[發(fā)明專利]基于單一鉆孔變形測量確定巖體三維地應(yīng)力的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710008658.0
• 申請日: 2017-01-05
• 公開（公告）號: CN106814407B
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葛修潤;湯華;秦雨樵;吳振君
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所
• 主分類號: G01V9/00
• 分類號: G01V9/00;G01L5/16;E21B7/04
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所 42001
• 代理人: 王敏鋒

本發(fā)明公開了一種基于單一鉆孔變形測量確定巖體三維地應(yīng)力的方法，步驟是：A、施工水平試驗孔：對試驗孔的孔底中心進(jìn)行磨平；B、孔底應(yīng)力解除作業(yè)：在已磨平的試驗孔孔底安裝四分量應(yīng)變叢，得到不同方向的正應(yīng)變變化值；C、局部壁面解除應(yīng)力解除作業(yè)：在距離孔底的鉆孔側(cè)壁上選擇一個局部壁面進(jìn)行打磨處理，測量結(jié)束后就得到兩組八個不同方向的孔壁正應(yīng)變值；D、數(shù)據(jù)整理與分析：結(jié)合試驗孔孔底和側(cè)壁壁面的應(yīng)力解除作業(yè)獲得的不同方向的正應(yīng)變變化值，獲得測點的三維地應(yīng)力狀態(tài)。確保測點的地應(yīng)力測量工作在相對較小的巖體范圍內(nèi)完成，避免因巖體性質(zhì)的非均質(zhì)性要素對測量結(jié)果的影響，提高了測試成果的可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土力學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種用于確定地下巖層三維地應(yīng)力的方法，它適用于地下洞室或巷道內(nèi)的水平鉆孔孔底和孔壁變形數(shù)據(jù)估算巖體初始三維地應(yīng)力狀態(tài)。

背景技術(shù)

巖石介質(zhì)有別于其他材料的重要特性之一就是在其內(nèi)部賦存有內(nèi)應(yīng)力，這主要是由巖體自重和地質(zhì)歷史上地殼構(gòu)造運動引起并殘留至今的構(gòu)造應(yīng)力等多種因素導(dǎo)致的。地應(yīng)力是對巖體中存在的內(nèi)應(yīng)力的統(tǒng)稱，工程巖體的這種力學(xué)狀態(tài)不僅是客觀存在的，而且其大小和方向也是因地而異的。地應(yīng)力測量與研究及其應(yīng)用已遍及水利水電、礦業(yè)工程、油氣資源開采、交通行業(yè)等諸領(lǐng)域內(nèi)的巖石工程設(shè)計和穩(wěn)定性評價工作，可以說，地應(yīng)力是巖石力學(xué)與工程設(shè)計和計算分析必不可少的基本數(shù)據(jù)資料之一。國內(nèi)外針對未受工程擾動區(qū)影響的原位初始地應(yīng)力狀態(tài)的測量方法及其相關(guān)測試技術(shù)的研究已有80余年的歷史，在已提出的眾多地應(yīng)力測量方法中，在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域里尤以鉆孔應(yīng)力解除法的應(yīng)用最為普遍，其測試技術(shù)發(fā)展得也相對比較成熟和完善。盡管如此，鉆孔應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量方法本身實際應(yīng)用過程中仍然存在著一定的局限性，特別是在三維地應(yīng)力測量方面尤為如此。

經(jīng)對現(xiàn)有三維地應(yīng)力測量方法及其測試技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，劉允芳、尹健民、劉元坤、劉鳴等在2014年出版的《地應(yīng)力測量方法和工程應(yīng)用》(湖北科學(xué)技術(shù)出版社，89-93頁)一書中給出了基于鉆孔孔徑變形測量法和鉆孔孔底應(yīng)變測量法為基礎(chǔ)的三維地應(yīng)力測量方法。無論是鉆孔孔徑變形測量法，還是鉆孔孔底應(yīng)變測量法，通過一個單一鉆孔只能獲得與鉆孔軸線垂直的平面內(nèi)的二維應(yīng)力狀態(tài)，要獲得測點的三維地應(yīng)力狀態(tài)，就必須在測量點附近至少布置三個不同方向的鉆孔，也就是通過三孔交匯法來確定測點的三維地應(yīng)力狀態(tài)。三孔交匯法可以采用孔口交匯，也可以采用孔底交匯。以鉆孔孔底應(yīng)變測量法為例，在地下巷道內(nèi)的掌子面或邊墻上向巖體內(nèi)施工一水平試驗孔，當(dāng)試驗孔的深度遠(yuǎn)離巷道圍巖的擾動區(qū)域之外時，對試驗孔的孔底中心進(jìn)行磨平，然后在已磨平的試驗孔孔底安裝四分量應(yīng)變叢，即每個應(yīng)變片相間成45°分布，待粘貼在孔底的應(yīng)變叢固結(jié)后，再沿原試驗孔進(jìn)行同心孔施工鉆進(jìn)，在此過程中可以通過與應(yīng)變叢相連的應(yīng)變儀連續(xù)記錄試驗孔孔底的應(yīng)變變化情況，待孔底變形穩(wěn)定后停止鉆進(jìn)作業(yè)，這樣可以得到至少四個不同方向的正應(yīng)變變化值；采用同樣的方法，可以通過獲得至少三個不同方向鉆孔孔底的正應(yīng)變變化值；由于各個不同方向的正應(yīng)變變化值與測量點圍巖遠(yuǎn)場六個地應(yīng)力分量之間存在著確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，按照前述的鉆孔孔底應(yīng)變測量方法可以獲得至少六個獨立的數(shù)學(xué)方程式，如果已知巖體的彈性模量和泊松比，就可以據(jù)此獲得三維地應(yīng)力張量的六個分量，因而也就確定了測量的三維地應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)前面所述的基于鉆孔孔底應(yīng)變測量法可知，要確定測點的三維地應(yīng)力狀態(tài)，就必須在測點附近采用三孔交匯法將各個試驗孔的孔底應(yīng)變值組合在一起進(jìn)行綜合分析來獲得。一般來說，無論是采用孔底交匯或是孔口交匯，在現(xiàn)場實施地應(yīng)力測量時，都很難保證三個試驗孔的軸線完全交匯至一點，這樣就必然會導(dǎo)致各個試驗孔的孔底局部應(yīng)變測量相對比較分散，從而給最終的測量結(jié)果帶來較大的誤差。特別是對于孔口交匯法而言，三個試驗孔的孔底分散在較大的巖體區(qū)域，巖體性質(zhì)的非均質(zhì)性給最終的地應(yīng)力張量計算結(jié)果帶來誤差更是難以避免。

發(fā)明內(nèi)容