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1、1,岩石力学,辽宁科技大学,Rock Mechanics,2,第三章 地应力及其测量,3,3.1 地应力成因及基本规律,4,基本概念地应力：存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。也称岩体初始应力、原岩应力或绝对应力。,5,一、地应力测量的必要性,1、地应力是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。区别于结构力学、材料力学其他力学。2、传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限性。小规模和地表的岩石工程，经验类比的方法往往是有效的。大规模和深部的岩石工程，经验类比法有不足。,6,一、地应力测量的必要性,3、地应力是岩石工程数值分析与计算的必要前提条件。4、地应力应用领域广泛。
2、地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出等。,7,一、地应力测量的必要性,4、对地应力的传统认识有误。5、地应力的大小和方向不可能通过数学计算或模型分析的方法来获得。重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，地应力的状态复杂多变。因此，非常有必要进行地应力测量。,8,二、地应力认识的历史,人们认识地应力还只是近百年的事，1912年瑞士地质学家海姆在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量。,海姆假设,9,二、地应力认识的历史,19
3、26年，苏联学者金尼克修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其值应为H乘以一个修正系数（侧压力系数）。他根据弹性力学理论，认为：,金尼克假设,10,二、地应力认识的历史,朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)应为H乘以一个修正系数（侧压力系数）。他根据松散介质理论，认为：,朗金假设,11,二、地应力认识的历史,地质学家李四光本世纪20年代，我国地质学家李四光指出，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量”。,12,二、地应力认识的历史,哈斯特
4、地应力实测20世纪50年代，哈斯特最先在斯堪的纳维亚半岛开展了地应力测量工作。哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主应力一般为垂直应力的12倍，其至更多；在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa，从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。,13,三、地应力的成因,(1)、大陆板块边界受压引起的应力场,14,三、地应力的成因,(2)、地幔热对流引起的应力场,15,三、地应力的成因,地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）,16,三、地应力的成因,(3)、由地心引力引起的应力场(4)、地温梯度引起的应力场,17,三、地应力的成因,(5)、岩浆侵入引起的应力场,18,三、地应力的成因,(6)
5、、地质构造产生的应力场,19,三、地应力的成因,(7)、地表剥蚀产生的应力场,20,三、地应力分布的基本规律,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 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场，三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的。整体而言，地应力的变化是不大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力。,21,三、地应力分布的基本规律,2、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量,垂直应力 随深度线性增加。平均密度约为27KN/m3,22,三、地应力分布的基本规律,3、水平应力普遍大于垂直应力,h,max与v之比值一般为0.5
