本發(fā)明屬于巖土力學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種用于確定地下巖層三維地應(yīng)力的方法，它適用于地下洞室或巷道內(nèi)的水平鉆孔孔底和孔壁變形數(shù)據(jù)估算巖體初始三維地應(yīng)力狀態(tài)。

背景技術(shù)：

巖石介質(zhì)有別于其他材料的重要特性之一就是在其內(nèi)部賦存有內(nèi)應(yīng)力，這主要是由巖體自重和地質(zhì)歷史上地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起并殘留至今的構(gòu)造應(yīng)力等多種因素導(dǎo)致的。地應(yīng)力是對(duì)巖體中存在的內(nèi)應(yīng)力的統(tǒng)稱，工程巖體的這種力學(xué)狀態(tài)不僅是客觀存在的，而且其大小和方向也是因地而異的。地應(yīng)力測(cè)量與研究及其應(yīng)用已遍及水利水電、礦業(yè)工程、油氣資源開采、交通行業(yè)等諸領(lǐng)域內(nèi)的巖石工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作，可以說(shuō)，地應(yīng)力是巖石力學(xué)與工程設(shè)計(jì)和計(jì)算分析必不可少的基本數(shù)據(jù)資料之一。國(guó)內(nèi)外針對(duì)未受工程擾動(dòng)區(qū)影響的原位初始地應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)量方法及其相關(guān)測(cè)試技術(shù)的研究已有80余年的歷史，在已提出的眾多地應(yīng)力測(cè)量方法中，在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域里尤以鉆孔應(yīng)力解除法的應(yīng)用最為普遍，其測(cè)試技術(shù)發(fā)展得也相對(duì)比較成熟和完善。盡管如此，鉆孔應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量方法本身實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然存在著一定的局限性，特別是在三維地應(yīng)力測(cè)量方面尤為如此。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有三維地應(yīng)力測(cè)量方法及其測(cè)試技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，劉允芳、尹健民、劉元坤、劉鳴等在2014年出版的《地應(yīng)力測(cè)量方法和工程應(yīng)用》(湖北科學(xué)技術(shù)出版社，89-93頁(yè))一書中給出了基于鉆孔孔徑變形測(cè)量法和鉆孔孔底應(yīng)變測(cè)量法為基礎(chǔ)的三維地應(yīng)力測(cè)量方法。無(wú)論是鉆孔孔徑變形測(cè)量法，還是鉆孔孔底應(yīng)變測(cè)量法，通過(guò)一個(gè)單一鉆孔只能獲得與鉆孔軸線垂直的平面內(nèi)的二維應(yīng)力狀態(tài)，要獲得測(cè)點(diǎn)的三維地應(yīng)力狀態(tài)，就必須在測(cè)量點(diǎn)附近至少布置三個(gè)不同方向的鉆孔，也就是通過(guò)三孔交匯法來(lái)確定測(cè)點(diǎn)的三維地應(yīng)力狀態(tài)。三孔交匯法可以采用孔口交匯，也可以采用孔底交匯。以鉆孔孔底應(yīng)變測(cè)量法為例，在地下巷道內(nèi)的掌子面或邊墻上向巖體內(nèi)施工一水平試驗(yàn)孔，當(dāng)試驗(yàn)孔的深度遠(yuǎn)離巷道圍巖的擾動(dòng)區(qū)域之外時(shí)，對(duì)試驗(yàn)孔的孔底中心進(jìn)行磨平，然后在已磨平的試驗(yàn)孔孔底安裝四分量應(yīng)變叢，即每個(gè)應(yīng)變片相間成45°分布，待粘貼在孔底的應(yīng)變叢固結(jié)后，再沿原試驗(yàn)孔進(jìn)行同心孔施工鉆進(jìn)，在此過(guò)程中可以通過(guò)與應(yīng)變叢相連的應(yīng)變儀連續(xù)記錄試驗(yàn)孔孔底的應(yīng)變變化情況，待孔底變形穩(wěn)定后停止鉆進(jìn)作業(yè)，這樣可以得到至少四個(gè)不同方向的正應(yīng)變變化值；采用同樣的方法，可以通過(guò)獲得至少三個(gè)不同方向鉆孔孔底的正應(yīng)變變化值；由于各個(gè)不同方向的正應(yīng)變變化值與測(cè)量點(diǎn)圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)六個(gè)地應(yīng)力分量之間存在著確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，按照前述的鉆孔孔底應(yīng)變測(cè)量方法可以獲得至少六個(gè)獨(dú)立的數(shù)學(xué)方程式，如果已知巖體的彈性模量和泊松比，就可以據(jù)此獲得三維地應(yīng)力張量的六個(gè)分量，因而也就確定了測(cè)量的三維地應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)前面所述的基于鉆孔孔底應(yīng)變測(cè)量法可知，要確定測(cè)點(diǎn)的三維地應(yīng)力狀態(tài)，就必須在測(cè)點(diǎn)附近采用三孔交匯法將各個(gè)試驗(yàn)孔的孔底應(yīng)變值組合在一起進(jìn)行綜合分析來(lái)獲得。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)論是采用孔底交匯或是孔口交匯，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，都很難保證三個(gè)試驗(yàn)孔的軸線完全交匯至一點(diǎn)，這樣就必然會(huì)導(dǎo)致各個(gè)試驗(yàn)孔的孔底局部應(yīng)變測(cè)量相對(duì)比較分散，從而給最終的測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。特別是對(duì)于孔口交匯法而言，三個(gè)試驗(yàn)孔的孔底分散在較大的巖體區(qū)域，巖體性質(zhì)的非均質(zhì)性給最終的地應(yīng)力張量計(jì)算結(jié)果帶來(lái)誤差更是難以避免。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述基于鉆孔孔底應(yīng)變測(cè)量，采用三孔交匯法確定測(cè)點(diǎn)三維地應(yīng)力的不足之處，是在于提供了一種基于單一鉆孔變形測(cè)量確定巖體三維地應(yīng)力的方法，依據(jù)線彈性巖石力學(xué)理論，不僅鉆孔孔底的局部變形(應(yīng)變)與測(cè)點(diǎn)圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)三維地應(yīng)力張量的六個(gè)分量之間存在著確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，鉆孔孔壁的局部變形(應(yīng)變)也同樣與測(cè)點(diǎn)圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)三維地應(yīng)力張量的六個(gè)分量之間存在著確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量孔底變形(應(yīng)變)和孔壁變形(應(yīng)變)獲得至少六個(gè)以上的獨(dú)立的正應(yīng)變值，即可根據(jù)已知的鉆孔孔底及孔壁上局部壁面的正應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)三維地應(yīng)力張量六個(gè)分量之間數(shù)學(xué)方程，得到不少于六個(gè)獨(dú)立方程形成的線性方程組，據(jù)此求得測(cè)點(diǎn)的六個(gè)地應(yīng)力分量，從而也就獲得了測(cè)點(diǎn)的三維地應(yīng)力狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施：

