應(yīng)力解除法測試地應(yīng)力

1、應(yīng)力解除法測試地應(yīng)力應(yīng)力測試方法與原理1測試方法測試采用應(yīng)力解除法，測試系統(tǒng)構(gòu)成主要是 YJ H頃態(tài)電阻應(yīng)變儀和36-2 型四分向鋼環(huán)式鉆孔變形計（簡稱“變形計”），利用變形計測量巖體內(nèi)某點的空 間應(yīng)變大小和方向。安裝在鉆孔內(nèi)的探頭上粘貼有 4個薄壁鋼環(huán)（電阻應(yīng)變片）， 變形計是通過感應(yīng)元件的觸頭與鉆孔巖壁緊密接觸來接受孔徑變形訊號，由應(yīng)變計測量變形變化量，然后根據(jù)率定曲線換算為孔徑變形。此種測量法的突出特點是 感應(yīng)元件安裝在變形計的內(nèi)部，不與鉆孔巖壁直接接觸，因此變形計可在室內(nèi)預(yù) 先安裝、設(shè)定，不僅在現(xiàn)場操作簡便，可以重復(fù)使用，而且測量元件具有良好的 線性、穩(wěn)定性及防水性能。2測試原理套鉆孔

2、徑應(yīng)力解除法的應(yīng)力測量是建立在彈性理論的基礎(chǔ)上，而巖體為裂隙介質(zhì)，并非理想的彈性體，如果巖體完整或比較完整而應(yīng)力乂不太高時，巖體介質(zhì)可作線彈性體假設(shè)。測量時根據(jù)被鉆進切割的巖芯的彈性恢復(fù)（應(yīng)變或變形） 來計算地應(yīng)力大小和方向。變形計的結(jié)構(gòu)元件主要是貼有電阻片應(yīng)變計的圓鋼 環(huán)，4個圓鋼環(huán)放置在鋼環(huán)特制架上，4個鋼環(huán)分別呈45。夾角。試驗時每對鋼柱 塞觸頭，一端壓在鋼環(huán)上，另一端伸出元件的外套與小孔徑鉆孔孔壁緊密接觸， 鋼環(huán) 受力變形，通過解除巖芯前后的變形或應(yīng)變差值獲取文、晚、是、盈四個變形量，由此可以計算出巖體中鉆孔橫截面上平面主應(yīng)力大小和方向。3現(xiàn)場試驗1主要測試儀器設(shè)備及材料的配備 每個測

3、量斷面配置不少于5支9362型變形計；YJ-H4靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（附預(yù)調(diào)平衡箱）1套，16芯屏蔽電纜1500m惠斯登電橋1臺；鉆孔定向器1套；（5）應(yīng)變計率定架1套； 鉆機1部（含若十萬36mm萬130ramfi具及鉆頭）；水泵1臺；（8）鉆孔彈模率定器l套。在進駐測試現(xiàn)場前，除測試儀器、設(shè)備及材料配備齊全外，有關(guān)的測試儀器 必須進行計量鑒定，鑒定合格后才能進行測試；同時要對各個變形計上的鋼環(huán)進 行位移與應(yīng)變關(guān)系曲線率定。4測點布置及要求測點的位置如圖1所示。左洞掌子面里程ZK41+545右洞掌子面里程 YK41+567圖I 瀏點布M示意圖(1) 在左洞的左邊墻距離地面?zhèn)鹊貞?yīng)力；(2) 在右洞的

4、掌子面距離地面面前方的地應(yīng)力；(3) 在右洞的右邊墻距離地面?zhèn)鹊牡貞?yīng)力；(4) 根據(jù)業(yè)主的要求，在右洞lm高處布置測量鉆孔一個,lm高處布置測量鉆孔一個,lm高處布置測量鉆孔一個,編號為D,用丁測量靠山編號為C,用丁測量掌子編號為B,用丁測量靠山Y(jié)K41+40酎近右邊墻距離地面lm高處布置測量鉆孔一個，編號為A,用丁測量破壞區(qū)的應(yīng)力情況。對鉆孔(或測點)布置滿足規(guī)程對 試點布置要求如下： 測段內(nèi)及測段附近巖體完整或較完整，巖性均一: 本次測量巖體中某一點平面應(yīng)力； 鉆孔向上的傾斜角度應(yīng)不大丁 5C的水平孔。5現(xiàn)場測試步驟(1) 選定試點，安裝鉆機； 用直徑130mrmj鉆頭開孔，并鉆至測試部位

