CN108918682A - 深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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
为解决上述技术问题，本发明提出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，利用岩石试样在室内压缩变形试验中的声学特征事件，就其受力历史记忆性的监测测试数据，结合场地地质构造痕迹和地质力学综合分析，确定地质构造强烈隆升与河流急速下切地区，现今天然地应力大小及其主方向。
本发明采用的技术方案为：深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法，包括以下步骤：
S1、通过对x、y、z、x45°y、y45° z和z45° x六个方向的岩体试样分别进行试验，并记录各方向对应的岩体试样声学特征事件与压应力、时间的关系数据；
S2、根据记录的某一方向对应的岩体试样声学特征事件与压应力、时间的关系数据，得到该方向对应的声发射次数累计对数-时间曲线、声发射频率-时间直方图以及压应力-时间曲线；
S3、根据某一方向对应的声发射次数累计对数曲线与压应力-时间曲线，确定该方向岩石声学特征参数记忆效应点的压应力值；
S4、根据步骤S3得到x、y、z、x45°y、y45° z和z45° x六个方向的试样的声学特征参数记忆效应点的压应力值，并对每个方向的试样进行压应力标准值统计分析，得到六个方向多个记忆效应点压应力的标准值；
S5、确定取样点的岩体地应力最大主应力方向范围；
S6、确定取样场地岩体地应力最大主应力倾角范围；
S7、将步骤S4得到的六个方向多个记忆效应点压应力的标准值进行组合，并根据弹性力学计算各个组合由方位角和倾角表示的主应力大小和主应力方向；
然后将各个组合的六个应力分量代入弹性力学中计算主应力和主应力方向的公式，分别计算其由方位角和倾角表示的主应力大小和主应力方向；
S8、根据步骤S5确定的取样点的岩体地应力最大主应力方向范围，以及步骤S6确定的取样点的岩体地应力最大主应力倾角范围，对步骤S7得到的各个组合由方位角和倾角表示的主应力大小和主应力方向进行筛选；
若筛选结果组数大于一组，则以最接近于标准中值的主应力值和主应力方向，分别作为工程场地取样点处岩体现今天然地应力的主应力量值和主应力方向；否则以筛选出这一组主应力大小和主应力方向分别作为工程场地取样点处岩体现今天然地应力的主应力量值和主应力方向。
进一步地，步骤S3具体为：过声发射次数累计对数曲线上多个跃增起始点，做与纵坐标轴平行的垂直线与压应力～时间曲线得到多个交点，在交点处做与横坐标时间轴平行的水平线，所述平行线压应力坐标轴的交点为岩石声学特征参数记忆效应点的压应力值。
进一步地，步骤S5所述场址区的构造地应力最大主力方向范围，具体为：在垂直于河流方向的河流勘探横剖面内，若河床基岩顶面最低点到取样点连线的倾角小于0，则该取样点的岩体地应力最大主应力方向范围与场址区的构造地应力最大主力方向范围相同；否则该取样点的岩体地应力最大主应力方向范围计算式为：
其中，β0表示取样点的岩体地应力最大主方向范围的中间值，β1表示程场地范围内构造地应力最大主应力方向的中间值，β2表示取样场地附近地段河流流向方位，α1表示在垂直于河流方向的河流勘探横剖面内，河床基岩顶面最低点到取样点连线的倾角；Δβ1表示β1的变化范围。
进一步地，步骤S6具体为：具体为：在垂直于河流方向的河流勘探横剖面内，若河床基岩顶面最低点到取样点连线的倾角小于0，则该取样点的岩体地应力最大主应力倾角范围计算式为：
其中，α0表示取样点的岩体地应力最大主应力倾角的中间值；Δα0表示α0的变化范围；
否则该取样点的岩体地应力最大主应力倾角范围计算式为：
本发明的有益效果：通过室内定向岩样，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。作为大型岩体工程可行性论证、方案设计与结构设计和施工工艺确定的依据和参考。