一種基于單一鉆孔變形測(cè)量確定巖體三維地應(yīng)力的方法，其步驟是：

A、施工水平試驗(yàn)孔：在地下巷道內(nèi)的掌子面或邊墻上向巖體內(nèi)施工一水平試驗(yàn)孔，試驗(yàn)孔孔徑可選取為或當(dāng)試驗(yàn)孔的深度遠(yuǎn)離巷道圍巖的擾動(dòng)區(qū)域之外時(shí)，對(duì)試驗(yàn)孔的孔底中心進(jìn)行磨平；

B、孔底應(yīng)力解除作業(yè)：在已磨平的試驗(yàn)孔孔底安裝四分量應(yīng)變叢，即每個(gè)應(yīng)變片相間成45°分布，待粘貼在孔底的應(yīng)變叢固結(jié)后，再沿原試驗(yàn)孔進(jìn)行同心孔施工鉆進(jìn)對(duì)孔底的局部壁面進(jìn)行應(yīng)力解除作業(yè)，試驗(yàn)孔孔底的應(yīng)力解除深度可以取試驗(yàn)孔直徑的3-5倍。在此過(guò)程中可以通過(guò)與應(yīng)變叢相連的應(yīng)變儀連續(xù)記錄試驗(yàn)孔孔底的應(yīng)變變化情況，待孔底變形穩(wěn)定后停止鉆進(jìn)作業(yè)，得到至少四個(gè)不同方向的正應(yīng)變變化值；