6、5.5，在很多情况下比值大于2。,4、平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，且趋近于1。霍克和布朗回归统计结果：,23,在深度不大的情况下，h,avv的值相当分散随着深度增加，该值的变化范围逐步缩小，并向1附近集中，这说明在地壳深部有可能出现静水压力状态的情况。,三、地应力分布的基本规律,24,三、地应力分布的基本规律,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相差较大，显示出很强的方向。,25,三、地应力分布的基本规律,7、地应力的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
7、和断层的扰动影响最大。,26,四、地应力测量的基本原理和方法,岩体中一点原岩应力状态示意图,测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的 六个分量,来表示。,27,四、地应力测量的基本原理和方法,测量方法分类：根据测量手段：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。根据测量原理：应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、x射线法、重力法。根据测量基本原理：直接测量法和间接测量法两大类。,28,四、地应力测量的基本原理和方法,直接测量法是由测量仪器直接测
8、量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法，其中水压致裂法目前的应用最为广泛，声发射法次之。,29,四、地应力测量的基本原理和方法,间接测量法是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容，弹性波传播速度等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。套孔应力解除法是目前国内外应用最普遍、发展较成熟的一种地应力间接测量方法。,30,第3.1节结束，谢
9、谢！,31,3.2 地应力的直接测量法,32,一、扁千斤顶法,1、安装二个测量柱并测量距离；2、开挖扁槽；3、安放扁千斤顶，加压至测柱距离恢复，读数计算。,33,一、扁千斤顶法,从原理上来讲，扁千斤顶法只是一种一维应力测量方法，一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量。若想确定该测点的六个应力分量就必须在该点沿不同方向切割六个扁槽，这是不可能实现的。,测试方法特点,34,一、扁千斤顶法,1、测量只能在巷道、峒室或其他开挖体表面附近的岩体中进行，测量的是一种受开挖扰动的次生应力场，而非原岩应力场。2、测量原理是基于岩石为完全线弹性的假设，对于非线性岩体，其加载和卸载路径的应力应变
10、关系是不同的，测得的平衡应力并不等于扁槽开挖前岩体中的应力；3、由于开挖的影响，各种开挖体表面的岩体将会受到不同程度的损坏，这些都会造成测量结果的误差。,测试方法评述,35,二、刚性包体应力计法,刚性包体应力计的主要组成部分是一个由钢、铜合金或其他硬质金属材料制成的空心圆柱，在其中心部位有一个压力传感元件。测量时首先在测点打一钻孔，然后将该圆柱挤压进钻孔中，以使圆柱和钻孔壁保持紧密接触，就像焊接在孔壁上。,36,二、刚性包体应力计法,理论分析表明:位于一个无限体中的刚性包体，当周围岩体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小和岩体中的应力变化之间存在一定的比例
11、关系。设在岩体中的x方向有一个应力变化x，那么在刚性包体中的x方向会产生应力x：,37,二、刚性包体应力计法,当EE5时，xx的比值将趋向于常数1.5。即当刚性包体的弹性模量超过岩体的弹性模量5倍之后，在岩体中任何方位的应力变化会在包体中相同方位引起1.5倍的应力，因此只要测量出刚性包体中的应力变化就可知道岩体中的应力变化。为了保证刚性包体应力计能有效工作，包体材料的弹性模量要尽可能大，至少要超过岩体弹性模量的5倍。,38,二、刚性包体应力计法,刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测，然而通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力。
