李強(qiáng)　曾平　許靜　韓曉玉

摘要：介紹了鉆孔空心包體式應(yīng)變計(jì)與孔壁切縫解除法地應(yīng)力測(cè)試的基本原理和測(cè)試方法，同時(shí)對(duì)兩種應(yīng)力解除地應(yīng)力測(cè)試方法的適用性進(jìn)行對(duì)比分析。將兩種應(yīng)力解除法應(yīng)用于錦屏一級(jí)導(dǎo)流洞邊墻的地應(yīng)力測(cè)試中，并就同一鉆孔進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析可知，兩種方法的測(cè)試結(jié)果相符，應(yīng)力量值誤差均小于20%，鉆孔橫截面最大主應(yīng)力方位誤差也在20°以內(nèi)。鑒于孔壁切縫解除法地應(yīng)力測(cè)試方法可用于極高應(yīng)力條件下的應(yīng)力測(cè)量，對(duì)于西部的深埋高-極高應(yīng)力條件下的地下工程來(lái)說(shuō)，該方法非常行之有效。

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力;鉆孔空心包體式應(yīng)變計(jì);孔壁切縫解除法;錦屏一級(jí)水電站

中圖法分類號(hào)：P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.027

1研究背景

地應(yīng)力場(chǎng)信息是進(jìn)行地下洞室、壩基和邊坡穩(wěn)定性分析，進(jìn)行合理的開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)必不可少的資料之一[1]。目前確定地應(yīng)力或地應(yīng)力場(chǎng)的方法主要有兩大類[2]：其一是直接測(cè)量法，其二為間接推斷法。直接測(cè)量地應(yīng)力大小和方向的方法主要有應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法、水壓致裂法、鉆孔崩落分析法等;間接推斷地應(yīng)力大小和方向的方法也有許多種，如測(cè)量巖芯波速各向異性法、巖芯微裂隙取向統(tǒng)計(jì)法、震源機(jī)制推斷法、橫波分裂法、井孔管道偏振分析法、地質(zhì)學(xué)的斷層或節(jié)理走向統(tǒng)計(jì)法、斷層滑動(dòng)方向擬合法、顯微構(gòu)造分析法、火山錐定向排列分析法、水系走向統(tǒng)計(jì)分析法、X-射線法（測(cè)殘余應(yīng)力）、Kaiser效應(yīng)法（測(cè)巖石經(jīng)受的最大應(yīng)力）等。

目前，西部水利水電工程大都具有深埋大、高地應(yīng)力及構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)[3]。在極高應(yīng)力環(huán)境中，常規(guī)的鉆孔孔壁應(yīng)變解除測(cè)量法在取芯過(guò)程中巖芯餅化現(xiàn)象易造成試驗(yàn)失敗[4];水壓致裂法試驗(yàn)過(guò)程需要用到超高壓設(shè)備，從而加劇了試驗(yàn)難度，因此高應(yīng)力環(huán)境中的地應(yīng)力測(cè)量成為一大難題[5]。長(zhǎng)江科學(xué)院相關(guān)技術(shù)人員在錦屏一級(jí)右岸導(dǎo)流洞右邊墻（靠近廠房位置）布置了4個(gè)水平鉆孔（95mm），采用國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)的鉆孔孔壁切縫解除法和目前最廣泛使用的空心包體式孔壁應(yīng)變套芯解除法進(jìn)行巖體應(yīng)力測(cè)量[6]，并對(duì)不同應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2不同應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試原理

2.1鉆孔孔壁切縫解除法測(cè)試原理

鉆孔孔壁切縫法地應(yīng)力測(cè)試是一種基于原位應(yīng)力釋放原理的二維平面應(yīng)力測(cè)量方式，其原理見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。測(cè)試設(shè)備示意圖見(jiàn)圖1。試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，金剛石鋸片在鉆孔孔壁上切出若干條按一定角度分布的平行于鉆孔軸線方向的切縫（切縫寬約1～2mm，最大深度20mm）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要水壓致裂法的高壓設(shè)備，也不需要套芯解除法的完整巖心，特別適用于特高應(yīng)力條件