C、局部壁面解除應(yīng)力解除作業(yè)：在距離孔底300mm-500mm的鉆孔側(cè)壁上選擇某一個(gè)局部壁面進(jìn)行打磨處理，處理完畢后在該局部壁面上粘貼同樣的四分量應(yīng)變叢，局部壁面可選擇為的圓形。待粘貼的應(yīng)變叢固結(jié)后，采用取芯鉆頭繞已固化的應(yīng)變叢沿孔壁徑向進(jìn)行環(huán)切鉆進(jìn)以對(duì)該局部壁面實(shí)施應(yīng)力解除作業(yè)，鉆取完整巖芯的長(zhǎng)度約40-60mm即可達(dá)到完全應(yīng)力解除，通過(guò)與應(yīng)變叢相連的應(yīng)變儀連續(xù)記錄應(yīng)力解除過(guò)程中的孔壁壁面正應(yīng)變變化，待孔壁壁面變形穩(wěn)定后停止環(huán)切鉆進(jìn)作業(yè)，這樣也可以得到至少四個(gè)不同方向的正應(yīng)變變化值。同時(shí)為了在測(cè)點(diǎn)附近獲得較多的不同方向的正應(yīng)變，可以在靠近試驗(yàn)孔孔底應(yīng)變測(cè)量部位的側(cè)壁上多布置1-2組應(yīng)變叢，不同應(yīng)變叢在鉆孔軸線間的夾角為110°～130°。這樣，當(dāng)測(cè)量結(jié)束后就可得到兩組八個(gè)不同方向的孔壁正應(yīng)變值，再加上孔底應(yīng)變測(cè)量值，可以進(jìn)一步提高三維地應(yīng)力的測(cè)量精度；

D、數(shù)據(jù)整理與分析：結(jié)合試驗(yàn)孔孔底和側(cè)壁壁面的應(yīng)力解除作業(yè)獲得的不同方向的正應(yīng)變變化值，可以由此得到不少于六個(gè)獨(dú)立方程組成的線性方程組，只要已知測(cè)點(diǎn)附近巖石材料的彈性模量和泊松比，就可以通過(guò)最小二乘法求解得到測(cè)點(diǎn)的六個(gè)地應(yīng)力分量，從而也就獲得了測(cè)點(diǎn)的三維地應(yīng)力狀態(tài)。

與現(xiàn)有的通過(guò)測(cè)量孔底應(yīng)變、采用三孔交匯法來(lái)確定測(cè)點(diǎn)三維地應(yīng)力的方法相比，本發(fā)明克服了需要在多個(gè)不同方向的試驗(yàn)孔孔底進(jìn)行獨(dú)立變形測(cè)量，避免了在較大巖體區(qū)域內(nèi)采用相對(duì)分散的變形測(cè)量值進(jìn)行組合估算測(cè)點(diǎn)三維地應(yīng)力狀態(tài)的弊病。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：

1、相較于現(xiàn)有方法需要至少三個(gè)鉆孔來(lái)測(cè)量巖體三維地應(yīng)力場(chǎng)，本方法基于單個(gè)鉆孔變形就能測(cè)量巖體三維地應(yīng)力場(chǎng)；

2、充分利用鉆孔孔底應(yīng)變測(cè)量法被解除巖芯較短、易于實(shí)施的優(yōu)勢(shì)；

3、充分應(yīng)用了同一鉆孔孔壁變形測(cè)量，選取的側(cè)壁變形局部測(cè)量部位可以與測(cè)量孔底變形的部位比較接近，這樣可以確保測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量工作在相對(duì)較小的巖體范圍內(nèi)完成；

4、盡可能地避免因巖體性質(zhì)的非均質(zhì)性等要素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，進(jìn)一步提高了測(cè)試成果的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為一種基于單一鉆孔變形測(cè)量確定巖體三維地應(yīng)力的方法實(shí)施過(guò)程示意圖。

其中：圖a為一種地下巷道水平試驗(yàn)孔示意圖

圖b為一種孔底四分量應(yīng)變叢正視圖

圖c為一種孔底四分量應(yīng)變叢側(cè)視圖

圖d為一種孔底應(yīng)力解除示意圖

圖e為一種局部壁面四分量應(yīng)變叢側(cè)視圖

圖f為一種局部壁面應(yīng)力解除示意圖

其中1——地下巷道；2——掌子面；3——水平試驗(yàn)孔；4——孔底四分量應(yīng)變從；5——局部壁面四分量應(yīng)變從；6——局部壁面應(yīng)力解除巖心；7——水平試驗(yàn)孔孔底；8——局部壁面。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1：

