小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于高應(yīng)力狀態(tài)下易發(fā)生巖芯餅化的深部巖體的地應(yīng)力測(cè)量方法，屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】。小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法，包括套芯應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量過程中的前置套孔的鉆進(jìn)，測(cè)量孔的鉆進(jìn)，變形計(jì)的安裝，套孔的應(yīng)力解除，測(cè)量數(shù)據(jù)處理，所述的套孔與測(cè)量孔的孔徑比值為5~8:1。由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明在套芯應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力的過程中，采用增大套孔的直徑，增大套孔與測(cè)量孔的孔徑的比值，套取直徑較大的厚壁巖芯，增大巖芯的抗拉截面，提高巖芯能承受的抗拉荷載值，防止巖芯發(fā)生抗拉破壞，避免高應(yīng)力條件下套芯應(yīng)力解除過程中巖芯餅化現(xiàn)象的發(fā)生，獲得完整的巖芯，得到可用的套芯應(yīng)力解除測(cè)量數(shù)據(jù)。
【專利說明】小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法，主要應(yīng)用于高應(yīng)力狀態(tài)下易發(fā)生巖芯餅化的深部巖體的地應(yīng)力測(cè)量，屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技水平的不斷發(fā)展，工程規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，全世界范圍內(nèi)的基礎(chǔ)工程建設(shè)和資源開發(fā)不斷向深部發(fā)展，礦山開采深度增加和條件趨于復(fù)雜，以及越來越多的水利水電、交通、國(guó)防和基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)等工程在深部和我國(guó)強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)區(qū)興建，高強(qiáng)度巖爆、持續(xù)大變形和大體積塌方等深部工程災(zāi)害造成的人員傷亡、停工停產(chǎn)等工程事故居高不下，造成的經(jīng)濟(jì)損失觸目驚心。初始高應(yīng)力是形成上述災(zāi)害以及影響不同類型災(zāi)害形成機(jī)制的最直接的控制因素。因此，準(zhǔn)確測(cè)量出深埋高地應(yīng)力條件下工程區(qū)的初始地應(yīng)力是進(jìn)行高強(qiáng)度巖爆、持續(xù)大變形和大體積塌方等深部工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)合理評(píng)估、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)以及可靠防控的前提和關(guān)鍵，這已成為近年來深部工程研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。
[0003]地應(yīng)力的實(shí)測(cè)工作起始于20世紀(jì)30年代，1932年，美國(guó)人勞倫斯在胡佛水壩下面的一個(gè)隧道中采用巖體表面應(yīng)力解除法，首次成功地進(jìn)行了原巖應(yīng)力的測(cè)量，從而開創(chuàng)了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量的先河。20世紀(jì)50年代，哈斯特采用應(yīng)力解除法和壓磁變形計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大規(guī)模的地應(yīng)力測(cè)量。我國(guó)的地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)和設(shè)備的研制起步較晚，起始于20世紀(jì)50年代末期，這方面的先驅(qū)當(dāng)推著名地質(zhì)學(xué)家李四光院士指導(dǎo)的中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所和陳宗基院士指導(dǎo)的長(zhǎng)江科學(xué)院三峽巖基專題研究組及中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的研究工作。經(jīng)過一系列研究工作，研制出了眾多的地應(yīng)力測(cè)量設(shè)備，包括:壓磁式鉆孔應(yīng)力計(jì)、“門塞式”孔底應(yīng)變計(jì)、孔徑變形計(jì)、利曼三軸孔壁應(yīng)變計(jì)、空心包體應(yīng)變計(jì)和鉆孔局部壁面應(yīng)力解除法等。