在切縫前，通過(guò)液壓設(shè)備將緊鄰切縫的接觸型應(yīng)變傳感器緊貼在預(yù)設(shè)切縫附近巖體上，通過(guò)測(cè)讀巖體切縫前后應(yīng)變值變化量，從而計(jì)算得切縫法向應(yīng)力。如圖2所示，假定鉆孔橫截面水平方向?yàn)閄軸，鉛直向上方向?yàn)閆軸，令Szz，Sxx及Sxz為鉆孔橫截面的原巖應(yīng)力（造孔前巖體應(yīng)力）分量，則孔壁上與Z軸夾角為θ位置的孔周巖壁的應(yīng)力狀態(tài)為

公式

如果切縫后，測(cè)得該部位應(yīng)變?yōu)棣?，巖體彈性模量為E，則

公式

在理論上，布置最少3個(gè)獨(dú)立的切縫進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，并通過(guò)3個(gè)獨(dú)立的法向應(yīng)力結(jié)果可計(jì)算出鉆孔橫截面的二維應(yīng)力張量。測(cè)試過(guò)程中若測(cè)量結(jié)果的規(guī)律性較差時(shí)，可增加額外的切縫數(shù)量，直到取得較為一致的測(cè)試結(jié)果。

2.2空心包體解除法應(yīng)力測(cè)試原理

空心包體式套芯解除法測(cè)試測(cè)量元件采用的是CKX-97型空心包體三向應(yīng)變計(jì)，是長(zhǎng)江科學(xué)院對(duì)澳大利亞CSIRO應(yīng)變計(jì)進(jìn)行改進(jìn)研制的，與其它孔壁應(yīng)變計(jì)相比的優(yōu)點(diǎn)是，能適應(yīng)于比較軟弱的巖體，操作方便，測(cè)試成功率較高。該應(yīng)變計(jì)由嵌入環(huán)氧樹(shù)脂筒中的9個(gè)電阻應(yīng)變片組成。應(yīng)變計(jì)制作時(shí)先將3個(gè)應(yīng)變叢（每個(gè)應(yīng)變叢由3個(gè)電阻應(yīng)變片組成）沿環(huán)氧樹(shù)脂薄壁筒圓周相隔120°粘貼。然后再用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑澆注外層，使電阻應(yīng)變片嵌固在此環(huán)氧樹(shù)脂層筒壁內(nèi)。成品應(yīng)變計(jì)外徑為34mm，黏貼應(yīng)變片部位長(zhǎng)95mm，應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在應(yīng)變計(jì)表層嵌固3個(gè)應(yīng)變叢，序號(hào)用i表示，對(duì)應(yīng)的極角為θi;。每個(gè)應(yīng)變叢由3個(gè)應(yīng)變片組成，序號(hào)用j表示，對(duì)應(yīng)的角度為φij。根據(jù)應(yīng)變觀測(cè)值Ek與巖體應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，可得到下列觀測(cè)值方程組：

公式

式中，K、K2、K，、K，為修正系數(shù)。

CKX-97空心包體式三向應(yīng)變計(jì)的一次測(cè)量可獲得9個(gè)觀測(cè)值方程，解6個(gè)應(yīng)力分量的未知量。利用最小二乘法原理，得到求解應(yīng)力分量最佳值的正規(guī)方程組為

公式

由此解得由鉆孔坐標(biāo)系表達(dá)的巖體6個(gè)應(yīng)力分量后，把它們轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系中去，再根據(jù)下式求解它的3個(gè)主應(yīng)力：

公式

式中，J1J2和J3為應(yīng)力張量的第一、第二和第三不變量。

主應(yīng)力方向由（7）式表達(dá)：

公式

上式中任意兩式和方向余弦的關(guān)系式為

公式

聯(lián)立解得主應(yīng)力的傾角a;和方位角β;為

公式

式中，β0為大地坐標(biāo)系X軸的方位角。如X軸為正北方向，則β0=0。

2.3兩種應(yīng)力解除法適用性對(duì)比

上述兩種應(yīng)力解除法均適用于淺鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試，應(yīng)力計(jì)算時(shí)均依賴于巖體的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，現(xiàn)將兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下。