12、,39,三、水压致裂法,水压致裂法在20世纪50年代被广泛应用于油田钻井中制造人工裂隙来提高石油的产量。哈伯特和威利斯在实践中发现了岩体致裂水压和原岩应力之间的关系，这一发现被费尔赫斯特和海姆森应用于地应力测量。,40,三、水压致裂法,一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场(1，2)的作用，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态，钻孔周围岩体的应力可由弹性力学理论求得。,41,三、水压致裂法,钻孔周围岩体内应力(Kirsch.G-基尔斯解),42,三、水压致裂法,钻孔周边（r=R)的应力：,钻孔周边应力的最小值（0时）：,43,三、水压致裂法,水压致裂系统是将钻孔某段封隔起来，并向该
13、段钻孔注入高压水。,44,三、水压致裂法,水压超过321和岩石抗拉强度t之和后，在0处，也即l所在方位将发生孔壁开裂，设钻孔壁发生初始开裂时的水压为Pi，则有:,45,三、水压致裂法,如果继续向封闭段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为Ps，Ps应和原岩应力2相平衡，即:,只要测出t、Pi、Ps，1和2的大小和方向即可全部确定,46,三、水压致裂法,钻孔中存在裂隙水时，如封隔段处的裂隙水压力为P0，则:,前式计算需知道封隔段岩石的抗拉强度，往往很困难。为此在水压致裂试验中增加一个环节，开始裂隙产生后，将水压
14、卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为Pr，则有:,47,三、水压致裂法,水压致裂应力测量系统示意图1记录仪；2、高压泵；3流量计；4压力计；5高压钢管；6高压胶管；7压力表；8泵；9封隔器；10压裂段,48,三、水压致裂法,测量步骤,1、打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致，有38mm，5lmm，76mm，9lmm，110mm，130mm等几种,封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。,49,三、水压致裂法,测量步骤,2、向二个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出
15、现开裂，获得初始开裂压力Pi；然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为Ps；然后卸压使裂隙闭合。,50,三、水压致裂法,测量步骤,在整个加压过程中，同时记录压力时间曲线图和流量时间曲线图。,使用适当的方法从压力时间曲线图可以确定Pi、Ps值；从流量时间曲线图可以判断裂隙扩展的深度。,51,三、水压致裂法,测量步骤,3、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23次，以提高测试数据的准确性。Pr和Ps同样由压力时间曲线和流量时间曲线确定。4、将封隔
16、器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。,52,三、水压致裂法,测量步骤,5、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。使用印模器则比较简便，实用。,53,三、水压致裂法,测量方法评述,水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力的大小和方向，从原理上讲是一种二维应力测量方法。水压致裂法认为开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，即平行于最大主应力方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设，水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。,54,三、水压致裂法,测量方法评述,水压致裂法
17、的突出优点是能测量深部应力，已见报道的最大测深为5000m，这是其他方法所不能做到的。因此这种方法可用来测量深部地壳的构造应力场。对于某些工程，如露天边坡工程，由于没有现成的地下井巷、隧道、峒室等可用来接近应力测量点，或者在地下工程的前期阶段，需要估计该工程区域的地应力场，也只有使用水压致裂法才是最经济实用的。,55,四、声发射法,材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。1950年，德国人凯泽(JKaiser)发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量
