[发明专利]一种基于应力解除法确定岩体三维初始地应力的方法

说明书

本发明公开了一种基于应力解除法确定岩体三维初始地应力的方法，属于地应力测量技术领域。首先在隧道岩壁上同一截面区域，通过调整测量点与隧道水平面之间的夹角θ选取可测试的3个测量点；采用应力解除法并结合弹性力学胡克定律分别计算各个测量点的扰动应力分量σ′_θ、σ′_z和τ′_zθ；根据弹性力学建立3个测量点处9个扰动应力分量与三维初始地应力六分量之间的9个数学方程。从中选取6个独立方程，即可求得测点处的三维初始地应力六分量。该方法弥补了目前基于应力解除法确定岩体三维初始地应力方法的不足，具有操作简单、经济、便于测量和计算方便的特点。

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，尤其涉及一种基于应力解除法确定岩体三维初始地应力的方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，在交通、水利水电和矿山都需要建设大量的深埋长大隧道(巷道)等工程。由于岩体自重和地质构造运动，岩体中存在着复杂的地应力场，而且地应力是引起地下工程变形和破坏最主要的影响因素。因此，获得地下工程区域的初始地应力大小和方向对地下工程轴线的布置、开挖方式的选择、开挖顺序的优化和选择合理的支护参数的选择都起到至关重要的作用。

目前世界上已有的测量方法有很多种，根据其原理主要分为直接测量法和间接测量法。直接测量法是指通过直接测量获得相应的应力分量值；而间接测量法主要根据岩石的变形，利用弹性力学公式算出岩体的初始应力场。在国内应用最为广泛的直接测量法为水压致裂法，该方法可以通过设备直接测出测点区域的初始地应力值，但该方法操作较复杂且测量费用昂贵。国内应用比较广泛间接地应力测量方法主要为应力解除法，虽然该方法操作简单、测量费用低而且其测量技术和测量设备已经发展的相对成熟和完善，但在三维初始地应力测量方面该方法还存在着一定的局限性。传统的基于应力解除法确定岩体三维初始地应力的方法，也就是通过三孔交汇法确定测点的三维初始地应力。该方法需要三个钻孔相互直交或斜交布置，对孔底进行应力解除，测量孔底的应变值，现场操作较困难，而且计算三维初始地应力时多采用经验公式计算，误差相对较大。

专利申请号201710008658.0提出了一种基于单一钻孔变形测量确定岩体三维地应力的方法。其特征主要是在试验孔孔底安装相邻应变片之间成45°分布的四分量应变从，通过对试验孔孔底和侧壁面的应力解除作业获得不同方向的正应变值。从而得到六个线性方程组，计算求解获得测点的三维地应力值。但钻孔的空间狭小，粘贴应变片本身就非常困难。在同一钻孔中粘贴成45°夹角的4个应变片，现场操作更加困难。专利申请号201510243385.9提出了一种地应力测试的旁孔应力解除法。其特征为在主孔的底部和底部旁孔以及主孔的侧壁和侧壁旁孔进行应力解除，测量并记录相关径向变形数据。然后用数值模拟软件模拟现场实测时的应力解除过程，通过训练神经网络模型建立岩体的地应力值与测量孔变形之间的映射关系，进而反演出该区域的三维地应力值。然而，训练神经网络模型需要较多的样本数据，即需要用数值模拟软件计算出较多的样本，消时较长，且用到的软件较多、操作复杂，对现场工作人员的要求较高。因此，岩土工程领域亟需一种既操作简单又计算方便准确的地应力测量方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于应力解除法确定岩体三维初始地应力的方法。

本发明所采取的技术方案是一种基于应力解除法确定岩体三维初始地应力的方法，其过程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：在隧道段同一截面区域，通过调整测量点与隧道水平面之间的夹角θ，选择3个不同的测量点记为P₁、P₂和P₃，整体坐标系如图2所示；

步骤2：利用应力解除法分别测得隧道开挖后平行于测量点P₁、P₂和P₃的3个应变片方向的应变变化量ε_z、ε_θ和ε_45°；