（1）空心包體式解除法。常用的鉆孔空心包體式應(yīng)變計(jì)主要適用于完整或較完整的巖體[8]，要求解除后獲得40cm以上的巖芯才能算解除成功;對(duì)高-極高應(yīng)力條件下巖體不適用，在解除過(guò)程中巖芯極易發(fā)生餅化現(xiàn)象，空心包體很容易斷裂甚至破碎，造成嵌入空心包體內(nèi)的應(yīng)變片破損而不能正常工作。優(yōu)點(diǎn)是該方法不受鉆孔方位的限制，在鉆孔中有水情況下也可進(jìn)行。鉆孔空心包體式應(yīng)變計(jì)一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量即可得出該部位的三維應(yīng)力狀態(tài)[9]。

（2）鉆孔切縫法。鉆孔切縫法對(duì)巖體的完整性要求不高，基本適用于各種巖體，只要求測(cè)點(diǎn)部位局部的巖體較為完整即可;同時(shí)，也適用于各種應(yīng)力條件下的巖體。但該方法受鉆孔方位的限制，只適用于水平略向上傾或垂直向上的鉆孔，只能在無(wú)水的條件下進(jìn)行測(cè)試。該方法所測(cè)試的是鉆孔橫截面上的二維應(yīng)力狀態(tài)，若要測(cè)定該部位的三維應(yīng)力狀態(tài)，需進(jìn)行兩兩正交的3個(gè)鉆孔測(cè)試才能獲得。

3工程應(yīng)用

3.1測(cè)試情況簡(jiǎn)介

錦屏一級(jí)水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置于壩址右岸，地下廠區(qū)洞室群規(guī)模巨大，主要由引水洞、地下廠房、母線洞、主變室、尾水調(diào)壓室和尾水洞等組成，三大洞室平行布置[10]。地下廠房位于大壩下游約350m的山體內(nèi)，水平埋深約110～300m，垂直埋深約180～350m。右岸導(dǎo)流洞鄰近廠房段（0+810～0+860）位于大壩下游約350m的右岸山體內(nèi)，再往山里布置有地下廠房，導(dǎo)流洞距廠房端墻（第一副廠房端墻）約35m。在錦屏一級(jí)右岸導(dǎo)流洞右邊墻（靠近廠房位置），布置了4個(gè)水平鉆孔（95mm），進(jìn)行了兩種應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量：①空心包體式套芯解除法測(cè)試，獲得各點(diǎn)的三向應(yīng)力狀態(tài);②孔壁切縫解除法測(cè)試，確定鉆孔橫截面的平面應(yīng)力狀態(tài)。測(cè)孔參數(shù)見(jiàn)表1，測(cè)試鉆孔布置見(jiàn)圖4。

在導(dǎo)流洞布置的4個(gè)測(cè)孔（表1），整體上巖石堅(jiān)硬完整，巖芯多呈長(zhǎng)柱狀，含少量裂隙。具體而言：S1孔在14.5～14.8m，17.3～17.5m，22.1～22.2m段均存有微裂隙。S2孔完整性相對(duì)較差，裂隙較為發(fā)育，在17.3～18.0m，20.1～21m，23.0～23.1m等深度存在裂隙。S3孔巖芯相對(duì)完整。S4孔淺部裂隙較為發(fā)育，深部巖芯相對(duì)完整，在14.7～14.9m發(fā)育裂隙。套芯解除測(cè)試在鉆孔巖芯相對(duì)完整的深度區(qū)間進(jìn)行。本文僅選取S4孔進(jìn)行分析。

3.2測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1空心包體式套芯解除法地應(yīng)力結(jié)果

在對(duì)空心包體式套芯解除法地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果整理過(guò)程中，針對(duì)應(yīng)變叢未直接粘貼在孔壁上的修正系數(shù)K;（i=1～4），由應(yīng)變計(jì)預(yù)埋孔半徑（18.25mm）、應(yīng)變計(jì)半徑、環(huán)氧樹(shù)脂層的彈性模量E（4GPa）與泊松比μ1（0.35）、巖石彈性參數(shù)（E與μ）計(jì)算確定。確定本次計(jì)算參數(shù)及修正參數(shù)見(jiàn)表2。S4孔空心包體式套芯解除法地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3中測(cè)點(diǎn)深度為15.8m和18.9m兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力σH的方位角差別較大。造成這種結(jié)果的原因可以歸結(jié)為測(cè)試成果的代表性：空心包體式套芯解除法的測(cè)試結(jié)果代表了測(cè)點(diǎn)部位約40cm范圍內(nèi)的應(yīng)力分布情況，測(cè)點(diǎn)附近的原生微裂隙和不連續(xù)面對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大，測(cè)點(diǎn)深度為20.0m的測(cè)試結(jié)果與淺部測(cè)點(diǎn)差異較大，可以認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)為僅代表測(cè)點(diǎn)部位應(yīng)力狀態(tài)的離散點(diǎn)，不能反映大范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力狀態(tài)，因此，在進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)應(yīng)予以剔除。