18、产生声发射，这一现象叫做凯泽效应。,56,四、声发射法,从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。很多人通过试验证明，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、安山岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应。,57,四、声发射法,凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射试验，测定凯泽点，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始(历史)三维应力状态。,58,四、声发射法,59,四、声发射法,根据凯泽效应定义，用声发射法测得的是取
19、样点的先存最大应力，而非现今地应力。但也有一些人对此持相反意见，并提出了“视凯泽效应”的概念，认为声发射可获得两个凯泽点，一个对应于引起岩石饱和残余应变的应力，它与现今应力场一致，比历史最高应力值低因此称为视凯泽点，在视凯泽点之后，还可获得另一个真正的凯泽点，它对应于历史最高应力。,60,四、声发射法,由于声发射与弹性波传播有关，所以高强度的脆性岩石有较明显的声发射凯泽效应出现，而多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，所以不能用声发射法测定比较软弱疏松岩体中的应力。,61,第3.2节结束，谢谢！,62,3.3 地应力的间接测量法,63,一、全应力解除的技术要求,全应力解除法是使测点岩体完全脱
20、离地应力作用的方法。通常采用套钻的方法实现套孔岩芯的完全应力解除，因而也称套孔应力解除法。套孔应力解除法有：孔径变形法、孔底应变法和孔壁应变法（空心包体应变法）和实心包体应变法等。,64,第一步：从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道、峒室或其他开挖体的表面向岩体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位。,一、全应力解除的技术要求,65,大孔直径为下一步即将打的用于安装探头的小孔直径的3倍以上，小孔直径一般为3638mm，因此大孔直径一般为130150mm。大孔深度为巷道、隧道或已开挖峒室跨度的2.5倍以上，从而保证测点是未受岩体开挖扰动的原岩应力区，峒室的跨度越大所需的大孔深度也就越大。,一、全应
21、力解除的技术要求,66,测量应尽可能选择在跨度较小的开挖空间中进行，避免将测点安排在叉道口或其他开挖扰动大的地点。为便于安装测试探头，大孔要保持一定的同心度，在钻进过程中需有导向装置。大孔钻完后需将孔底磨乎，并打出锥形孔，以利下一步钻同心小孔，清洗钻孔和使探头顺利进入小孔。,一、全应力解除的技术要求,67,第二步：从大孔底打同心小孔，供安装探头用，小孔直径由所选用的探头直径决定，一般为3638mm，小孔深度一般为孔径的10倍左右，从而保证小孔中央部位处于平面应变状态。小孔打完后需放水冲洗小孔，保证小孔中没有钻屑和其他杂物，为此，钻孔需上倾13。,一、全应力解除的技术要求,68,第三步；用一套专
22、用装置将测量探头，如孔径变形计、孔壁应变计等安装(固定或胶结)到小孔中央部位。,一、全应力解除的技术要求,69,第四步：用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除，由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并通过记录仪器记录下来，根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围的原岩应力状态。,一、全应力解除的技术要求,70,测试地点打大孔,RQD统计,一、全应力解除的技术要求,71,从大孔底打同心小孔,小孔钻头，直径37mm,一、全应力解除的技术要求,72,在小孔中央位置安装测量探头,一、全应力解除的技术要求,73,用薄壁钻头延伸大孔，使
