一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法

1.一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法，其具體步驟是：(1)假設(shè)垂直方向為已知主應(yīng)力σZ，主應(yīng)力大小可由公式σZ＝γd求得，式中γ為上部巖層容重，d為埋深；(2)水平方向上，在相互垂直的兩個方向及與此兩方向夾角成45度的方向，即X，Y，X45Y每個方向上取4個直徑30mm，高60mm的巖樣；(3)將加工好的標準試件在電液伺服壓力機上做單軸抗壓試驗，將聲發(fā)射探頭抹上凡士林，并用膠帶緊貼在標準試樣側(cè)面；試驗開始時，需保證聲發(fā)射儀與應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗要求加載速率控制在0.006mm/s-0.008mm/s，加載至標準試樣出現(xiàn)殘余強度，停止加載和記錄；(4)聲發(fā)射儀記錄得到能量累積計數(shù)-時間曲線，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄得到應(yīng)力-時間曲線，兩組數(shù)據(jù)以時間為統(tǒng)一坐標軸，繪制能量累積計數(shù)-應(yīng)力-時間關(guān)系曲線，分析該關(guān)系曲線，能量累積計數(shù)-時間曲線斜率的突變點所對應(yīng)的應(yīng)力即為Kaiser點；(5)利用上述試驗方法，得到三個方向?qū)?yīng)的Kaiser點應(yīng)力，分別為σX，σY，σX45Y；根據(jù)以下理論計算公式可計算水平方向兩個主應(yīng)力的大小及方向：
式中：σ1和σ2為所求的最大和最小主應(yīng)力值；θ為σ1與σ2的夾角；σI＝σX，σII＝σX45Y，σIII＝σY；
根據(jù)以上公式，可求得測點處最大、最小主應(yīng)力的大小和方向，加上假設(shè)的σZ，即可實現(xiàn)地應(yīng)力的三維應(yīng)力測定。

一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法\n技術(shù)領(lǐng)域\n[0001] 本發(fā)明涉及一種巖土工程地應(yīng)力測試技術(shù)，尤其是一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法。\n背景技術(shù)\n[0002] 隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，礦山開采、交通運輸、水利建設(shè)等建設(shè)工程中所遇到的穩(wěn)定性問題也日益突出。大量巖土工程實例表明，地應(yīng)力中最大主應(yīng)力的大小、方向?qū)こ谭€(wěn)定性影響甚大，且不少地方水平地應(yīng)力高于垂直地應(yīng)。近年來，地應(yīng)力測量方法主要以傳統(tǒng)聲發(fā)射法、水壓致裂法和空心包體應(yīng)變測量技術(shù)為主。\n[0003] 巖石類材料在受到外載荷作用時，其內(nèi)部儲存的應(yīng)變能會因微破裂作用而快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響，稱為聲發(fā)射。傳統(tǒng)聲發(fā)射法測量地應(yīng)力就是基于這樣一種現(xiàn)象，即材料在經(jīng)過一次或幾次反復(fù)加載一卸載后，再一次對其加載時，如果沒有超過先前的最大應(yīng)力，則很少發(fā)生聲發(fā)射，只有達到并超過以前的最大應(yīng)力，才能產(chǎn)生大量聲發(fā)射，這種現(xiàn)象也叫Kaiser效應(yīng)。現(xiàn)場測量時要獲得存在于開挖巖體及其周圍區(qū)域內(nèi)的三維應(yīng)力狀態(tài)就必須在巖體上取交匯于測點六個互不平行的定向巖芯，然后在試驗室中對加工好的各個定向標準試樣逐個加載，通過聲發(fā)射測量測定標準試樣先前受到的最大應(yīng)力，并將它定為采芯地點某個方向的應(yīng)力，最后依照彈性力學(xué)的基礎(chǔ)，解方程組計算出該點的最大主應(yīng)力大小及方向。此方法的缺點是定向取樣非常麻煩，要準確的在一個點上獲取六個不同方向的巖樣十分困難，同時，即使是取得了6個方向的巖樣，但只要有一個方向的巖樣失敗，那么就得不出方程組的解析解，即該點的最大主應(yīng)力無法得出。