一種基于單一鉆孔變形測(cè)量確定巖體三維地應(yīng)力的方法，其步驟是：

A、如圖1(a)所示，在地下巷道1的掌子面2上施鉆一水平試驗(yàn)孔3，水平試驗(yàn)孔直徑可選取為當(dāng)水平試驗(yàn)孔3的深度遠(yuǎn)離地下巷道1的圍巖擾動(dòng)區(qū)域之外時(shí)，對(duì)水平試驗(yàn)孔3的孔底7進(jìn)行磨平作業(yè)。

B、四分量應(yīng)變叢4的每個(gè)應(yīng)變片相間成45°分布(如圖1(b)A-A剖面所示)，粘貼四分量應(yīng)變叢4的直徑為的圓形。待粘貼在水平試驗(yàn)孔孔底7上的四分量應(yīng)變叢4固結(jié)后，再沿原水平試驗(yàn)孔3的軸線進(jìn)行同心孔施工鉆進(jìn)以對(duì)孔底7已粘貼四分量應(yīng)變叢4的孔底面進(jìn)行應(yīng)力解除作業(yè)，試驗(yàn)孔孔底的應(yīng)力解除深度為300mm。在此過(guò)程中可以通過(guò)與應(yīng)變叢相連的應(yīng)變儀連續(xù)記錄試驗(yàn)孔孔底7的應(yīng)變變化情況，待孔底變形穩(wěn)定后停止鉆進(jìn)作業(yè)；

C、待試驗(yàn)孔孔底7的正應(yīng)變測(cè)量結(jié)束后，在距離孔底300mm的鉆孔側(cè)壁局部壁面8附近選擇某一局部壁面進(jìn)行打磨處理，處理完畢后在該局部壁面8粘貼四分量應(yīng)變叢5(應(yīng)變叢5的布置形式同應(yīng)變叢4，如圖1(b)A-A剖面所示)，粘貼四分量應(yīng)變叢5的直徑為的圓形。待粘貼的四分量應(yīng)變叢5固結(jié)后，采用取芯鉆頭圍繞已固化的四分量應(yīng)變叢5沿孔壁徑向向圍巖巖體內(nèi)進(jìn)行環(huán)切鉆進(jìn)以對(duì)已粘貼四分量應(yīng)變叢5的局部壁面實(shí)施應(yīng)力解除作業(yè)，鉆取完整巖芯的長(zhǎng)度約50mm。通過(guò)與四分量應(yīng)變叢5相連的應(yīng)變儀連續(xù)記錄應(yīng)力解除過(guò)程中的孔壁局部壁面正應(yīng)變變化，待孔壁局部壁面變形穩(wěn)定后停止環(huán)切鉆進(jìn)作業(yè)。在保證孔底應(yīng)變測(cè)量可靠的前提下，可以在試驗(yàn)孔側(cè)壁上布置2個(gè)局部壁面進(jìn)行應(yīng)力解除，兩組組應(yīng)變叢在鉆孔軸線間的夾角為110°，這樣可以獲得至少8個(gè)以上的不同方向的正應(yīng)變值，從而確保測(cè)量的精度和有效性。

D、結(jié)合水平試驗(yàn)孔3的孔底和側(cè)壁壁面上的應(yīng)力解除作業(yè)獲得的不同方向的正應(yīng)變變化值，可以由此得到不少于六個(gè)獨(dú)立方程組成的線性方程組，只要已知測(cè)點(diǎn)附近巖石材料的彈性模量和泊松比，就可以通過(guò)最小二乘法求解得到測(cè)點(diǎn)的六個(gè)地應(yīng)力分量，從而也就獲得了測(cè)點(diǎn)的三維地應(yīng)力狀態(tài)。

申請(qǐng)者利用本地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)方法開展了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法測(cè)得的地下巷道處三維地應(yīng)力狀態(tài)與工程實(shí)際保持了較高的吻合度，較好地反映出地下巷道周圍地應(yīng)力特點(diǎn)以及演化規(guī)律，對(duì)于保障地下巷道施工安全以及指導(dǎo)地下巷道施工方案具有重要意義。

