[发明专利]深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法

说明书

本发明公开一种深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法，通过现场取得的六个方向的岩样，进行室内试验，测试得到六个方向试样声学特征参数，记忆的地质历史中所受多个压应力值，进行逐一组合并利用弹性力学理论与方法，计算该最大主方向范围内的最大主应力值和最大主应力方向，以及中间主应力及其方向和最小主应力值及其方向，实现确定岩体现今地应力三个主应力值及其方向的目的。

技术领域

本发明属于岩体应力领域，特别涉及一种岩体现今所受地应力分析技术。

背景技术

山区河谷斜坡地区修建公路及铁路隧道，或者修建水电站地下厂房或输水隧洞，需要在原来密实的山体内掏挖出部分岩体，形成不同形状和空间展布的地下空间(穴)；开挖完成后的地下空间，或者开挖过程中形成的部分空间，若不给予支护加固，往往会发生超限变形，甚至垮塌。地下空间最终是否会出现超限变形或者垮塌，其垮塌形式和规模如何，除了与构成山体的岩体类型和完整程度有关外，还与开挖空间及其周围一定范围内的斜坡岩体原始地应力状态密切相关。判断地下空间开挖形成后是否稳定，可能的失稳形式和规模，采取何种方案和参数进行支护加固，事前必须知道场地岩体天然条件下的地应力大小及其主应力方向。

了解修建场地斜坡岩体天然地应力状态，目前常用的方法是在场地典型位置进行现场测试，或者在现场典型位置取样运回实验室进行测试；在测试数据基础上分析确定场地斜坡地应力状态，以此作为工程设计和施工的依据之一。现场测试方法有钻孔应力解除法(分为孔径变形法和孔壁应变法)、应力恢复法和水压致裂法。这些方法会消耗大量的时间和费用，测试结果的精度受众多必然的或偶然的因素影响，其可靠性有时较差。上世纪八、九十年代，人们针对岩石受压变形过程中，其声学特征参数对其曾经所受过的最大应力值具有“记忆性”，即记忆效应，开始将岩石样品取回实验室，制样进行声学特征参数测试，据此推算确定场地斜坡岩体天然地应力情况，这就是地应力室内声学测试方法。该方法可节省大量的时间和费用，已广泛应用于水利水电工程建设，公路及铁路隧道的建设，石油天然气勘探与开采等领域中。随着测试仪器精度的提高和大量测试资料的积累，人们发现岩石受压变形过程中岩石声学特征参数，具有对过去数次所受压应力值具有“记忆性”。也就是说利用室内岩石试样声学特征参数测试方法测得的地应力值可能有多个，这些地应力值意味着岩石在地质历史过程中所受到多次构造作用留下的“痕迹”。但是，它们之间有怎样的对应关系，至今没有形成统一的认识或结论，过去有的学者认为采用岩石声学特征参数测试方法，确定的应力是岩石历史上所受过的最大地应力，有的学者则认为是岩石现今所受的地应力，而有学者的又认为是地质历史过程中的某次构造作用应力，这一问题阻碍了岩体地应力室内声学测试方法的发展与应用。为了发挥岩体地应力室内声学特征参数测试方法的优势，更可靠、更有效和更广泛地将该方法应用于工程建设，解决岩石声学特征参数测试数据整理与解译中的上述技术难题成为当务之急。

当前，岩体地应力室内岩石试样声学测试，是利用岩石在单轴压缩受载变形中，其声学特征参数对其受力历史的“记忆性”，在需要了解地应力的工程建设场地，取得以大地坐标为参考坐标的定位和定向工程场地岩石毛样，在毛样上标记大地坐标的方向。毛样运回室内后，分别在x，y，z，x45°y，y45°z和z45°x六个方向制取长方体试样。对六个方向的试样在进行单轴压缩变形测试的同时，就其声学特征参数“记忆点”进行测试，以推算确定岩石在相应方向曾经受过的应力大小，再利用弹性力学理论中，特定坐标下任意微元体应力分量计算主应力与主方向的方法，计算确定场地测试点及其附近地应力的主应力大小和主方向。根据弹性力学理论与方法，六个方向中每个方向试样只有一个受力历史记忆声学点，则地应力只有唯一的一组主应力和主方向；根据试验发现，笛卡尔坐标下六个方向上的全部试样，或者至少某一个方向上的试样，常常具有多于一个受力历史记忆点，地应力就有多于一组的主应力和主方向，那么这些主应力及其主方向与地质构造作用期次之间如何对应。对于工程建设至关重要的斜坡，现今天然地应力大小及其主方向，如何从多组地应力测试数据中将其“找出来”，已成为岩体地应力室内声学特征参数测试数据整理方法，现今天然地应力测试工作急需解决的难题。

发明内容