因此為保證測試的成功，有些學(xué)者建議在每個方向上取4個樣，那么6個方向就是24個樣，這樣在一點上取這么多直徑為50mm的巖芯何其困難，即使是取得了也難以保證它們是同一點的。因此，這種方法也一直停留在理論研究階段，實際應(yīng)用價值很低?？招陌w應(yīng)變測量技術(shù)通常是通過逐點測量來完成的，那么要獲得存在于開挖巖體及其周圍區(qū)域內(nèi)的三維應(yīng)力狀態(tài)就必須在深部打直徑達150mm的套孔，由于施工難度大，施工作業(yè)條件要求特殊，所以在技術(shù)力量相對薄弱的地方難以保證測量的準確性，從而也限制了此類方法的推廣應(yīng)用，同時大部分需要測定原巖應(yīng)力的區(qū)域，尚未有地下坑道布設(shè)，所以很難具備空心包體應(yīng)變測量的條件，特別是露天礦山尤為突出。而水壓致裂法是假定自重應(yīng)力是一個主應(yīng)力且與一個主應(yīng)力方向重合，根據(jù)鉆孔測得的結(jié)果確定三維地應(yīng)力狀態(tài)，它的突出優(yōu)點是能測量深部地壓，然而這種方法機械的認為巖石初始開裂是在垂直于最小主應(yīng)力的方向發(fā)生，可是如果巖石本來就有層理、節(jié)理等弱面存在，那么初始裂隙就有可能沿著弱面發(fā)生。因此，這種方法只能用于比較完整的巖石中，更重要的是這種方法代價非常昂貴，操過繁瑣復(fù)雜，所以在一定程度上也限制了它的發(fā)展。因此，如何找到一種既廉價又適用的地應(yīng)力測量方法成為巖體工程界面臨的當務(wù)之急。\n發(fā)明內(nèi)容\n[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法，此方法也是假定自重應(yīng)力是一個主應(yīng)力，然后在平面應(yīng)力條件下利用聲發(fā)射的方法求解水平面上的最大主應(yīng)力和方向，所以此方法兼具聲發(fā)射和水壓致裂法的特點，但在經(jīng)濟和適用性上卻比水壓致裂法要合理的多。\n[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法，其具體步驟是：(1)假設(shè)垂直方向為已知主應(yīng)力σZ，主應(yīng)力大小可由公式σZ＝γd求得，式中γ為上部巖層容重，d為埋深；(2)水平方向上，在相互垂直的兩個方向及與此夾角45度的方向，即X，Y，X45Y每個方向上取4個直徑30mm，高60mm的巖樣；(3)將加工好的標準試件在電液伺服壓力機上做單軸抗壓試驗，將聲發(fā)射探頭抹上凡士林，并用膠帶緊貼在標準試樣側(cè)面。試驗開始時，需保證聲發(fā)射儀與應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗要求加載速率控制在0.006mm/s-0.008mm/s，加載至標準試樣出現(xiàn)殘余強度，停止加載和記錄；(4)聲發(fā)射儀記錄得到能量累積計數(shù)-時間曲線，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄得到應(yīng)力-時間曲線，兩組數(shù)據(jù)以時間為統(tǒng)一坐標軸，繪制能量累積計數(shù)-應(yīng)力-時間關(guān)系曲線。分析該關(guān)系曲線，能量累積計數(shù)-時間曲線斜率的突變點所對應(yīng)的應(yīng)力即為Kaiser點；(5)利用上述試驗方法，得到三個方向?qū)?yīng)的Kaiser點應(yīng)力，分別為σX，σY，σX45Y；根據(jù)以下理論計算公式可計算水平方向兩個主應(yīng)力的大小及方向：\n[0006] \n[0007] 式中：σ1和σ2為所求的最大和最小主應(yīng)力值；θ為σ1與σ2的夾角；σ1＝σX，σIIσX45Y，σIII＝σY；\n[0008] 根據(jù)以上公式，可求得測點處最大、最小主應(yīng)力的大小和方向，加上假設(shè)的σZ，即可實現(xiàn)地應(yīng)力的三維應(yīng)力測定。\n[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法是一種新型地應(yīng)力場測試方法，可以彌補傳統(tǒng)測試方法的不足，同時也可以大大節(jié)省測量耗費，具有可操作性強、測量準確等優(yōu)點，結(jié)合巖體力學(xué)試驗和數(shù)值模擬分析等手段，可為巖土工程設(shè)計提供有力的科學(xué)依據(jù)，是一種全新、國際先進的地應(yīng)力場測試方法。