附图说明
图1为场地现场取得的岩石毛样示意图；
图2为x0y平面内的切样方向示意图；
图3为y0z平面内的切样方向示意图；
图4为x0z平面内的切样方向示意图；
图5为大地坐标中的6个切样方向示意图；
图6为磨成的试样示意图；
图7为测试中的试样示意图；
图8为声发射次数累计对数及应力-时间曲线示意图；
图9为声发射频率及应力-时间直方图；
图10为声发射次数累计对数及应力-时间曲线和声发射参数记忆点应力确定示意图；
图11为构造地应力最大主方向范围示意图；
图12为a-a’剖面、急速下切河谷和取样位置示意图；
图13为本发明实施例提供的电站场址交通及位置示意图；
图14为本发明实施例提供的厂址区平面及取样位置示意图；
图15为本发明实施例提供的取样点位置剖面图；
图16为本发明实施例提供的制样方向示意图；
图17为本发明实施例提供的声发射频率-时间直方图；
图18为本发明实施例提供的声发射次数累计对数-时间曲线以及压应力-时间曲线。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明采用的技术方案为：深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法，基于岩石受载变形中的声发射现象和声发射参数对其受载历史的记忆性，通过室内岩石试样测试，综合利用取样场地地质构造形迹及其与河谷走向的关系，以及河谷地形条件，确定岩体现今天然地应力状态。以下对本实施例中用到的技术属于进行解释：
1、确定岩体现今天然地应力方法，适用于全新世(之前约12000年)以来地质构造活跃及地壳强烈隆升，河流急速下切地区河谷岩体现今天然地应力的测试与分析确定。
2、全新世以来地质构造活跃及地壳强烈隆升地区，是指12000年以来地壳隆升平均速率大于等于2cm/a的地区；河流急剧下切地区是指河流相对下切平均速率不小于1.5cm/a的地区。
3、深切河谷岩体是指河流两岸一定范围内的斜坡岩体，河谷岸坡平均坡度大于30°，河床到坡缘的直接垂直高度大于100m的河谷。
4、岩石毛样，是指在现场凿取或钻取的形状为近似多边体或柱体，几何尺度大于测试小试样的岩石块体。
5、岩体现今天然地应力，是指地质构造作用和地球引力作用在岩体中产生的构造应力和自重应力的总称，是现在未受人类工程活动影响下的应力，不是地质历史中曾经承受过的应力。
6、岩体天然地应力状态，是指没有人类工程活动影响下岩体中的主应力量值大小及其在笛卡尔大地坐标中的方向(也叫主方向)；主应力及其主方向有三个，即最大主应力与最大主方向、中间主应力与中间主方向、最小主应力与最小主方向。
7、岩石室内声学特征，是指实验室内岩石受压缩力作用时在破坏前的变形过程中，其内部微裂隙扩展变大或破裂发出的微弱声音的现象和特性。
8、岩石声发射特征参数，是指岩石变形中产生的声学事件(单次声学现象)次数的累计与声发射事件释放能量的累计。
9、岩石声发射率(频度)与能量释放率是指单位时间内岩石声发射事件次数与岩石声发射释放的能量。
10、岩石声发射参数对其曾经受过应力大小的记忆效应，是指当岩石在某方向受到的压缩应力，达到其曾经在同方向受过的应力时，其声发射参数就有响应，即声发射率等参数有突然增加的现象，似乎岩石受载变形过程中的声发射现象对其曾经所受应力历史具有记忆性。
11、地质构造痕迹(也叫形迹)，是指地质构造应力作用下的岩层及岩体，产生变形、断裂与滑移在其内部或表面留下的痕迹，如变形褶皱、断层、节理和擦痕等，以此可以推断地质构造主应力的大致方向。
12、大型岩体工程，是指工程建设中将对岩体进行大体量的开挖卸荷，如河谷中修筑水坝前进行的坝肩槽高边坡开挖和地下厂房开挖，长大交通隧道和引水隧洞开挖，或者对岩体进行大量的加载，如河谷中修建的高大水坝，水库储水或弃土堆填等，明显改变了岩体中原有的地应力状态，并且与岩体介质有关规模宏大的土木工程。
本发明首先需要进行室内岩石试样测试的准备过程，具体包括：
