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应力,为啥让岩体稳定又“暴躁”?
发布时间:2020-04-13

岩体介质有许多有别于其他介质的重要特性, 由岩体的自重和历史上地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等因素导致岩体具有初始地应力(或简称地应力)是最具有特色的性质之一。就岩体工程而言,如不考虑岩体地应力这一要素,就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。

岩体应力

天然应力

是指未经人为扰动的,主要是在重力场构造应力场的综合作用下,有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态,称为岩体天然应力岩体初始应力,有时也称为地应力

天然应力构成:

  • 岩体自重→自重应力

  • 构造运动→构造应力

  • 流体作用→静水压力梯度,渗流应力

  • 其他(低温、地球化学作用)

←应力图

↓中国板块主应力迹线图

 

重布应力

进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的改变,工程建设扰动后的岩体应力成为重布应力二次应力

天然应力

 

重分布应力

 

地壳岩体的天然应力状态与人类的工程活动关系极大,它不仅是决定区域稳定性的重要因素,而且往往对各类建筑物的设计和施工造成直接的影响

比如,地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤,严重时导致失稳垮塌破坏。这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致,因为这种开挖“荷载”通常是地下工程问题中的重要荷载。由此可见,如何测定和评估岩体的地应力,如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖“荷载”,是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。

已有的研究和工程实践表明,浅部地壳应力分布主要有如下的一些基本规律

  1. 地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场,它是时间和空间的函数。

  2. 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。

  3. 水平应力普遍大于垂直应力。

  4. 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小,但在不同地区,变化的速度很不相同。

  5. 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。

  6. 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大,显示出很强的方向性。

  7. 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响,特别是地形和断层的扰动影响最大。

 

高应力区

实践表明,在高应力区,地表、地下工程施工期间所进行的岩体开挖工作,往往能在岩体内引起一系列与卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象,其结果是不仅会恶化地基或边坡岩体的工程地质条件,而且作用的本身有时也会对建筑物造成直接的危害

高地应力判别准则

高地应力是一个相对的概念。由于不同岩石具有不同的弹性模量,岩石的储能性能也不同。一般来说,地区初始地应力大小与该地区岩体的变形特性有关,岩质坚硬,则储存弹性能多,地应力也大。因此高地应力是相对于围岩强度而言的。也就是说,当围岩内部的最大地应力与围岩强度(Rb)的比值(Rb/σmax)达到某一水平时,才能称为高地应力或极高地应力。

目前在地下工程的设计施工中,都把围岩强度比作为判断围岩稳定性的重要指标,有的还作为围岩分级的重要指标。从这个角度讲,应该认识到埋深大不一定就存在高地应力问题,而埋深小但围岩强度很低的场合,如大变形的出现,也可能出现高地应力的问题。因此,在研究是否出现高或极高地应力问题时必须与围岩强度联系起来进行判定。

以围岩强度比为指标的地应力分级基准

地区

极高地应力

地应力

一般地应力

法国隧道协会

<2

2~4

>4

我国工程岩体分级基准

<4

4~7

>7

日本新奥法指南(1996年)

<2

4~6

>6

日本仲野分级

<2

2~4

>4

此外,修建高坝、大型水库和深大的地下硐室等,常能在更大范围内影响天然应力的平衡,引起一系列诸如断层复活水库地震以及大型岩爆等严重危害建筑物和人民生命财产的工程地质作用。

高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象

应力情况

主要现象

Rbmax

极高应力

硬质岩:开挖过程中时有岩爆发生,有岩块弹出,洞室岩体发生剥离,新生裂缝多,成洞性差,基坑有剥离现象,成形性差。

软质岩:岩心常有饼化现象。开挖工程中洞壁岩体有剥离,位移极为显著,甚至发生大位移,持续时间长。不易成洞,基坑发生显著隆起或剥离,不易成形

< 4

高应力

硬质岩:开挖过程中可能出现岩爆,洞壁岩体有剥离和掉块现象,新生裂缝较多,成洞性较差,基坑时有剥离现象,成形性一般尚好;

软质岩:岩心时有饼化现象,开挖工程中洞壁岩体位移显   著,持续时间长,成洞性差。基坑有隆起现象,成形性较差

4~7

不同围岩强度比开挖中出现的现象

围岩强度比

大于4

2~4

小于2

地压特性

不产生塑性地压

有时产生塑性地压

多产生塑性地压

 

地应力测量方法

 

直接测试法

应力恢复法

应力解除法

水力压裂法(水压致裂法)

间接测试法

钻孔崩落法

凯塞尔效应测试法

 

1

应力解除法测岩体应力

应力解除法是岩体应力测量中应用较广的方法。

基本原理:当需要测定岩体中某点的应力状态时,人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离,此时,岩体单元上所受的应力将被解除。同时,该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器,测定这种弹性恢复的应变值或变形值,并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体,于是就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。

钻孔应力解除法测量步骤:

 

第一步 钻测试岩芯大孔D

 

第二步 钻传感器安装孔d

 

第三步 安装探头和读取初始数据

 

第四步 钻应力解除套孔与读取数据

 

第五步 取出岩芯、测量弹性模量与泊松比

 

上述方法可以采用空心包体应力计测量岩体应力。可以应用于金属矿山、煤矿、大坝、隧道、桥梁、地下洞室仓储设施以及其它各种土木工程项目。

 