5、； 用直徑130ram的磨平兼錐形鉆頭，鉆出深度約56cM勺喇叭口(便丁小孔定位 和變形計安裝)； 用口徑為36m的鉆頭，鉆孔30cm®,并將小孔沖洗干凈；(5)變形計接在特制的定向器上，用鉆桿緩慢送人小孔內(nèi)，其變形計壓縮量控制在0. 2O. 4mrnt問；取出鉆桿與定向器，記錄各鋼環(huán)在鉆孔中的方向；(7) 將變形計的測量電纜線自解除鉆具中引出， 按規(guī)定的順序接在電阻應(yīng)變儀上；(8) 向鉆孔中沖水，每隔10min讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)相差不超過5pe即為穩(wěn)定， 方可開鉆解除；(9) 在解除過程中每鉆進2cnfl寸，記錄下各鋼環(huán)的讀數(shù)，到30cnifF后若連續(xù)兩次讀數(shù)不大丁士 5弘e確

6、認為穩(wěn)定，即可停鉆；(10) 取出鉆具和巖芯，該段試驗即告結(jié)束，下段試驗重復(fù)上述步驟。6現(xiàn)場測試段成果的判定現(xiàn)場地應(yīng)力的測試過程也就是應(yīng)力解除過程，一般判定某測試段成功與否，是看其應(yīng)力解除過程中是否滿足或接近解除深度 八與釋放應(yīng)變£典型曲線形式。11l e典型曲線可劃分為4個階段，如圖2所示，其中：I區(qū)：為無應(yīng)力影響區(qū)，應(yīng)力解除深度尚影響不到測量元件的變化。II區(qū)：為應(yīng)力集中區(qū)，由套鉆解除引起的孔底應(yīng)力集中。m區(qū)：為應(yīng)力釋放區(qū)，隨著應(yīng)力解除深度的增加，在第皿階段應(yīng)力集中所產(chǎn)生的附加應(yīng)變自行消失，解除應(yīng)變逐漸增大。附加應(yīng)變對取值并無影響，初始值仍按原坐標零點計算。IV區(qū)：應(yīng)變穩(wěn)定區(qū)。隨

7、著解除深度的增加，測點應(yīng)力達到完全解除，解除應(yīng)變趨丁穩(wěn)定。7成果整理鉆孔相關(guān)資料隧道現(xiàn)場地應(yīng)力測量鉆孔位置見圖3,鉆孔軸向方位角及傾角等見表1表l鉆孔相關(guān)資料一覽表鉆孔編碼鉆孔位置（m）鉆孔走向（。）鉆孔傾角（。）c-1c-2YK41+567ZK41+545NE45NE4555注：鉆孔方位角以啊為。，順時針轉(zhuǎn)動為正；試驗段上覆蓋巖層厚度約 600m2 解障深度與釋放成農(nóng)的關(guān)系曲碧圖3舉子面瀏鉆孔位宜示君圖8現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及成果鉆孔C一 1、C2測試數(shù)據(jù)見表1。9平面應(yīng)力計算測試所用變形計上的鋼環(huán)各互成45。，在解除時測得&、&、&、&,如果變形計 鋼環(huán)為o、45、

8、90三個方向測得的do八&5。、&90。，則可以計算垂直丁鉆孑L 平面的主應(yīng)力的大小和方向，其平面應(yīng)力計算公式為：02 )上 *42 L42O j-h* Oefcn*券判別式式中q一垂直 于?？?平面的最大和最小主應(yīng)力，km/cmJ ；«彘與«t之間夾角,當判別式小于。時，則為瓦與原之間夾角F-出一鉆孔直徑.cm#E巖石彈性模量，MPs缶 、喝0 45 90“三個方向的變形，lOTmm*10巖體常數(shù)選定及資料整理(1)巖石彈性常數(shù)的選定室內(nèi)彈模試件直徑為50mm高lOOmm根據(jù)重慶大學(xué)的室內(nèi)彈模試驗成果匯總和以往的試驗資料，彈模常數(shù)暫定為E=20GPa(2)