(1)现场毛样制取
根据修建大型岩体工程场地位置，选择岩体较为完整的区段，利用手持GPS确定其位置，在准备取样的地表(或者探洞内)岩石上利用地质罗盘标明其正北方向，如图1中N所示的方向。在准备取得毛样的周围掏槽，并在掏槽后的毛样上标明竖直方向，如图1中的V所示的方向。利用石匠常用的工具，将取得的毛样剥离母岩，将取得的毛样进行捆扎包装运回室内。为了搬运和室内制样方便，毛样大小以(10～30)×(10～30)×(10～30)cm3为宜，取得的毛样如图1所示。
(2)室内岩石试样制取
实验室内，在毛样上建立大地坐标，正北方向N标为y轴；正东方向(如图1中E所示的方向)为x轴；向上方向为z轴，即为V的负方向，本实施例所建立的大地坐标如图1所示。根据毛样上建立的大地坐标，分别沿x0y、y0z和z0x平面内，在实验室内利用制样切割机切割出岩板，岩板厚度为(2.5～3.0)cm，x0y平面内的切样岩板如图2所示，y0z平面内的切样岩板如图3所示，x0z平面内的切样岩板如图4所示；在岩板的x0y、y0z和z0x坐标条件下，沿x、y和z，以及x45°y、y45° z和z45° x六个方向切割成近似长方体小试件，如图5所示为六个切样方向在大地坐标中的关系。将切割形成的小试件进行研磨，磨制成标准的长方体试样，尺寸为2.5×2.5×7.5cm3。试样的六个面和12个棱边之间的平行度和垂直度满足岩石试验规程相关要求。为尽量减小岩样微结构面和测试工作造成的随机性误差，六个方向各磨制3～6个相同的试样，并对试样进行逐一编号保护，磨制成的试样如图6所示。
(3)试样及测试器件安装
如图7所示，利用凡士林或黄油耦合剂和固定弹簧或弹性胶带，将2个声学事件接收器⑥分别安装在磨制成的试样①中部对侧侧面，并置于高精度伺服控制岩石力学试验机下压板③上，在试样上端放置试验机上压板②，使上、下压板及试样与试验机对中；连接好压力传感器表④的油路和变形传感器⑤的电学线路至控制器和记录器。
在完成以上准备过程后，本发明技术方案具体包括以下步骤：
S1、岩石试样变形及声学特征参数试验测试
连接好各种液压及电信号测试线路，并对试验机和控制与测试仪器调试正常后，按照相关规范要求的加载速率(0.2～0.8MPa/s)对试样进行匀速加载压缩，随时间持续记录试样声学特征事件与频度(压应力)-时间关系数据；
S2、根据步骤S1记录的岩体试样声学特征事件与压应力、时间的关系数据，由试验记录设备自动绘制成曲线实时显示，获得如图8所示声发射次数累计对数-时间曲线⑦，如图9所示声发射频率-时间直方图⑧，以及如图8和图9所示的压应力-时间曲线⑨。
S3、过如图10所示声发射次数累计对数-时间曲线⑦上前多个跃增起始点A、B和C点，做与纵坐标轴平行的垂直线与压应力-时间曲线⑨分别交于A’、B’和C’点，过A’、B’和C’点做与横坐标时间轴平行的水平线与压应力坐标轴交于A”、B”和C”点。A”、B”和C”点对应的压应力值即为岩石声学特征参数记忆效应点的压应力值。
S4、对上述的x、y和z，以及x45°y、y45°z和z45°x六个方向切割及磨制的试样分别进行试验测试，根据步骤S3得到6个方向试样的声学特征参数记忆效应点的压应力值σijk；按照统计学方法对每一个方向试件对应的k进行每个试样地应力标准值统计分析，得到6个方向多个记忆效应点压应力的标准值σi'j(i＝1,2,3,4,5,6；j＝1,2,┅,mi)。
其中，i代表6个切样方向第i个方向，i＝1，2，3，4，5，6；j代表第i个切样方向的第j个试件，j＝1，2，3，……，n，n代表同一个方向的试件数，本实施例中六个方向各磨制3～6个相同的试样，则本实施例中j取值为3～6；k代表第i个切样方向的第j个试件的第k个声学特征参数记忆效应点，k＝1，2，…….，mi，mi代表同一个试样声学特征参数记忆点数，常取1～3个。
S5、取样场地岩体地应力最大主应力方向范围确定
在图12所示的河流勘探横剖面(垂直于河流方向)内，以河床基岩顶面最低点即图12中的c点向两岸做水平线ca和cb；c点与取样点A(或取样点B、C及E点)连线之倾角为α1(-90°≤α1＜90°)：