23、小孔周围岩芯实现应力解除,现场监测,一、全应力解除的技术要求,74,将岩芯与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。,取芯,恒温箱,一、全应力解除的技术要求,75,二、孔径变形法,孔径变形法是通过测量应力解除过程中钻孔直径的变化而计算出垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态，并可通过三个互不平行钻孔的测量确定一点的三维应力状态。,76,二、孔径变形法,1、孔径变形和二维应力分量之间的关系：,77,二、孔径变形法,一个钻孔中只有三个孔径方向是独立的，即一个钻孔测量只能得到三个独立方程，而三个方程解六个未知数是不可能的，因此一个钻孔的孔径变形测量不能确定一点的三维应力状态。二个互不平行的钻孔测量也只能
24、得到五个独立的方程，故只有通过相交与一点的三个互不平行钻孔的孔径变形测量才能求得一点的三维应力状态。,78,二、孔径变形法,2、垂直钻孔轴线平面的应力状态求解 若进行一个钻孔的孔径变形测量，则可求得垂直于钻孔轴线平面的应力状态：,79,二、孔径变形法,假如钻孔轴线和一个主应力方向重合，且该方向主应力值也已知，如假定自重应力是一个主应力，且钻孔为垂直方向，那么一个钻孔的孔径变形测量也就能确定该点的三维应力状态。,80,二、孔径变形法,3、测点岩石弹性模量和泊松比测试计算孔径变形值求原岩应力值，需知岩石的弹性模量和泊松比，一般取圆柱形试样进行压缩试验测定，而对于套孔应力解除试验，更好的方法量通过对
25、套孔岩芯加围压，并通过孔径变形计测量围压孔径变形曲线，由此确定弹性模量值这就保证了是真正测点的岩石弹性模量和泊松比值。,81,二、孔径变形法,4、USBM孔径变形计孔径测量变形最著名的是USBM(美国矿山局)孔径变形计。USBM孔径变形计是奥伯特和梅里尔等人于60年代研制出来的。,82,二、孔径变形法,探测头是六个圆头活塞，二个径向相对的活塞测量一个直径方向的变形，被测的三个直径方向相互间隔60。每个活塞由一个悬臂梁式的弹簧施加压力，以使其和孔壁保持接触，在悬臂弹簧的正反面各贴一支电阻应变片，应力解除前将变形计挤压进钻孔中，以便两个活塞头之间有0.5mm左右的预压变形，并使变形计能够固定在测点
26、部位。,83,二、孔径变形法,应力解除时，钻孔直径膨胀，预压变形得到释放，悬臂弹簧的弯曲变形发生变化，这一变化由电阻应变片探测并通过仪器记录下来。弹簧正反两面变形相反，一面是拉伸，一面是压缩，两支应变片的读数相加，使测量精度提高一倍。径向相对的二个悬臂弹簧上的四支应变片组成一个惠特斯顿电桥的全桥电路，自身解决了温度补偿的问题，也大大有利于提高测量结果的准确性。,84,三、孔底应变法,1956年，莫尔首次报告了孔底应变测量技术。他将电阻应变片粘贴在一个磨平的孔底，然后使用延深这个钻孔的办法，使粘贴应变片的岩石实现应力解除，再将从孔底取出的带有应变片的这段岩芯拿到实验室去做加载试验，从而发现原先存
27、在于孔底表面的应力。,85,三、孔底应变法,1、CSIR门塞式孔底应变计主体是一个橡胶质的圆柱体，其端部粘贴着三支电阻应变片，相互间隔45，组成一个直角应变花，橡胶圆柱外面有一个硬塑料制的外壳，应变片的导线通过插头连接到应变测量仪器。该应变计适用于直径大于36mm的钻孔。,86,三、孔底应变法,2、测量步骤：第一步：将孔底磨平打光。第二步：将应变计端部涂上胶结剂，并用专门工具送到孔底，施加压力将应变计端部和孔底挤压在一起，直到胶结剂固化为止，这样应变片就粘贴在孔底岩石上了，记录应变片在孔底的方位。第三步：将应变计导线连接到应变测量仪器上，记录原始应变读数(一般需调零)。,87,三、孔底应变法,
28、第四步：进行套孔应力解除，解除完后再测读一次应变数。根据应力解除前后三支应变片的读数变化，即可求出孔底平面的应力状态。孔底平面的应力状态和周围原岩应力状态的关系还没有理论解，只能通过试验或数值分析方法来求得。由于孔底应力集中的状况是非常复杂的，要精确确定二者之间的关系很困难，这一点影响了孔底应变计测量的精度和在实际中的应用。,88,三、孔底应变法,孔底应变法也有和孔径变形法类似的问题，即孔底应变测量只有二个方向是独立的，一孔测量只能给出二个独立方程，要求解原岩应力的六个分量，必须进行互不平行的三个钻孔的测量（二维应力测量方法）。但该法也有自己的优点，即不需很长的套孔岩芯，因而有可能在较为破碎的
29、岩石条件下使用。,89,三、孔底应变法,3、CSIR门塞式孔底应变计计算公式：测得的三个应变值0、45、90，则孔底平面上在未套孔前的应力状态：,90,三、孔底应变法,孔底平面上经过开挖扰动的次生应力场与原岩应力场的六个应力分量的关系：,a、b、c、d系数无理论解，通过试验或数值分析获得。古德曼给出的值,91,三、孔底应变法,4、半球状孔底应变计管原研制出一种半球状孔底应变计，该应变计的端部不是扁平的而是半球状的，在半球面上沿平行干半球底面的一个圆周线，等间隔粘贴着8个应变花，每个应变花由二个应变片组成，成十字形布置。,92,三、孔底应变法,半球状孔底应变计从理论上讲，通过一个单孔测量即可确定