9、 數(shù)據(jù)整理分析根據(jù)前述數(shù)據(jù)與選定常數(shù)用編制計算程序進行計算，對共和隧道所在區(qū)段的地應(yīng) 力有如下初步認識：(1) 鉆孔C一 1的吼大小為21.80MPa傾角為-54 . 70"C(朝下);晚大小為16.4MPa 傾角為+35. 30C (朝上)；(2) 鉆孔C一2的吼大小為15. 68MPa傾角為-58 . 30'(3(朝下);哦大小為12. 29MPa 傾角為+31. 70C (朝上)；(3) 巖體應(yīng)力的大小會隨著彈性模量的最后確定而有一定的變化；隨著埋深的增加巖體應(yīng)力將會增加到27MP成更高。11小結(jié)(1) 從測量情況看，吼主要以巖體自重應(yīng)力為主，同時巖層傾斜對應(yīng)力值和傾角

10、 有一定影響；(2) 鉆孔應(yīng)力解除法能夠客觀地反映巖體內(nèi)部地應(yīng)力。通過地應(yīng)力測量較為真實 地反映了共和隧道地應(yīng)力的基本情況；為設(shè)計調(diào)整支護參數(shù)和指導(dǎo)現(xiàn)場施工提 供了有力的依據(jù)。孔壁應(yīng)變法1)、基本原理孔壁應(yīng)變法是借助粘貼在鉆孔孔壁上的電阻應(yīng)變片測量套孔應(yīng)力解除前后孔壁表面應(yīng)變變化，根據(jù)彈性理論計算巖體中一點的三向應(yīng)力。 目前國內(nèi)廣泛使 用的有三義式應(yīng)變計法和空心包體式應(yīng)變計法兩種?？妆趹?yīng)變法的傳感器的布置，如下圖：2）、儀器設(shè)備孔壁應(yīng)變測量法所采用的應(yīng)變計，目前常用的有兩種形式。一種是一般的鉆孔三向應(yīng)變計，它是把測量元件電阻絲應(yīng)變片直接粘貼在鉆 孔的巖壁上。這種形式的應(yīng)變計包括適合在底下石同室

11、測量的淺鉆孔三向應(yīng)變計和 適合在地面測量的深鉆孔水下三向應(yīng)變計， 這兩種應(yīng)變計測量精度高，但操作復(fù) 雜，對被測巖體完整性要求高，測量成功率較低。另一種是空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計， 它是把測量元件電阻絲應(yīng)變片粘貼在 預(yù)制的環(huán)氧樹脂薄筒上后，再澆注一層薄的環(huán)氧樹脂層制成應(yīng)變計。3）測試步驟a試驗孔鉆進：用大孔徑合金鉆頭開孔。若空口表面不平,可用水泥漿填平' 或人工鑿平。鉆至預(yù)定深度，取出巖芯，進行地質(zhì)描述。鉆孔一般要求上傾25° ,以便排水排渣。b孔底磨平：用針狀合金磨平鉆頭，對孔底進行粗磨。用金剛石或砂輪磨平 鉆頭，對孔底再進行細磨。隨后用錐形鉆頭打喇叭口。c中心測孔鉆進：測孔

12、用小孔徑鉆頭鉆進，要求測孔與解除孔同心，同心度（大小孔圓心的差距）宜小丁 2mm，深度50cm左右。鉆進時應(yīng)均勻施力，全孔 要求一個鉆頭連續(xù)鉆進至終孔。如孔壁達不到要求時，需采用金剛石擴孔器擴孔。 當巖芯破碎時，應(yīng)重復(fù)操作，直至找到完整巖心。d活洗測孔：用活水沖洗測孔孔壁和大孔孔底巖面，隨后吹干，反復(fù)多次至 孔內(nèi)干凈為止。e安裝孔壁應(yīng)變計：在測孔孔壁表面和應(yīng)變計表面均勻涂一層粘結(jié)劑，厚度 適宜。將應(yīng)變計裝配在安裝器上，準確送進測孔內(nèi)。就位定向。f初始讀數(shù)：儀器進洞后應(yīng)用箱子或塑料布密封，防止泥水侵入。分點接通 電阻儀，調(diào)平儀器，格擋調(diào)零。向孔內(nèi)沖水，每隔 10min讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)不超過