實(shí)施例2：

一種基于單一鉆孔變形測(cè)量確定巖體三維地應(yīng)力的方法，其步驟是：

A、如圖1(a)所示，在地下巷道1的掌子面2上施鉆一水平試驗(yàn)孔3，水平試驗(yàn)孔直徑可選取為當(dāng)水平試驗(yàn)孔3的深度遠(yuǎn)離地下巷道1的圍巖擾動(dòng)區(qū)域之外時(shí)，對(duì)水平試驗(yàn)孔3的孔底7進(jìn)行磨平作業(yè)。

B、四分量應(yīng)變叢4的每個(gè)應(yīng)變片相間成45°分布(如圖1(b)A-A剖面所示)，粘貼四分量應(yīng)變叢4的直徑為的圓形。待粘貼在水平試驗(yàn)孔孔底7上的四分量應(yīng)變叢4固結(jié)后，再沿原水平試驗(yàn)孔3的軸線進(jìn)行同心孔施工鉆進(jìn)以對(duì)孔底7已粘貼四分量應(yīng)變叢4的孔底面進(jìn)行應(yīng)力解除作業(yè)，試驗(yàn)孔孔底的應(yīng)力解除深度為400mm。在此過(guò)程中可以通過(guò)與應(yīng)變叢相連的應(yīng)變儀連續(xù)記錄試驗(yàn)孔孔底7的應(yīng)變變化情況，待孔底變形穩(wěn)定后停止鉆進(jìn)作業(yè)；

C、待試驗(yàn)孔孔底7的正應(yīng)變測(cè)量結(jié)束后，在距離孔底400mm的鉆孔側(cè)壁局部壁面8附近選擇某一局部壁面進(jìn)行打磨處理，處理完畢后在該局部壁面8粘貼四分量應(yīng)變叢5(應(yīng)變叢5的布置形式同應(yīng)變叢4，如圖1(b)A-A剖面所示)，粘貼四分量應(yīng)變叢5的直徑為的圓形。待粘貼的四分量應(yīng)變叢5固結(jié)后，采用取芯鉆頭圍繞已固化的四分量應(yīng)變叢5沿孔壁徑向向圍巖巖體內(nèi)進(jìn)行環(huán)切鉆進(jìn)以對(duì)已粘貼四分量應(yīng)變叢5的局部壁面實(shí)施應(yīng)力解除作業(yè)，鉆取完整巖芯的長(zhǎng)度約60mm。通過(guò)與四分量應(yīng)變叢5相連的應(yīng)變儀連續(xù)記錄應(yīng)力解除過(guò)程中的孔壁局部壁面正應(yīng)變變化，待孔壁局部壁面變形穩(wěn)定后停止環(huán)切鉆進(jìn)作業(yè)。在保證孔底應(yīng)變測(cè)量可靠的前提下，可以在試驗(yàn)孔側(cè)壁上布置2個(gè)局部壁面進(jìn)行應(yīng)力解除，兩組組應(yīng)變叢在鉆孔軸線間的夾角為120°，這樣可以獲得至少8個(gè)以上的不同方向的正應(yīng)變值，從而確保測(cè)量的精度和有效性。

D、結(jié)合水平試驗(yàn)孔3的孔底和側(cè)壁壁面上的應(yīng)力解除作業(yè)獲得的不同方向的正應(yīng)變變化值，可以由此得到不少于六個(gè)獨(dú)立方程組成的線性方程組，只要已知測(cè)點(diǎn)附近巖石材料的彈性模量和泊松比，就可以通過(guò)最小二乘法求解得到測(cè)點(diǎn)的六個(gè)地應(yīng)力分量，從而也就獲得了測(cè)點(diǎn)的三維地應(yīng)力狀態(tài)。

其它實(shí)施步驟與實(shí)施例1相同。

申請(qǐng)者利用本地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)方法開展了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法測(cè)得的地下巷道處三維地應(yīng)力狀態(tài)與工程實(shí)際保持了較高的吻合度，較好地反映出地下巷道周圍地應(yīng)力特點(diǎn)以及演化規(guī)律，對(duì)于保障地下巷道施工安全以及指導(dǎo)地下巷道施工方案具有重要意義。