不同應力解除法地應力測試方法對比及工程應用

李強　曾平　許靜　韓曉玉

摘要：介紹了鉆孔空心包體式應變計與孔壁切縫解除法地應力測試的基本原理和測試方法，同時對兩種應力解除地應力測試方法的適用性進行對比分析。將兩種應力解除法應用于錦屏一級導流洞邊墻的地應力測試中，并就同一鉆孔進行了對比測試。通過對測試結果的對比分析可知，兩種方法的測試結果相符，應力量值誤差均小于20%，鉆孔橫截面最大主應力方位誤差也在20°以內。鑒于孔壁切縫解除法地應力測試方法可用于極高應力條件下的應力測量，對于西部的深埋高-極高應力條件下的地下工程來說，該方法非常行之有效。

關鍵詞：地應力;鉆孔空心包體式應變計;孔壁切縫解除法;錦屏一級水電站

中圖法分類號：P642

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.027

1研究背景

地應力場信息是進行地下洞室、壩基和邊坡穩定性分析，進行合理的開挖支護設計必不可少的資料之一[1]。目前確定地應力或地應力場的方法主要有兩大類[2]：其一是直接測量法，其二為間接推斷法。直接測量地應力大小和方向的方法主要有應力解除法、應力恢復法、水壓致裂法、鉆孔崩落分析法等;間接推斷地應力大小和方向的方法也有許多種，如測量巖芯波速各向異性法、巖芯微裂隙取向統計法、震源機制推斷法、橫波分裂法、井孔管道偏振分析法、地質學的斷層或節理走向統計法、斷層滑動方向擬合法、顯微構造分析法、火山錐定向排列分析法、水系走向統計分析法、X-射線法（測殘余應力）、Kaiser效應法（測巖石經受的最大應力）等。

目前，西部水利水電工程大都具有深埋大、高地應力及構造復雜等特點[3]。在極高應力環境中，常規的鉆孔孔壁應變解除測量法在取芯過程中巖芯餅化現象易造成試驗失敗[4];水壓致裂法試驗過程需要用到超高壓設備，從而加劇了試驗難度，因此高應力環境中的地應力測量成為一大難題[5]。長江科學院相關技術人員在錦屏一級右岸導流洞右邊墻（靠近廠房位置）布置了4個水平鉆孔（95mm），采用國內首次引進的鉆孔孔壁切縫解除法和目前最廣泛使用的空心包體式孔壁應變套芯解除法進行巖體應力測量[6]，并對不同應力解除法地應力測試結果進行對比。

2不同應力解除法地應力測試原理

2.1鉆孔孔壁切縫解除法測試原理

鉆孔孔壁切縫法地應力測試是一種基于原位應力釋放原理的二維平面應力測量方式，其原理見文獻[7]。測試設備示意圖見圖1。試驗測試過程中，金剛石鋸片在鉆孔孔壁上切出若干條按一定角度分布的平行于鉆孔軸線方向的切縫（切縫寬約1～2mm，最大深度20mm）。該方法的優點是不需要水壓致裂法的高壓設備，也不需要套芯解除法的完整巖心，特別適用于特高應力條件

在切縫前，通過液壓設備將緊鄰切縫的接觸型應變傳感器緊貼在預設切縫附近巖體上，通過測讀巖體切縫前后應變值變化量，從而計算得切縫法向應力。如圖2所示，假定鉆孔橫截面水平方向為X軸，鉛直向上方向為Z軸，令Szz，Sxx及Sxz為鉆孔橫截面的原巖應力（造孔前巖體應力）分量，則孔壁上與Z軸夾角為θ位置的孔周巖壁的應力狀態為

公式

如果切縫后，測得該部位應變為ε，巖體彈性模量為E，則

公式

在理論上，布置最少3個獨立的切縫進行單獨測量，并通過3個獨立的法向應力結果可計算出鉆孔橫截面的二維應力張量。測試過程中若測量結果的規律性較差時，可增加額外的切縫數量，直到取得較為一致的測試結果。