1)当取样点在图12中的ca和cb之下(即α1＜0)时，取样点的岩体地应力最大主应力方向范围β0±Δβ0为：β0±Δβ0＝(β1±Δβ1)，即与场址区的构造地应力最大主应力方向相同，见图11。
2)当取样点在图12中的ca和cb之上(即α1≥0)时，取样点的岩体地应力最大主应力方向范围β0±Δβ0由左式计算：
本发明中的取样场地构造地应力最大主应力方向范围确定过程如下：
根据工程场地所在区域新构造断裂活动特征及构造变形形迹分析，利用传统的构造地质力学原理分析方法，确定场地附近现代构造地应力最大主应力方向的范围。如图11中的D点与D’点，以D点与D’点构造地应力作用方向做延长线，相较于0点，线0D0为交角D0D’的角平分线，得到工程场地范围内构造地应力最大主应力方向的方位范围是(β1-Δβ1)～(β1+Δβ1)，其中0°≤β1±Δβ1＜180°；根据地形图确定取样场地附近地段河流流向方位为β2(0°≤β2＜180°)。
S6、取样场地岩体地应力最大主应力倾角范围确定
1)当取样点在图12中的ca和cb之下(即α1＜0)时，取样点的岩体地应力最大主应力倾角范围α0±Δα0由左式计算：见图11和图12。
2)当取样点在图12中的ca和cb之上(即α1≥0)时，取样点的地应力最大主应力倾角范围由左式计算：见图11和图12。
S7、多个最大主应力及其主方向计算
将第(5)步获得的σi'j(i＝1，2，3，4，5，6；j＝1，2，┅，mi)进行组合，可得到种组合。并将各个组合的六个应力分量代入弹性力学中计算主应力和主应力方向的公式，分别计算其由方位角和倾角表示的主应力大小和主应力方向，总共也有组主应力及其主方向。
S8、采样位置岩体地应力状态确定
以步骤S5确定的最大主应力方向的方位角范围和步骤S6确定的最大主应力倾角范围为标准，对步骤S7计算出的组最大主应力方位角和倾角进行搜索识别，从中“找出”符合步骤S5确定的最大主应力方向的方位角范围和步骤S6确定的最大主应力倾角范围的方位角和倾角两项标准的主应力。如果结果有多于一组的情况，以最接近于标准中值的主应力值和主应力方向，作为工程场地取样点处岩体现今天然地应力的主应力量值和主应力方向，否则以符合条件的这组主应力值和主应力方向，作为工程场地取样点处岩体现今天然地应力的主应力量值和主应力方向。
按照目前多数所采用的岩体地应力现场传统测试方法，会耗费大量人力、物力和时间，其可靠性或精度也高度依赖于测点岩体的完整性与弹性特性和测试操作的规范性；传统的声发射凯瑟尔效应测出的地应力是岩体地质历史中的最大应力还是现今地应力尚不清楚。本发明通过工程场地及其周围区域地质构造痕迹，河谷地形特征初步确定天然地应力最大主方向的方位和倾角范围，以此作为限制标准，对场地岩石试样室内声学特征参数测试确定的岩体天然地应力进行搜索识别，最终确定场地天然地应力的主应力及其主方向。例如我国青藏高原东部周边的西南和西北地质构造强烈隆升地区，特别是金沙江、红水河、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江和黄河上游等地区，深切河谷岩体天然地应力室内测试问题，均能通过本发明的而方法得到很好地解决方案。
以下通过对西南及西北山区岸坡坡度大于30°，直接垂直高度大于100m的河谷岩体内现今岩体地应力室内声发射参数测试来验证本发明的技术效果。
工程概况：
四川省阿坝州小金县杨家湾水电站是小金川河流域抚边河梯级开发规划中的第4级水电站。该水电本站引水式水电站，枢纽工程永久性建筑物主要由大坝、引水隧洞和调压室、压力管道及厂房等组成。闸址最大坝高约21.7m，初拟设计正常蓄水位2574m，库容96.1×104m3；厂址位于小金县双柏乡，地下式厂房，引水隧洞长约15km，电站利用水头158.1m，引用流量50.8m3/s，装机容量60MW，初步设计地下厂房尺寸长×宽×高＝24.2m×12.9m×31.3m，厂顶、底高程分别为2438m和2406.7m。电站场址交通及位置如图13所示，作为中型水电站工程，其可靠性与其本身安全性和周围环境的安全性紧密相关，要建设安全可靠的电站见构筑物，必须了解场址区地应力情况。为此，利用现场采样室内试验测试方法，对场址斜坡体天然地应力量值进行了测试。
