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地应力估算基于地下空间的方法

发布日期:2019-06-14  来源:地质论评  作者:王成虎  浏览次数:502
 

地应力估算基于地下空间的方法

5.1 扁千斤顶法

扁千斤顶法是测量岩壁表面应力的一种方法, 也称岩体表面应力恢复法, 该方法首先在二十世纪五十年代在法国使用, 由Mayer等 (1951) 、Tincelin (1951) 首先提出, 后来Panek (1961) 、Panek和Stock (1964) 、Hoskins (1966) 、Merrill等 (1964) 以及Rocha等 (1966, 1971) 对这种方法又进行了大量的改进。到了20世纪60年代以后, 文献中有大量关于利用扁千斤顶法测量原地应力场的报道 (Amadei and Stephasson, 1997) 。该方法也是是国际岩石力学学会试验方法委员会岩石应力测量的推荐方法之一 (Commission on testing methods of IRSM, 1988) 。首先在测量点按照特定规则埋设测量元件, 一般埋设在预定测量槽的两侧, 埋设完毕后, 在预定位置开挖测量槽, 同时监测测量元件所反应的开挖过程中岩体的变形行为 (位移或应变量) , 再在槽中埋设压力钢枕, 测量压力钢枕施压引起的变形, 直至能抵消由凿槽引起的变形和该压力下的残余变形时, 相对应的压力钢枕压力值就是窄缝槽中垂线方向的围岩法向应力值 (Commission on testing methods of IRSM, 1988) 。当拓展到三维地应力测量时, 一般需要在洞室断面岩壁上不同部位布置6个测点, 测试设备及测点布置如图12所示。该方法在20世纪60年代时十分流行, 到目前仍然有人在使用该方法。根据Amadei和Stephasson (1997) 的介绍, 从该种方法提出到20世纪60年代发展成熟后, 除了在局部技术细节方面的部分革新, 该方法后来的30多年里基本没有什么大的发展变化。与此同时, 对该方法进行适当修正, 还可以用于测试岩体的弹性模量。

扁千斤顶法测量地应力有以下不足: (1) 该方法只能测量地下洞室围岩表面的地应力, 而围岩表面的应力容易受到洞室开挖工艺、围岩二次应力场等因素的影响; (2) 围岩表面的结构面和岩体的各向异性对测试结果影响较大, 而且不容易消除; (3) 由于加载工艺的问题, 千斤顶施加的应力不是理想均匀状态, 同时应力加载过程与解除过程可能并不一致; (4) 在一些软岩中开展实验时, 切槽过程中的蠕变现象对测试结果影响明显。这种测试方法的优点也很明显: (1) 可以直接测试地应力, 而且无需知道岩石的弹性模量; (2) 测试设备简单、耐用、稳定; (3) 所测得的应力是基于一个平面的平均应力, 包括的体积达0.2~2m3, 同时对岩体的扰动相对较小。

5.2 表面应力解除法

平面应力测量法是最早的应力测量方法, 早在20世纪初就有工程师利用这种方法测量土木结构组件内部的应力。表面应力解除法是在测试点安装变形测量装置, 一般采用几组固定的测量元件, 成对按照特定形状规则固定, 然后在测量元件周边开展岩体切割或者小型开挖作业, 在这一过程中, 监测测量元件之间距离的相对变化, 进而得到开挖过程中测量点岩体的变形量, 同时求得该区域岩体的弹性模量, 就可以估算测量点原地应力状态。这种方法在应力测量发展的早期起到了很大的作用, 近年来该方法的使用率已经很低了。Mathar (1934) 、Amadei和Stephasson (1997) 对表面应力测量进行过系统地总结, 可参考。应力测量发展史上最为著名的表面应力测量工作是Lieurance (1933、1939) 在美国内华达胡佛大坝坝基中所开展的应力测量实践。表面应力解除可以分为小型岩体切割法 (Merrill, 1964) 、平行钻孔法 (Habib, 1971) 和中心钻孔法 (Duvall and Tsur-Lavie, 1974) 三种,

表面应力解除法在应力测量发展早期起到了很大的作用, 但是这种方法也有很大的局限性, 包括 (1) 测量环境对应变计或者测量柱影响较大, 例如湿度、灰尘和地下温度等; (2) 与扁千斤顶法类似, 平面应力解除仅能测量地下洞室围岩表面的地应力, 而围岩表面的应力容易受到洞室开挖工艺、围岩二次应力场、洞室表面应力集中等因素的影响, 同时围岩表面的结构面和岩体的各向异性对测试结果影响较大, 而且不容易消除; (3) 这种方法测出的只是岩石表面的两个主应力, 属于平面应力测量。

5.3 反分析法

 

地下空间开挖后, 周边围岩必然会变形, 而且这种变形非常明显, 只要仔细观测地下空间围岩的变形过程, 并求得地下空间围岩的岩体弹性模量或者变形模量, 就可以估算工程区的原地应力场状态, 通常人们称这种方法为反分析法。Zajic和Bohac (1986) 、Sakurai和Shimizu (1986) 首先提出了这种地下空间反分析方法。首先在地下空间一个或者多个断面上监测位移, 并利用数值分析方法 (有限元或者边界元) 将其与区域应力场联系起来, 这一过程需要假设岩体属性参数以及这些参数随深度的变化规律。Zou和Kaiser (1990) 还提出了针对二维问题的反分析方法, 后来Wiles和Kaiser (1994) 将这一方法拓展到了三维, 这种方法中是首先在岩体中预埋设应变仪、伸缩仪、闭合仪、倾斜仪等位移或者应变观测装置, 然后观测后续开挖进行时这些仪器的记录响应, 进而利用数值分析法 (三维有限元或者三维边界元) 来分析区域应力场。Martin (2003) 认为, 在深部高地应力区开挖过程中, 基于地下空间变形的反分析法得到的原地应力状态更为准确, 但是通常科技人员低估该方法的价值。

 
 
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