\n附圖說明\n[0010] 圖1為本發(fā)明一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法中任一截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力示意圖；\n[0011] 圖2為本發(fā)明一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法結(jié)中三個已知截面依次按45°分布圖；\n[0012] 圖3為本發(fā)明一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法中取樣位置示意圖；\n[0013] 圖4為本發(fā)明一種基于平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量方法標準試樣聲發(fā)射測試示意圖。\n具體實施方式\n[0014] 平面應(yīng)力條件下聲發(fā)射測量的理論基礎(chǔ)地應(yīng)力測量常以平面狀態(tài)為基礎(chǔ)。將地應(yīng)力測量鉆孔看成是無限大薄板中的圓孔，且應(yīng)力方向與水平面平行，根據(jù)彈性力學(xué)計算公式，已知兩對水平主應(yīng)力σ1和σ2，則任一截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為(如圖1所示)：\n[0015] \n[0016] 那么如果已知了三個不同截面上的正應(yīng)力，則可根據(jù)以上公式，求出水平面上的最大主應(yīng)力大小和方向。在這里為考慮聲發(fā)射制樣方便，只討論三個已知截面依次按45°分布的情況(如圖2所示)，則有：\n[0017] \n[0018] 展開三角函數(shù)得：\n[0019] \n[0020] 解方程組得：\n[0021] \n[0022] 可根據(jù)以上推導(dǎo)公式，求出水平面上的最大、最小主應(yīng)力大小和方向，加上假設(shè)的σZ，即可實現(xiàn)地應(yīng)力的三維應(yīng)力測定。\n[0023] 平面應(yīng)力條件下聲發(fā)射測量的具體步驟：\n[0024] 平面應(yīng)力條件下的新型聲發(fā)射地應(yīng)力場測量技術(shù)的具體步驟是：\n[0025] (1)假設(shè)垂直方向為已知主應(yīng)力方向σZ，主應(yīng)力大小可由公式σZ＝γd求得(γ為上部巖層容重，d為埋深)；\n[0026] (2)水平方向上，在相互垂直的兩個方向及與此夾角45度的方向，即X，Y，X45Y每個方向上取4個直徑30mm，高60mm的巖樣；\n[0027] (3)將加工好的標準試件在電液伺服壓力機上做單軸抗壓試驗，將聲發(fā)射探頭抹上凡士林，并用膠帶緊貼在標準試樣側(cè)面。試驗開始時，需保證聲發(fā)射儀與應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗要求加載速率控制在0.006mm/s-0.008mm/s，加載至標準試樣出現(xiàn)殘余強度，停止加載和記錄；\n[0028] (4)聲發(fā)射儀記錄得到能量累積計數(shù)-時間曲線，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄得到應(yīng)力-時間曲線，兩組數(shù)據(jù)以時間為統(tǒng)一坐標軸，繪制能量累積計數(shù)-應(yīng)力-時間關(guān)系曲線。分析該關(guān)系曲線，能量累積計數(shù)-時間曲線斜率的突變點所對應(yīng)的應(yīng)力即為Kaiser點；\n[0029] (5)利用上述試驗方法，得到三個方向?qū)?yīng)的Kaiser點應(yīng)力，分別為σX，σY，σX45Y。根據(jù)以下理論計算公式可計算得水平方向兩個主應(yīng)力的大小及方向：\n[0030] \n[0031] 式中：\n[0032] σ1和σ2為所求的最大和最小主應(yīng)力值；\n[0033] θ為σ1與σ2的夾角；\n[0034] σI＝σX，σII＝σX45Y，σIII＝σY。\n[0035] 根據(jù)以上公式，可求得測點處最大、最小主應(yīng)力的大小和方向，加上假設(shè)的σZ，即可實現(xiàn)地應(yīng)力的三維應(yīng)力測定。