3.2.2鉆孔切縫法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

切縫法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果整理的過(guò)程中需要巖體的彈性參數(shù)（E與μ），取表2中巖石彈性模量為41.0GPa，泊松比為0.26。表4為鉆孔S4的測(cè)試結(jié)果。

3.2.3兩種解除法地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果對(duì)比

將空心包體式套芯解除法地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至鉆孔切縫法地應(yīng)力測(cè)試橫截面上，再與鉆孔切縫法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5看，采用兩種不同應(yīng)力解除法在同一鉆孔中相鄰部位進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)力量值誤差在20%左右，應(yīng)力方位誤差也均小于20°。兩種測(cè)試方法之間的誤差相對(duì)較小。

鑒于鉆孔切縫法在試驗(yàn)過(guò)程中，僅要求鉆孔2cm左右完整的孔壁就可快速地成功測(cè)量，克服了常規(guī)的地應(yīng)力測(cè)試方法在極高應(yīng)力環(huán)境中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的局限性。因此，對(duì)于西部的深埋高應(yīng)力條件下的地下工程來(lái)說(shuō)，鉆孔切縫法不失為一種行之有效的地應(yīng)力測(cè)試方法。

4結(jié)論

本文介紹了利用鉆孔空心包體式應(yīng)變計(jì)與孔壁切縫解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試的基本原理和測(cè)試方法，并應(yīng)用于錦屏一級(jí)導(dǎo)流洞邊墻的應(yīng)力測(cè)量中，主要結(jié)論如下。

（1）兩種應(yīng)力解除法均適用于淺鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試，應(yīng)力計(jì)算時(shí)均依賴于巖體的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

（2）常用的鉆孔空心包體式應(yīng)變計(jì)主要適用于完整或較完整的巖體，要求解除后獲得40cm以上的巖芯才能算解除成功;對(duì)高-極高應(yīng)力條件下巖體不適用，在解除過(guò)程中巖芯極易發(fā)生餅化現(xiàn)象，可選用孔壁切縫解除法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。

（3）通過(guò)錦屏一級(jí)導(dǎo)流洞邊墻的應(yīng)力對(duì)比測(cè)量可知，兩種方法的測(cè)試結(jié)果相符，應(yīng)力量值誤差均小于20%，鉆孔橫截面最大主應(yīng)力方位誤差也在20°以內(nèi)。

（4）1對(duì)于西部的深埋高-極高應(yīng)力條件下的地下工程來(lái)說(shuō)，鉆孔切縫法可作為一種行之有效的地應(yīng)力測(cè)試方法。

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引用本文：李強(qiáng)，曾平，許靜，韓曉玉.不同應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試方法對(duì)比及工程應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（3）：156-160.

Comparison of different stress relieving methods and application in geo-stress measuring

LI Qiang，ZENG Ping，XU Jing，HAN Xiaoyu

（Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：We introduce basic principles and measuring procedures of two geo-stress measuring methods，the hollow packagetriaxial gauges and the borehole slotter.Meanwhile，comparative analysis of the applicability of two relieving stress testing methods was carried out.The two different stress relieving methods were applied to the in-situ stress test of the side wall in the diversion tunnel of Jinping-I hydropower plant，and comparative tests were carried out in the same borehole.The measuring results ofboth methods were consistent.The stress value error was less than 20%，and the maximum principal stress of cross section drilling azimuth error was 20 degrees.So the borehole slotter method can be used for high stress measurement of underground projectsin western China that usually encounters the conditions such as deep buried tunnels and high or extremely high stress conditions.

Key words：geo-stress;hollow inclusion triaxial gauges;borehole slotter test;Jinping-I Hydropower Plant