地质环境条件概况：
(1)地形地貌概况：场址位于川西高原东部，邛崃山脉西缘，区内山高谷深，山峦重迭，地形崎岖险要，一般山峰高程4000～5000m，属川西高山至高原过渡地带的侵蚀型高山峡谷地貌，河谷斜坡陡峻。主要山脉走向呈近南北向，河流(冲沟)呈树枝状分布，主要河流有抚边河和小金河干流等。抚边河为小金河一级支流，河床高程2290～2950m,两岸高程2700～5000m，相对高差400～2000m，河谷形态以“V”型为主，平均比降16.6‰，属中高山～高山区，厂址区位于抚边河核桃坪深切“U”型河谷段，两岸岸坡坡峻。厂址区段抚边河呈S38°W的总体流向，现代河床高程2410～2417m。抚边河河谷狭窄，河谷宽25～45m，两岸坡山体雄厚陡峻，自然坡度45～75°，相对高差大于1500m，为高山峡谷地形，两岸坡脚基岩裸露。
(2)地层及岩性概况：场址区出露基岩为三叠系上统侏倭组(T3zh)的灰～深灰色薄～中层～厚层细粒变质砂岩与灰色薄～中层板岩。
(3)地质构造：场址区构造上属于仁寿果坪复背斜SW翼，岩层产状N20～40°W/SW或NE∠70～85°，与河流走向近于垂直，为横向河谷。受区域褶皱影响。场址区次级褶皱构造较发育，岩体被挤压变形较强烈。岩体完整性系数KV＝0.75～0.96，属于较完整～完整岩体。
现场取样概况：
根据现场毛样制取要求在现场取样。试样取自厂房上部PD1探洞内，探洞洞口高程2473.05m，洞深约160m。岩样取至PD1平硐的5个不同位置，5个取样点距硐口的距离分别为65m、85m、116m、135m和160m，垂直深度分别为70m、90m、115m、124m和130m。试验样品岩性为板岩和变质砂岩。取样位置如图14和图15所示，各取样点的具体情况如表1所示。
表1取样点情况汇总表
室内制样概况：
五组试验岩样分别取自阿坝州小金县杨家湾水电站厂房区PD1平硐内，取样位置如图16所示，是完整和新鲜的定向块状岩样，岩性分别为变质砂岩和板岩。
根据室内岩石试样制取要求在室内制样。为计算空间主应力，在室内进行空间六个方向的定向制样。首先根据岩样上标注的方位和倾向，将岩样恢复到现场的原始位置状态，在上面寻找一个近水平的面，确定正北方向N，以N作为X方向，建立X、Y、Z空间坐标系。并分别在XOY平面、XOZ平面和YOZ平面上确定与两轴夹角为45°的方向X45°Y、Y45°Z和Z45°X。然后按照X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z和Z45°X空间六个方向(如图16)切取试样，每个方向制五个试件。试件为25mm×25mm×75mm的长方体。试件切、磨成形后，两个加载端面经手工精磨，使其平行度、垂直度与平整度得以充分保证，符合岩石力学试验标准的要求。为减小端部效应对声发射信号测定的影响，试件两端经隔音特殊处理。试验概况：
根据试样及测试器件安装要求进行试验。试验所用设备为美国产MTS815Teststar程控伺服岩石刚性试验机和AE210声发射测试***。采用加载速率0.4MPa/s控制试验机匀速加载。声发射测试***的增益和门槛电压分别设置为35db和0.5V。进行隔音处理和耦合处理后将试件放在刚性试验机上进行单轴压缩，用AE换能器检测试件破坏整个过程中出现的声发射信号，***自动记录并自动生成时间与荷载、时间与声发射特征值关系曲线。试验资料：
压应力时间曲线、声发射次数累计对数-时间曲线和声发射频率-时间直方图如图17、18所示。
试验资料整理：
(1)岩样声发射率曲线突变点(记忆效应点)及对应应力值的确定
根据步骤S3确定记忆效应点对应的应力值。由各个试样试验所得声发射次数累计对数-时间曲线和声发射频率-时间直方图(如图18)上各声发射率曲线突变点(又称特征点)确定相应的应力值，此值一般有1-3个。
