[发明专利]高地应力地区存在岩芯饼化现象时测量地应力的方法

说明书

技术领域

本发明属于原岩地应力测量技术领域，特别涉及一种对高地应力地区地应力的测量方法。

背景技术

目前，越来越多的地下工程向深部发展，高地应力下岩芯饼化现象时地应力的测量是一个尚未解决的难题。在高地应力条件下，工程设计和建设更加需要准确快速测量工程区的原岩三维地应力，而当钻孔过程中出现岩芯饼化现象时，传统的地应力测量方法(主要是应力解除法)难以实施。《水利水电工程岩石试验规程SL264-2001》(中国水利电力出版社，2001)8.1.1、8.2.1、8.3.1明确提出“应力解除法适用于完整和较完整岩体，其测段内及测段附近岩性应均一完整”。《岩石工程试验监测手册》(中国建筑工业出版社，2005)3.9.2.2、3.9.3.2、3.9.4.2直接指出“应力解除法在破碎岩体、薄层或出现饼状岩芯处不宜采用”。同时，传统测量方法，不论是应力解除法，还是水压致裂法，都需要来回的下钻、穿线等繁琐测量工序和笨重的测量设备，有的方法需要多个不同方向的钻孔；其结果更依赖于传感器、解调仪等大量电子仪器，在地下工程恶劣的测量环境下仪器误差和可靠性都较难控制。

发明内容

本发明的目的是：提供一种简便、实用、科学、可靠的地应力测量方法。

本发明的技术方案是：一种高地应力地区存在岩芯饼化现象时测量地应力的方法，包括以下步骤： 

a、原岩岩饼取样

取2倍洞径以外典型的原岩岩饼至少3块，要求各岩饼的孔深相差在1m以内，岩饼形态类似，记录每个岩饼发生处的埋深和孔深；

b、确定每个岩饼三个主应力的方向

b1、设：岩石在力学上是均匀且各向同性的；岩饼表面和岩芯根部的平均赝轴拉应力σ_sz方向近似垂直，其方位角和最小主应力σ₃一致；

b2、建立X-Y-Z坐标系：钻孔钻进方向为Z轴，最大主应力σ₁在Z轴法平面上的投影为X轴，由右手准则确定Y轴；地磁北极到Y轴的夹角为θ₀，三维地应力在三个坐标轴上的分量分别为σ_x、σ_y、σ_z；

b3、建立岩饼外沿高度曲线z和σ₁、σ₂、σ₃三个主应力方向的数学模型设σ₂为中间主应力；

b3.1当σ₃＝σ_z和σ₁＞σ₂时，岩饼外沿的高度曲线z由下式给出：

z＝A_mcos²(θ-θ₀)(1)

其中Am是岩饼外沿高度变化的幅度；θ是岩饼外沿上点在X-Y平面投影的角度，以正北方向为0°，以逆时针为正；此时σ₃的方向和钻孔轴向即Z轴一致，凹、凸面轴分别与σ₁即X轴、σ₂即Y轴的方向一致，即θ₀＝θ₂；θ₂为σ₂的方位角；

b3.2当σ₃≠σ_z和σ₁＞σ₂时，岩饼形态的对称性被破坏；为描述岩饼外沿的高度，将b2步骤中建立的X-Y-Z坐标绕X轴旋转α角到X′-Y′-Z′坐标，再绕Y′轴旋转β角到X″-Y″-Z″坐标，最终坐标轴Z″和σ_sz的方向一致；这种条件下岩饼外沿的高度z在X-Y-Z坐标系中的表示由下式给出：