30、一点的三维应力状态。然而，由于半球状孔底应力集中和原岩应力状态之间的关系也没有理论解，所以这种方法在实际测量中的应用也同样受到限制。该应变计适用孔径为75mm。,93,四、孔壁应变法,在三维应力场作用下，一个无限体中的钻孔表面及周围的应力分布状态可以由现代弹性理论给出精确解，通过应力解除测量钻孔表面的应变即可求出钻孔表面的应力并进而精确地计算出原岩应力的状态。,94,四、孔壁应变法,1、钻孔围岩应力分布公式,95,四、孔壁应变法,96,四、孔壁应变法,2、孔壁应变和二维应力分量的关系 孔壁为平面应力状态，只有、z、z三个应力分量，每个电阻应变花4支应变片,所测应变值应力的关系式为：,97,四、
31、孔壁应变法,每组应变花的测量结果可得到4个方程，三组应变花共得到12个方程，其中至少有6个独立方程，联立可解出6个原岩应力分量。岩石弹性常数亦可由套孔岩芯的围压试验得到。,98,四、孔壁应变法,3、CSIR三轴孔壁应变计的主体是三个测量活塞，直径约为1.5cm的活塞头是由橡胶类物质制造的，端部为圆弧状，其弧度和钻孔弧度一致，以便和钻孔保持紧密接触在端部表面粘贴4支电阻应变片，组成一个相互间隔45的圆周应变花。,外壳由前后两部分组成，前外壳端部有一圆槽，上贴一支应变片，后外壳端部有连接14根电阻应变片导线的插头。,99,四、孔壁应变法,安装过程是首先将一个直径约1.2cm、厚0.8cm的岩石圆片
32、胶结在前壳端部的应变片上，供温度补偿用；然后将三个活塞头涂上胶结剂，用专门工具将应变计送入钻孔中测点部位，再启动风动压力，将活塞推出，使其端部和钻孔壁保持紧密接触，直到胶结固化为止。,100,四、孔壁应变法,测量过程是在套孔应力解除前后各测一次应变读数，根据12支应变片的读数变化值来计算应力值，一个单孔应力测量即可确定测点的三维应力大小和方向。CSIR孔壁应变计的适用孔径为3638mm。,101,五、空心包体应变法,主体是环氧树脂制成的空心圆筒，嵌埋三组电阻应变花。,102,空心包体法简介,五、空心包体应变法,测量探头结构,钻孔,柱塞,104,五、空心包体应变法,空心包体应变计的突出优点是应变
33、计和孔壁在相当大的一个面积上胶结在一起，因此胶结质量较好，而且胶结剂还可注入应变计周围岩体中的裂隙、缺陷，使岩石整体化，进而较易得到完整的套孔岩芯。所以这种应变计可用于中等破碎和松软的岩体中，且有较好的防水性能。因此，目前空心包体应变计已成为世界上最广泛采用的一种地应力解除测量仪器。,105,五、空心包体应变法,空心包体应变计在应力解除过程中的测试计算，与孔壁应变计原理相同，具有相同的形式。但由于在空心包体应变计中，应变片不是直接粘贴在孔壁上，而是与孔壁有1.5mm左右的距离，因而其测出的应变值和孔壁应变计测出的应变值有些区别，需进行修正。,106,六、实心包体应变法,一个位于无限体中的弹性包
34、体（如圆柱体），如弹性包体和无限体是焊接在一起的，那么在无穷远处应力场的作用下，包体中将出现均匀的受力状态，耶格和库克给出了这种受力状态的表达式，这为实心包体应变计的产生奠定了理论基础。,107,六、实心包体应变法,澳大利亚新南威尔士大学的布莱克伍得于1973年研制出一种实心包体应变计，他大幅度降低了包体材料的弹性模量值，使该应变计能成功地应用于软岩中的应力测量。,108,六、实心包体应变法,实心包体应变计与刚性包体应力计有根本区别。在刚性包体应力计中，包体材料是由钢或其他硬金属材料制成的，其弹性模量值比岩石要高好几倍，它不允许钻孔有显著变形，以便围岩中的应力能有效传递到其内部的传感器上。而在
35、实心包体应变计中，包体是由环氧树脂等软弹性材料制成的，其弹性模量值比岩石要低好几倍，它不允许对钻孔变形有显著影响，以便套孔岩芯中的应力能得到充分解除。,109,七、影响测量精度的主要因素,1、环境温度的影响电阻应变片对温度变化是非常敏感的，温度变化时其电阻值必然发生变化。传统的温度补偿方法是在电桥中与工作应变片相邻桥臂中接入补偿应变片，应变片不与钻孔接触，不能感受由于应力解除造成的影响，但温度变化时，可以产生和工作应变片相同的变形，称为补偿臂法（有缺陷）。蔡美峰发明了一套新的温度补偿或温度影响修正技术。,110,七、影响测量精度的主要因素,2、岩石非线性、不连续性、不均质性和各向异性的影响传统的地应力测量和计算理论是建立在岩石为线弹性、连续、均质和各向同性的理论假设基础之上的，而一般岩体都具有程度不同的非线性、不连续性、不均质性和各向异性。在应力解除过程中，由获得的钻孔变形或应变值求解地应力时，如忽视岩石的这些性质，必将导致计算的地应力与实际有不同程度的差异。,111,第三章结束，谢谢！,
