小孔厚壁套芯应力解除法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于高应力状态下易发生岩芯饼化的深部岩体的地应力测量方法，属于岩土工程【技术领域】。小孔厚壁套芯应力解除法，包括套芯应力解除法地应力测量过程中的前置套孔的钻进，测量孔的钻进，变形计的安装，套孔的应力解除，测量数据处理，所述的套孔与测量孔的孔径比值为5~8:1。由于采用了以上技术方案，本发明在套芯应力解除法测量地应力的过程中，采用增大套孔的直径，增大套孔与测量孔的孔径的比值，套取直径较大的厚壁岩芯，增大岩芯的抗拉截面，提高岩芯能承受的抗拉荷载值，防止岩芯发生抗拉破坏，避免高应力条件下套芯应力解除过程中岩芯饼化现象的发生，获得完整的岩芯，得到可用的套芯应力解除测量数据。
【专利说明】小孔厚壁套芯应力解除法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种小孔厚壁套芯应力解除法，主要应用于高应力状态下易发生岩芯饼化的深部岩体的地应力测量，属于岩土工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着科技水平的不断发展，工程规模也在不断扩大，全世界范围内的基础工程建设和资源开发不断向深部发展，矿山开采深度增加和条件趋于复杂，以及越来越多的水利水电、交通、国防和基础物理实验等工程在深部和我国强烈构造活动区兴建，高强度岩爆、持续大变形和大体积塌方等深部工程灾害造成的人员伤亡、停工停产等工程事故居高不下，造成的经济损失触目惊心。初始高应力是形成上述灾害以及影响不同类型灾害形成机制的最直接的控制因素。因此，准确测量出深埋高地应力条件下工程区的初始地应力是进行高强度岩爆、持续大变形和大体积塌方等深部工程灾害风险合理评估、准确预测以及可靠防控的前提和关键，这已成为近年来深部工程研究领域的一个热点和重要发展方向。
[0003]地应力的实测工作起始于20世纪30年代，1932年，美国人劳伦斯在胡佛水坝下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法，首次成功地进行了原岩应力的测量，从而开创了现场地应力测量的先河。20世纪50年代，哈斯特采用应力解除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量。我国的地应力测量技术和设备的研制起步较晚，起始于20世纪50年代末期，这方面的先驱当推著名地质学家李四光院士指导的中国地质科学院地质力学研究所和陈宗基院士指导的长江科学院三峡岩基专题研究组及中国科学院武汉岩土力学研究所的研究工作。经过一系列研究工作，研制出了众多的地应力测量设备，包括:压磁式钻孔应力计、“门塞式”孔底应变计、孔径变形计、利曼三轴孔壁应变计、空心包体应变计和钻孔局部壁面应力解除法等。
[0004]经过数十年的发展，国内外已发展和应用的地应力测量方法比较多，大致可归纳为如下几类:水压致裂法，应力解除法，扁千斤顶法，应变恢复法，钻孔崩落法，差应变曲线分析法，钻进诱发张裂缝法，声发射法，以及地球物理方法等其他测试方法。主要有以下几种方式:
(I)第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集提到了套芯应力解除法测定地应力适用性和可靠性。
[0005](2)岩土工程学报(2005年，第3期)提到了水压致裂地应力测量方法及其在岩体工程、石油钻探以及地震研究等领域的广泛应用。
[0006](3)岩石力学与工程学报(2004年，第23期)研究了钻孔局部壁面应力全解除法用于测定深部岩体地应力。
[0007](4)国际岩石力学与采矿科学杂志(2003年，第2期)提到了声发射法的应力估算技术。
[0008]在上述方法中，目前工程上应用最广泛的是水压致裂法和套芯应力解除法。由于水压致裂法存在必须事先假定地应力张量的一个主方向与钻孔轴向一致的局限，因此，套芯应力解除法因其可靠性和稳定性被认为是获得空间三维应力的理想测试方法。
[0009]然而，在高应力条件下，传统的套芯应力解除法遇到了难以克服的技术难题:在高应力下由于套孔与测量孔的孔径的比值较小，通常在3倍左右，导致套芯应力解除法过程中常出现岩芯饼化现象，难以获得所需的完整岩芯长度，成为制约传统套芯应力解除法在高地应力条件下成功应用的重大技术障碍。同时由于塑性区的形成，传统的计算公式是建立在弹性理论的基础上，导致地应力测量结构产生较大计算误差。为此，需要寻求新的套芯应力解除法以避免岩芯饼化现象的发生，获得完整的岩芯，并采用合适的计算方法来确定对应的高应力地区地应力。
