。采用水压致裂法进行测量时需要打较深的钻孔，操作复杂、测量费用较高，且假设主应力方向与钻孔方向平行，如果钻孔方向偏离主应力方向甚大，这样得出的结果在精度就会有很大问题。声发射法为了确定测点的三维应力状态，必须在该点的岩样中沿6个不同方向制备试件，每个方向需取试样4个以上，总试样数达24个以上，取样数量多且操作困难。

扁千斤顶法是测量岩壁表面应力的一种方法，也称岩体表面应力恢复法。该方法是国际岩石力学学会试验方法委员会确定岩石应力的建议方法之一。该方法具有操作简单；测量费用低；测试设备简单、耐用、稳定的特点。但从原理上讲它只是一种一维应力测量方法，一个扁槽的测量只能确定该测量点处垂直于扁千斤顶方向的法向应力分量。如果要确定该点的6个应力分量就需要在该点沿不同方向切割6个扁槽，这样可能会使得扁槽之间相互干扰造成误差过大，失去测量的意义。正是这个原因，导致扁千斤顶法不能在实际中广泛应用，无法充分发挥其操作简单、经济、便于测量的优点。因此，岩土工程领域亟需一种既廉价又简单适用的地应力测量方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于扁千斤顶测量确定岩体三维初始地应力的方法，该技术方案的流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：测量点选取；

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；

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，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，如图2所示，根据弹性力学新旧坐标系下的应力转换关系：

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；