[0004]經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已發(fā)展和應(yīng)用的地應(yīng)力測(cè)量方法比較多，大致可歸納為如下幾類:水壓致裂法，應(yīng)力解除法，扁千斤頂法，應(yīng)變恢復(fù)法，鉆孔崩落法，差應(yīng)變曲線分析法，鉆進(jìn)誘發(fā)張裂縫法，聲發(fā)射法，以及地球物理方法等其他測(cè)試方法。主要有以下幾種方式:
(I)第八次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集提到了套芯應(yīng)力解除法測(cè)定地應(yīng)力適用性和可靠性。
[0005](2)巖土工程學(xué)報(bào)(2005年，第3期)提到了水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量方法及其在巖體工程、石油鉆探以及地震研究等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
[0006](3)巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)(2004年，第23期)研究了鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法用于測(cè)定深部巖體地應(yīng)力。
[0007](4)國(guó)際巖石力學(xué)與采礦科學(xué)雜志(2003年，第2期)提到了聲發(fā)射法的應(yīng)力估算技術(shù)。
[0008]在上述方法中，目前工程上應(yīng)用最廣泛的是水壓致裂法和套芯應(yīng)力解除法。由于水壓致裂法存在必須事先假定地應(yīng)力張量的一個(gè)主方向與鉆孔軸向一致的局限，因此，套芯應(yīng)力解除法因其可靠性和穩(wěn)定性被認(rèn)為是獲得空間三維應(yīng)力的理想測(cè)試方法。
[0009]然而，在高應(yīng)力條件下，傳統(tǒng)的套芯應(yīng)力解除法遇到了難以克服的技術(shù)難題:在高應(yīng)力下由于套孔與測(cè)量孔的孔徑的比值較小，通常在3倍左右，導(dǎo)致套芯應(yīng)力解除法過程中常出現(xiàn)巖芯餅化現(xiàn)象，難以獲得所需的完整巖芯長(zhǎng)度，成為制約傳統(tǒng)套芯應(yīng)力解除法在高地應(yīng)力條件下成功應(yīng)用的重大技術(shù)障礙。同時(shí)由于塑性區(qū)的形成，傳統(tǒng)的計(jì)算公式是建立在彈性理論的基礎(chǔ)上，導(dǎo)致地應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大計(jì)算誤差。為此，需要尋求新的套芯應(yīng)力解除法以避免巖芯餅化現(xiàn)象的發(fā)生，獲得完整的巖芯，并采用合適的計(jì)算方法來確定對(duì)應(yīng)的高應(yīng)力地區(qū)地應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)上述存在問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可滿足和解決高應(yīng)力地區(qū)地應(yīng)力測(cè)量的套芯應(yīng)力解除方法。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法，包括套芯應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量過程中的前置套孔的鉆進(jìn)，測(cè)量孔的鉆進(jìn)，變形計(jì)的安裝，套孔的應(yīng)力解除，測(cè)量數(shù)據(jù)處理，所述的套孔與測(cè)量孔的孔徑比值為5~8:1。
[0012]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明在套芯應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力的過程中，采用增大套孔的直徑，增大套孔與測(cè)量孔的孔徑的比值，套取直徑較大的厚壁巖芯，增大巖芯的抗拉截面，提高巖芯能承受的抗拉荷載值，防止巖芯發(fā)生抗拉破壞，避免高應(yīng)力條件下套芯應(yīng)力解除過程中巖芯餅化現(xiàn)象的發(fā)生，獲得完整的巖芯，得到可用的套芯應(yīng)力解除測(cè)量數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖為本發(fā)明小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法套孔與測(cè)量孔的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]見附圖