(2)各制样方向地应力分量的确定
确定每个试件记忆效应特征点对应的应力值，利用式1)计算X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X六个方向的应力分量。
其中，σx、σy、σz、σx45y、σy45z、σx45z分别为X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X六个方向的应力分量；σkx、σky、σkz、σkx45y、σky45z、σkx45z分别为X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X六个方向的凯塞尔效应特征点对应的应力值；n表示每个方向的试件个数。
(3)地应力主应力量值的确定
根据σx、σy、σz、σx45y、σy45z、σx45z六个方向的应力分量，利用下列公式计算空间主应力σ1、σ2、σ3。
解三次方程
σ3-J1σ2+J2σ-J3＝0
得各主应力值
式中：
J1、J2、J3为应力状态的三个不变量，分别为：
其中，σx、σy、σz、σx45y、σy45z、σx45z六个应力分量即是通过声发射试验确定的应力分量。
(4)地应力主方向的确定
主应力的方向与坐标轴X、Y、Z夹角的方向余弦按下式计算：
其中，i＝1,2,3。主应力的倾角和方位角可由下式计算：
其中，αi为主应力σi与XOY平面的夹角即倾角，仰角为正、俯角为负；βi为主应力σi在XOY面上的投影与X轴的夹角，即方位角；反时针为正，顺时针为负。
(5)场址区地质构造地应力最大主应力方向的确定
根据大地区域中的现今新构造活动特征，场址区位于龙门山构造带上盘地带，其现今构造地应力方向应约为N50°W即β1约为310°。根据龙门山推覆构造带的方向和场址区在龙门山地质构造带的位置，推测构造地应力的偏差约为20°，即构造地应力方向范围在N30°W—N70°W之间，即(β1-Δβ1)～(β1+Δβ1)＝290°—330°之间。
(6)场址区天然岩体地应力最大主应力方向范围的确定
根据地形图，场址区河流流向β2平均值为15°，取样点与河床基岩最低点连线的倾角α1均大于零，五个测点(编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ)连线的倾角值分别为22.35°、19.54°、16.47°、15.14°和13.38°。根据步骤S5的计算公式，即
计算五个取样点岩体地应力最大主方向β0±△β0，其值分别为：244°～275°，250°～282°，257°～289°，259°～293°和263°～297°。
(7)场址区天然岩体地应力最大主应力倾角范围的确定
根据地形图如图14所示和剖面图如图15所示，场址区河流流向β2平均值为15°，取样点与河床基岩最低点连线的倾角α1均大于零，五个测点(编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ)连线的倾角值分别为22.35°、19.54°、16.47°、15.14°和13.38°。根据步骤S6的计算公式，即计算五个测点最大主应力倾角α0±△α0，其值分别为：22°～23°，19°～21°，16°～17°，15°～17°和13°～15°。
(8)场址区天然岩体地应力主应力可能值的确定
将计算得到制样方向的多个声发射记忆效应点对应的应力分量进行逐一组合，按照弹性力学理论分别计算各个应力分量组合下的主应力及其主方向。
(9)场址区天然岩体地应力主应力方向的确定
以步骤(6)中得到的场址区最大主应力方向范围为上、下限，以步骤(8)得到的各个应力分量组合下的最大主应力方向数据进行搜索，确定满足该最大主应力方向上、下限要求的主应力量值。如果只有一个主应力及其主方向，此值即为该取样测点所要测试的岩体地应力的主应力状态。如果多余一个，则根据步骤(7)得到的倾角范围确定其中一个主应力状态，作为该取样测点所要测试的岩体地应力的主应力状态。