2.2空心包體解除法應力測試原理

空心包體式套芯解除法測試測量元件采用的是CKX-97型空心包體三向應變計，是長江科學院對澳大利亞CSIRO應變計進行改進研制的，與其它孔壁應變計相比的優點是，能適應于比較軟弱的巖體，操作方便，測試成功率較高。該應變計由嵌入環氧樹脂筒中的9個電阻應變片組成。應變計制作時先將3個應變叢（每個應變叢由3個電阻應變片組成）沿環氧樹脂薄壁筒圓周相隔120°粘貼。然后再用環氧樹脂粘結劑澆注外層，使電阻應變片嵌固在此環氧樹脂層筒壁內。成品應變計外徑為34mm，黏貼應變片部位長95mm，應變計結構如圖3所示。

在應變計表層嵌固3個應變叢，序號用i表示，對應的極角為θi;。每個應變叢由3個應變片組成，序號用j表示，對應的角度為φij。根據應變觀測值Ek與巖體應力狀態的關系，可得到下列觀測值方程組：

公式

式中，K、K2、K，、K，為修正系數。

CKX-97空心包體式三向應變計的一次測量可獲得9個觀測值方程，解6個應力分量的未知量。利用最小二乘法原理，得到求解應力分量最佳值的正規方程組為

公式

由此解得由鉆孔坐標系表達的巖體6個應力分量后，把它們轉換到大地坐標系中去，再根據下式求解它的3個主應力：

公式

式中，J1J2和J3為應力張量的第一、第二和第三不變量。

主應力方向由（7）式表達：

公式

上式中任意兩式和方向余弦的關系式為

公式

聯立解得主應力的傾角a;和方位角β;為

公式

式中，β0為大地坐標系X軸的方位角。如X軸為正北方向，則β0=0。

2.3兩種應力解除法適用性對比

上述兩種應力解除法均適用于淺鉆孔的地應力測試，應力計算時均依賴于巖體的力學參數指標，現將兩種方法優缺點對比如下。

（1）空心包體式解除法。常用的鉆孔空心包體式應變計主要適用于完整或較完整的巖體[8]，要求解除后獲得40cm以上的巖芯才能算解除成功;對高-極高應力條件下巖體不適用，在解除過程中巖芯極易發生餅化現象，空心包體很容易斷裂甚至破碎，造成嵌入空心包體內的應變片破損而不能正常工作。優點是該方法不受鉆孔方位的限制，在鉆孔中有水情況下也可進行。鉆孔空心包體式應變計一個點的測量即可得出該部位的三維應力狀態[9]。

（2）鉆孔切縫法。鉆孔切縫法對巖體的完整性要求不高，基本適用于各種巖體，只要求測點部位局部的巖體較為完整即可;同時，也適用于各種應力條件下的巖體。但該方法受鉆孔方位的限制，只適用于水平略向上傾或垂直向上的鉆孔，只能在無水的條件下進行測試。該方法所測試的是鉆孔橫截面上的二維應力狀態，若要測定該部位的三維應力狀態，需進行兩兩正交的3個鉆孔測試才能獲得。

3工程應用

3.1測試情況簡介

錦屏一級水電站引水發電系統布置于壩址右岸，地下廠區洞室群規模巨大，主要由引水洞、地下廠房、母線洞、主變室、尾水調壓室和尾水洞等組成，三大洞室平行布置[10]。地下廠房位于大壩下游約350m的山體內，水平埋深約110～300m，垂直埋深約180～350m。右岸導流洞鄰近廠房段（0+810～0+860）位于大壩下游約350m的右岸山體內，再往山里布置有地下廠房，導流洞距廠房端墻（第一副廠房端墻）約35m。在錦屏一級右岸導流洞右邊墻（靠近廠房位置），布置了4個水平鉆孔（95mm），進行了兩種應力解除法地應力測量：①空心包體式套芯解除法測試，獲得各點的三向應力狀態;②孔壁切縫解除法測試，確定鉆孔橫截面的平面應力狀態。測孔參數見表1，測試鉆孔布置見圖4。

在導流洞布置的4個測孔（表1），整體上巖石堅硬完整，巖芯多呈長柱狀，含少量裂隙。具體而言：S1孔在14.5～14.8m，17.3～17.5m，22.1～22.2m段均存有微裂隙。S2孔完整性相對較差，裂隙較為發育，在17.3～18.0m，20.1～21m，23.0～23.1m等深度存在裂隙。S3孔巖芯相對完整。S4孔淺部裂隙較為發育，深部巖芯相對完整，在14.7～14.9m發育裂隙。套芯解除測試在鉆孔巖芯相對完整的深度區間進行。本文僅選取S4孔進行分析。