小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法，首先在所測(cè)試巖體上進(jìn)行前置套孔2的鉆進(jìn)，并鉆至測(cè)試部位，在前置套孔2的底部進(jìn)行測(cè)量孔I的鉆進(jìn)，套孔2與測(cè)量孔I的孔徑比值為5~8:1，測(cè)量孔采用用口徑為36mm的鉆頭，鉆孔30cm深，并將測(cè)量孔I沖洗干凈，變形計(jì)可以采用36-2型環(huán)式傳感器鉆孔變形計(jì)和高靈敏度鋼片式傳感器鉆孔變形計(jì)，變形計(jì)接在特制的定向器上，用鉆桿緩慢送人測(cè)量孔I內(nèi)，控制一定的預(yù)壓縮量，取出鉆桿與定向器，記錄各測(cè)點(diǎn)在測(cè)量孔I中的方向，將變形計(jì)的電纜線按規(guī)定的順序接在電阻應(yīng)變儀上，向測(cè)量孔I中沖水，每隔IOmin讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)相差不超過5 μ ε即為穩(wěn)定，繼續(xù)進(jìn)行套孔2的鉆進(jìn)，開鉆解除，在解除過程中每鉆進(jìn)2cm時(shí)，記錄下各鋼環(huán)的讀數(shù)，到30cm前后若連續(xù)兩次讀數(shù)相差不超過5 μ ε確認(rèn)為穩(wěn)定，即可停鉆。
[0016]試驗(yàn)測(cè)定被測(cè)量巖體的彈性模量、泊松比、凝聚力、摩擦角，根據(jù)巖體的力學(xué)特性用FLAC建立圍巖的彈塑性力學(xué)模型，數(shù)值模擬小孔厚壁套芯應(yīng)力解除過程，設(shè)定不同的地應(yīng)力場(chǎng)得到被測(cè)量巖體的地應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的測(cè)量孔I變形數(shù)據(jù)，形成數(shù)值模擬樣本，采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)數(shù)值模擬樣本，建立被測(cè)量巖體的地應(yīng)力值與測(cè)量孔I變形數(shù)據(jù)之間的非線性映射關(guān)系，再根據(jù)套芯應(yīng)力解除過程中的測(cè)量孔I實(shí)際測(cè)量變形數(shù)據(jù)采用智能搜索算法獲得測(cè)量孔I平面內(nèi)的地應(yīng)力值。
具體實(shí)施例
[0017]四川某水利工程由于初始應(yīng)力值較大，常規(guī)套芯應(yīng)力解除法測(cè)量常出現(xiàn)巖芯餅化現(xiàn)象，導(dǎo)致難以獲得所需的完整巖芯，無法得到應(yīng)力解除的可靠數(shù)據(jù)，采用小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力，獲得完整巖芯，按本發(fā)明的方法測(cè)試，巖體為大理巖，試驗(yàn)測(cè)得大理巖的彈性模量為25.4GPa，泊松比為0.22，凝聚力為20.9MPa，摩擦角為22.4°，套孔2直徑為200mm，測(cè)量孔I直徑為36mm，前置套孔2鉆至深度為6.7m處，探頭埋設(shè)深度為7m，套芯應(yīng)力解除過程中獲得，測(cè)量孔I的變形為0.1030mm、0.0853mm、0.0590mm和0.0804mm，用FLAC根據(jù)該工程圍巖的力學(xué)參數(shù)建立摩爾庫倫模型數(shù)值模擬小孔厚壁套芯應(yīng)力解除過程，設(shè)定不同的地應(yīng)力場(chǎng)得到巖體的地應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的測(cè)量孔I變形數(shù)據(jù)，形成模擬樣本，采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)數(shù)值模擬樣本，建立巖體的地應(yīng)力值與測(cè)量孔I變形數(shù)據(jù)之間的非線性映射關(guān)系，再根據(jù)套芯應(yīng)力解除過程中的測(cè)量孔I變形數(shù)據(jù)采用智能搜索算法獲得該測(cè)量孔I平面內(nèi)的最大主應(yīng)力值為48.1MPa最小主應(yīng)力值為23.7MPa，符合該工程實(shí)際情況。
【權(quán)利要求】
1.小孔厚壁套芯應(yīng)力解除法，包括套芯應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量過程中的前置套孔(2)的鉆進(jìn)，測(cè)量孔⑴的鉆進(jìn)，變形計(jì)的安裝，套孔⑵的應(yīng)力解除，測(cè)量數(shù)據(jù)處理，其特征在于:所述的套孔⑵與測(cè)量孔⑴的孔徑比值為5?8:1。
【文檔編號(hào)】G01L5/00GK103616111SQ201310658473
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】周輝, 付亞平, 張傳慶, 盧景景, 楊凡杰, 劉繼光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所