ES&S  CSIROHID

数字式空心包体应力计

数字式空心包体应力计用来测定岩石或者混凝土中的三向应力,通常用来监测应力随时间的变化,或者测定钻孔套芯应力解除试验中的初始应力方向和应力值。

数字式空心包体应力计包含高精密度的应变计和一个植入式的微处理器,它可以连续地进行应变测量并且通过串口连接传输测量数据。应变读数直接以数字格式显示在测量仪表上,基本上消除了由于过长的电缆所带来的噪声和信号衰减等常见的问题。电源只需要在进行数据读取时进行供应,消除了由于长期供电所带来的加热效应影响。

 

ES&S  HID4

数据采集仪

 

ES&S  HID Cell

数据采集仪

 

2

水压致裂法

适用于完整性好的脆性岩体。

基本原理对测试段钻孔用特制封隔器密封起来,然后对密封段加高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据裂隙的方向及泵压的大小分析确定原岩的应力状态。

 

水压致裂法测量步骤:

 

1步 打钻孔并用封隔器密封待加压段

钻孔直径与封隔器直径一致,封隔器直径有38mm,5lmm,76mm,9lmm,110mm,130mm等。封隔器是两个膨胀橡胶塞,可用液体,也可用气体进行充压。橡胶塞之间的封堵段长度为0.5~1.0m。

 

 

2步 获得初始开裂压力pi

向隔离段注射高压水,不断加大水压,至孔壁出现开裂,获得初始开裂压力pi。

 

 

3步 获得关闭压力

停止增压,关闭高压泵,压力迅速下降,裂隙停止扩展,并趋于闭合,当压力降到使裂隙处于临界闭合状态时的平衡压力,此时应力称为关闭压力,记为ps;最后卸压,使裂隙完全闭合。

 

 

4步 获得裂隙重开时的压力pr和随后的恒定关闭压力ps

重新向密封段注射高压水,使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力pr和随后的恒定关闭压力ps。这种卸压-重新加压的过程重复2-3次,以提高测试数据的准确性。上述步骤(2)、(3)记录了压力—时间关系和流量—时间关系。

 

 

5步 将封隔器完全卸压,连同加压管等全部设备从钻孔中取出。

 

 

6步 测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小

测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小,测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。前三种方法代价昂贵,操作复杂,而印模器则比较简便、实用。其结构及形状与封隔器相似,其外面包裹一层可塑性橡皮或类似材料,将其连同加压管路一起送入水压致裂部位,然后将印模加压膨胀,使钻孔上的所有节理裂隙均印在印模器上。印模器装有定向系统,以确定裂隙的方位,一般情况下,水压致裂裂隙为一组径向相对的纵向裂隙,很容易辨认出来。

 

水压致裂法测定系统:

试验结果:

  • 岩石抗拉强度:σt=pi-pr

  • 最大水平应力:σ1Hmax=3ps-pi-p0t

  • 最小水平应力:σ2Hmin=ps

 

 

ES&S Mini Frac

小型水压致裂系统

适用于只需快速进行二维应力确定就可以的场合。水压致裂测量技术提供了一种双轴应力测量方法。可用于采矿业和工民建筑的应力确定,隧道和地下开挖工程、煤矿开采和石油工业等。

水压致裂法的特点:

  • 设备简单。只需用普通钻探方法打钻孔,用双止水装置密封,用液压泵通过压裂装置压裂岩体,不需要复杂的电磁测量设备。

  • 操作方便。只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体,观测压裂过程中泵压、液量即可。

  • 测值直观。它可根据压裂时泵压(初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力)计算出地应力值,不需要复杂的换算及辅助测试,同时还可求得岩体抗拉强度。

  • 测值代表性大。所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值,有较好的代表性。

  • 适应性强。这一方法不需要电磁测量元件,不怕潮湿,可在干孔及孔中有水条件下作试验,不怕电磁干扰,不怕震动。

 

3

应力恢复法

应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法,目前此法仅用于岩体表层,当已知某岩体中的主应力方向时,采用本方法较为方便。

当洞室某侧墙上的表层围岩应力的主应力,方向各为垂直与水平方向时,就可用应力恢复法测得的大小。

 

试验过程简述如下

 

1

在选定的试验点上,沿解除槽的中垂线上安装好测量元件。测量元件可以是千分表、钢弦应变计或电阻应变片等,若开槽长度为B,则应变计中心一般距槽B/3,槽的方向与预定所需测定的应力方向垂直。槽的尺寸根据所使用的压力枕大小而定。槽的深度要求大于B/2。

应力恢复法布置示意图

1—压力枕;2—应变计

 

 

2

记录量测元件——应变计的初始读数。

 

 

3

开凿解除槽。岩体产生变形并记录应变计上的读数。

 

 

4

在开挖好的解除槽中埋设压力枕,并用水泥砂浆充填空隙。

 

 

5

待充填水泥浆达到一定强度以后,即将压力枕联结油泵,通过压力枕对岩体施压。随着压力枕所施加的力p的增加,岩体变形逐步恢复。逐点记录压力p与恢复变形(应变)的关系。

 

 

6

当假设岩体为理想弹性体时,则当应变计回复到初始读数时,此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力。

 

岩体应力情况的测量,无论是对于工程实践还是科学研究都具有非常重要的指导意义,为合理设计、安全施工提供重要依据。

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