3.2測試結果分析

3.2.1空心包體式套芯解除法地應力結果

在對空心包體式套芯解除法地應力測量結果整理過程中，針對應變叢未直接粘貼在孔壁上的修正系數K;（i=1～4），由應變計預埋孔半徑（18.25mm）、應變計半徑、環氧樹脂層的彈性模量E（4GPa）與泊松比μ1（0.35）、巖石彈性參數（E與μ）計算確定。確定本次計算參數及修正參數見表2。S4孔空心包體式套芯解除法地應力測量結果見表3。

表3中測點深度為15.8m和18.9m兩個測點的最大水平主應力σH的方位角差別較大。造成這種結果的原因可以歸結為測試成果的代表性：空心包體式套芯解除法的測試結果代表了測點部位約40cm范圍內的應力分布情況，測點附近的原生微裂隙和不連續面對測試結果的影響較大，測點深度為20.0m的測試結果與淺部測點差異較大，可以認為該測點為僅代表測點部位應力狀態的離散點，不能反映大范圍內巖體的應力狀態，因此，在進行應力場分析時應予以剔除。

3.2.2鉆孔切縫法地應力測試結果

切縫法地應力測試結果整理的過程中需要巖體的彈性參數（E與μ），取表2中巖石彈性模量為41.0GPa，泊松比為0.26。表4為鉆孔S4的測試結果。

3.2.3兩種解除法地應力測量結果對比

將空心包體式套芯解除法地應力測量結果通過坐標轉換至鉆孔切縫法地應力測試橫截面上，再與鉆孔切縫法地應力測試結果進行對比，對比結果見表5。

從表5看，采用兩種不同應力解除法在同一鉆孔中相鄰部位進行測試，應力量值誤差在20%左右，應力方位誤差也均小于20°。兩種測試方法之間的誤差相對較小。

鑒于鉆孔切縫法在試驗過程中，僅要求鉆孔2cm左右完整的孔壁就可快速地成功測量，克服了常規的地應力測試方法在極高應力環境中現場測試的局限性。因此，對于西部的深埋高應力條件下的地下工程來說，鉆孔切縫法不失為一種行之有效的地應力測試方法。

4結論

本文介紹了利用鉆孔空心包體式應變計與孔壁切縫解除法進行地應力測試的基本原理和測試方法，并應用于錦屏一級導流洞邊墻的應力測量中，主要結論如下。

（1）兩種應力解除法均適用于淺鉆孔的地應力測試，應力計算時均依賴于巖體的力學參數指標。

（2）常用的鉆孔空心包體式應變計主要適用于完整或較完整的巖體，要求解除后獲得40cm以上的巖芯才能算解除成功;對高-極高應力條件下巖體不適用，在解除過程中巖芯極易發生餅化現象，可選用孔壁切縫解除法進行應力測量。

（3）通過錦屏一級導流洞邊墻的應力對比測量可知，兩種方法的測試結果相符，應力量值誤差均小于20%，鉆孔橫截面最大主應力方位誤差也在20°以內。

（4）1對于西部的深埋高-極高應力條件下的地下工程來說，鉆孔切縫法可作為一種行之有效的地應力測試方法。

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引用本文：李強，曾平，許靜，韓曉玉.不同應力解除法地應力測試方法對比及工程應用[J].人民長江，2019，50（3）：156-160.

Comparison of different stress relieving methods and application in geo-stress measuring

LI Qiang，ZENG Ping，XU Jing，HAN Xiaoyu

（Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：We introduce basic principles and measuring procedures of two geo-stress measuring methods，the hollow packagetriaxial gauges and the borehole slotter.Meanwhile，comparative analysis of the applicability of two relieving stress testing methods was carried out.The two different stress relieving methods were applied to the in-situ stress test of the side wall in the diversion tunnel of Jinping-I hydropower plant，and comparative tests were carried out in the same borehole.The measuring results ofboth methods were consistent.The stress value error was less than 20%，and the maximum principal stress of cross section drilling azimuth error was 20 degrees.So the borehole slotter method can be used for high stress measurement of underground projectsin western China that usually encounters the conditions such as deep buried tunnels and high or extremely high stress conditions.

Key words：geo-stress;hollow inclusion triaxial gauges;borehole slotter test;Jinping-I Hydropower Plant