【发明内容】
[0010]针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种可满足和解决高应力地区地应力测量的套芯应力解除方法。
[0011]为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现:
小孔厚壁套芯应力解除法，包括套芯应力解除法地应力测量过程中的前置套孔的钻进，测量孔的钻进，变形计的安装，套孔的应力解除，测量数据处理，所述的套孔与测量孔的孔径比值为5~8:1。
[0012]由于采用了以上技术方案，本发明在套芯应力解除法测量地应力的过程中，采用增大套孔的直径，增大套孔与测量孔的孔径的比值，套取直径较大的厚壁岩芯，增大岩芯的抗拉截面，提高岩芯能承受的抗拉荷载值，防止岩芯发生抗拉破坏，避免高应力条件下套芯应力解除过程中岩芯饼化现象的发生，获得完整的岩芯，得到可用的套芯应力解除测量数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图为本发明小孔厚壁套芯应力解除法套孔与测量孔的关系图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的小孔厚壁套芯应力解除法作进一步详细说明。
[0015]见附图
小孔厚壁套芯应力解除法，首先在所测试岩体上进行前置套孔2的钻进，并钻至测试部位，在前置套孔2的底部进行测量孔I的钻进，套孔2与测量孔I的孔径比值为5~8:1，测量孔采用用口径为36mm的钻头，钻孔30cm深，并将测量孔I冲洗干净，变形计可以采用36-2型环式传感器钻孔变形计和高灵敏度钢片式传感器钻孔变形计，变形计接在特制的定向器上，用钻杆缓慢送人测量孔I内，控制一定的预压缩量，取出钻杆与定向器，记录各测点在测量孔I中的方向，将变形计的电缆线按规定的顺序接在电阻应变仪上，向测量孔I中冲水，每隔IOmin读数一次，连续三次读数相差不超过5 μ ε即为稳定，继续进行套孔2的钻进，开钻解除，在解除过程中每钻进2cm时，记录下各钢环的读数，到30cm前后若连续两次读数相差不超过5 μ ε确认为稳定，即可停钻。
[0016]试验测定被测量岩体的弹性模量、泊松比、凝聚力、摩擦角，根据岩体的力学特性用FLAC建立围岩的弹塑性力学模型，数值模拟小孔厚壁套芯应力解除过程，设定不同的地应力场得到被测量岩体的地应力值对应的测量孔I变形数据，形成数值模拟样本，采用MATLAB神经网络学习数值模拟样本，建立被测量岩体的地应力值与测量孔I变形数据之间的非线性映射关系，再根据套芯应力解除过程中的测量孔I实际测量变形数据采用智能搜索算法获得测量孔I平面内的地应力值。
具体实施例
[0017]四川某水利工程由于初始应力值较大，常规套芯应力解除法测量常出现岩芯饼化现象，导致难以获得所需的完整岩芯，无法得到应力解除的可靠数据，采用小孔厚壁套芯应力解除法测量地应力，获得完整岩芯，按本发明的方法测试，岩体为大理岩，试验测得大理岩的弹性模量为25.4GPa，泊松比为0.22，凝聚力为20.9MPa，摩擦角为22.4°，套孔2直径为200mm，测量孔I直径为36mm，前置套孔2钻至深度为6.7m处，探头埋设深度为7m，套芯应力解除过程中获得，测量孔I的变形为0.1030mm、0.0853mm、0.0590mm和0.0804mm，用FLAC根据该工程围岩的力学参数建立摩尔库伦模型数值模拟小孔厚壁套芯应力解除过程，设定不同的地应力场得到岩体的地应力值对应的测量孔I变形数据，形成模拟样本，采用MATLAB神经网络学习数值模拟样本，建立岩体的地应力值与测量孔I变形数据之间的非线性映射关系，再根据套芯应力解除过程中的测量孔I变形数据采用智能搜索算法获得该测量孔I平面内的最大主应力值为48.1MPa最小主应力值为23.7MPa，符合该工程实际情况。
【权利要求】
1.小孔厚壁套芯应力解除法，包括套芯应力解除法地应力测量过程中的前置套孔(2)的钻进，测量孔⑴的钻进，变形计的安装，套孔⑵的应力解除，测量数据处理，其特征在于:所述的套孔⑵与测量孔⑴的孔径比值为5?8:1。
【文档编号】G01L5/00GK103616111SQ201310658473
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】周辉, 付亚平, 张传庆, 卢景景, 杨凡杰, 刘继光 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所