根据上述方法确定的该水电站地下厂房场址区水平探洞内五个取样点斜坡内岩体天然地应力的主应力量值、主方向和倾角列于表2中。
表2岩体地应力测试成果表
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (4)
1.深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过对现场取得的x、y、z、x45°y、y45°z和z45°x六个方向的岩体试样分别进行室内试验，并记录各方向对应的岩体试样声学特征事件与压应力、时间的关系数据；
S2、根据记录的某一方向对应的岩体试样声学特征事件与压应力、时间的关系数据，得到该方向对应的声发射次数累计对数-时间曲线、声发射频率-时间直方图以及压应力-时间曲线；
S3、根据某一方向对应的声发射次数累计对数曲线与压应力-时间曲线，确定该方向岩石声学特征参数记忆效应点的压应力值；
S4、根据步骤S3得到x、y、z、x45°y、y45°z和z45°x六个方向的试样的声学特征参数记忆效应点的压应力值，并对每个方向的试样进行压应力标准值统计分析，得到六个方向多个记忆效应点压应力的标准值；
S5、确定取样点的岩体地应力最大主应力方向范围；
S6、确定取样场地岩体地应力最大主应力倾角范围；
S7、将步骤S4得到的六个方向多个记忆效应点压应力的标准值进行组合，并根据弹性力学计算各个组合由方位角和倾角表示的主应力大小和主应力方向；
然后将各个组合的六个应力分量代入弹性力学中计算主应力和主应力方向的公式，分别计算其由方位角和倾角表示的主应力大小和主应力方向；
S8、根据步骤S5确定的取样点的岩体地应力最大主应力方向范围，以及步骤S6确定的取样点的岩体地应力最大主应力倾角范围，对步骤S7得到的各个组合由方位角和倾角表示的主应力大小和主应力方向进行筛选；
若筛选结果组数大于一组，则以最接近于标准中值的主应力值和主应力方向，分别作为工程场地取样点处岩体现今天然地应力的主应力量值和主应力方向；否则以筛选出这一组主应力大小和主应力方向分别作为工程场地取样点处岩体现今天然地应力的主应力量值和主应力方向。
2.根据权利要求1所述的深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法，其特征在于，步骤S3具体为：过声发射次数累计对数曲线上多个跃增起始点，做与纵坐标轴平行的垂直线与压应力～时间曲线得到多个交点，在交点处做与横坐标时间轴平行的水平线，所述平行线压应力坐标轴的交点为岩石声学特征参数记忆效应点的压应力值。
3.根据权利要求2所述的深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法，其特征在于，步骤S5所述场址区的构造地应力最大主力方向范围，具体为：在垂直于河流方向的河流勘探横剖面内，若河床基岩顶面最低点到取样点连线的倾角小于0，则该取样点的岩体地应力最大主应力方向范围与场址区的构造地应力最大主力方向范围相同；否则该取样点的岩体地应力最大主应力方向范围计算式为：
其中，β0表示取样点的岩体地应力最大主方向范围的中间值，β1表示程场地范围内构造地应力最大主应力方向的中间值，β2表示取样场地附近地段河流流向方位，α1表示在垂直于河流方向的河流勘探横剖面内，河床基岩顶面最低点到取样点连线的倾角；Δβ1表示β1的变化范围。
4.根据权利要求3所述的深切河谷斜坡岩体现今天然地应力室内测试分析方法，其特征在于，步骤S6具体为：具体为：在垂直于河流方向的河流勘探横剖面内，若河床基岩顶面最低点到取样点连线的倾角小于0，则该取样点的岩体地应力最大主应力倾角范围计算式为：
其中，α0表示取样点的岩体地应力最大主应力倾角的中间值；Δα0表示α0的变化范围；
否则该取样点的岩体地应力最大主应力倾角范围计算式为：
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