13、土 5u £時，即認為穩(wěn)定，并記錄讀數(shù)作為初始值。g鉆孔解除及應(yīng)變測量：用大孔徑鉆頭進行解除時，開鉆后使鉆頭離開孔 底12cm,使鉆機低速緩慢推進；然后再換高速檔，以免鉆頭受損，也利丁保持 巖芯的完整性。在解除過程中，按預(yù)定的分級深度停鉆讀數(shù)，每級連續(xù)讀數(shù)兩次。解除深度達到35cm時（即從粘貼應(yīng)變叢部位到解除深度的距離為套鉆鉆孔直徑的0.8倍）后，一般讀數(shù)趨丁穩(wěn)定，此后連續(xù)兩級讀數(shù)不超過土5ue時，可以認為已經(jīng)達到解除深度的要求。但最小解除深度不小丁38cm,最大解除深度達45cm即可。隨后繼續(xù)往解除孔沖水。最后一級每隔510min讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)不 超過土 5u £

14、 ,可以認為穩(wěn)定，測試結(jié)束。(C采用孔里向斐幽演法瀏定巖作應(yīng)力圍巖應(yīng)力測量一、測試原理如圖1所示，在隧道石同室某側(cè)墻表 層圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力b 1、b2的方向分 別為垂直方向與水平方向時，就可以用 應(yīng)力恢復(fù)法測得b 1的大小。在側(cè)墻上 沿測點O在水平方向（垂直所測的應(yīng)力 方向）開一個解除槽，則在槽上下附近廿=三2的圍巖應(yīng)力得到部分解除，應(yīng)力狀態(tài)重圖1-1石同室圍巖應(yīng)力分布圖新分布。槽的中垂線 OA上的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)N.H.穆斯海里什維理論，可以把槽看成一條縫，得到:0 -20lx 1p4 -4p： - 12.00+1)-p6 3p* + 3p 10 = 0 *(P2 + 1)式中：b 1,b 2

15、-OA線上某點B的應(yīng)力分量；pB點離槽中心O的距離的倒數(shù)。當在槽中埋入液壓枕，并由壓力枕對槽施加壓力，若壓力為P,則在OA線上B點產(chǎn)生的應(yīng)力分量為:p* 4p“ 一 1 “ = 2P -7 (p2+l) 3p4+l a“=2Pi(p2 + i)當壓力枕施加的力為P=b 1時，B點的總應(yīng)力分量為:1：0=0+0 = 0x h 2x 2y ly 2y 1可見，當壓力枕施加的P等丁 b2時，巖體中的應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)完全恢復(fù)，所 求的應(yīng)力b 1可由P值求得。即通過壓力枕使槽中的巖體的應(yīng)變恢復(fù)至應(yīng)力解除前的狀態(tài)；此時，液壓枕 施加的壓力即為應(yīng)力解除前巖體受到的應(yīng)力，這一應(yīng)力值實際上是平石同開挖后壁 面處的環(huán)

16、向應(yīng)力。通過量測應(yīng)力恢復(fù)后的應(yīng)力和應(yīng)變值，可求解出測點巖體中的應(yīng)力狀態(tài)。2、儀器設(shè)備壓力量測通常采用應(yīng)力計或壓力盒。各種類型的壓力盒中在現(xiàn)場監(jiān)測使用較 多的是鋼弦式壓力盒。1、測量元件(1)電阻應(yīng)變片(2)鋼弦式應(yīng)變計(3)千分表（4）、壓力枕（扁液壓千斤頂）液壓枕主要由枕殼、注油三通、紫銅管和壓力表組成，為了安設(shè)時排凈系統(tǒng) 內(nèi)空氣，沒有球式排氣閥。液壓枕需在室內(nèi)組裝，經(jīng)高壓密封性試驗合格后才能 埋設(shè)使用。量測手段和儀表的選擇主要取決丁圍巖工程地質(zhì)條件和力學(xué)性質(zhì)，以及測量的環(huán)境條件。通常，對丁軟弱圍巖中的地下工程，由丁圍巖變形量值較大，因而 可以采用精度稍低的儀器和裝置； 而在硬巖中，則必須采用高精度量測工具。使 用各種類型的引伸計時，對深埋的地下工程，必須在隧洞內(nèi)鉆孔安裝；對淺埋的 地下工程，則可以從地表鉆孔安裝，以量測地下工程開