CN116625566A - 一种工程岩体真实三维应力连续测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程岩体真实三维应力连续测量方法，包括：在测点位置安装空心包体传感器，记录各通道的极角和轴向偏角，获取空心包体传感器各通道在安装完成后某一时刻的第一应变值；采用套孔应力解除法钻取与所述空心包体同轴的厚壁圆筒岩芯，连续测量各通道应变值，获取所述各通道最终稳定状态的第二应变值；基于空心包体传感器各通道的所述第二应变值与所述某一时刻第一应变值的差值，采用厚壁圆筒弹性理论计算测点在某一时刻的真实三维应力状态。本发明采用复合结构圆孔周边弹性解计算各时刻对应的测点三维真实应力值，反映围岩的真实应力状态。

Description

一种工程岩体真实三维应力连续测量方法

技术领域

本发明属于岩体应力测试领域，特别是涉及一种工程岩体真实三维应力连续测量方法。

背景技术

岩体应力状态是工程围岩稳定性评价的重要参数，地下工程在施工过程中岩体中的应力会重分布，岩体应力重分布会导致局部应力集中，进而致使该应力集中位置岩石产生破坏。因此，必须采用合理的方法获取受扰动岩体关键部位的真实应力状态。

由于岩体应力不能直接测得，只能通过量测应力变化引起的岩体或传感器位移、应变等参数变化量，基于介质应力-应变关系进行反算。常用的传感器有压力盒、应变片(计)等，但压力盒仅能获得垂直于压力盒表面的压应力，应变片(计)只能获得沿着传感器方向的应力，即使利用多个不同角度的传感器，也仅可获得部分方向相对于初始状态的应力变化量，并非测点真正的三维应力状态，而介质的真三维应力才是评价其稳定性的唯一指标。因此，必须在间接物理量测试的基础上进行应力解除才能获得测点的真实三维应力状态。王恩元等提出的煤岩体地应力连续测试装置及方法(CN101514926B)将胶囊式压力传感器置于测点位置，借助采集仪器读取压力传感器后续变化量，其为一种单分量应力增量测试技术。在此基础上，陈蓥等提出的一种连续测量煤岩体三向地应力的测量装置及测量方法(CN114235256A)将胶囊式压力传感器换做空心包体应力计，根据空心包体多个应变片在测点受扰动过程中的变化量计算三维应力的变化量。周钢等在《陈四楼矿综采工作面采场应力监测及演化规律研究》(煤炭学报，2016)论文中采用了CN114235256A中的三维应力监测方法，研究了综采工作面采场三维应力演化规律。然而，上述两种方法和研究成果获得的应力均为应力变化增量，并非测点的当前真实应力状态。

在工程岩体稳定性评价中只有测定岩体的真实三维应力状态才具有实际意义，既有的一维或三维应力增量测试技术显然无法满足实际需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种工程岩体真实三维应力连续测量方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种工程岩体真实三维应力连续测量方法，包括以下步骤：

在测点位置安装空心包体传感器，记录各通道的极角和轴向偏角，获取所述空心包体传感器各通道在安装完成后某一时刻的第一应变值；

采用套孔应力解除法钻取与所述空心包体同轴的厚壁圆筒岩芯，连续测量各通道应变值，获取所述各通道最终稳定状态的第二应变值；

基于所述空心包体传感器各通道的所述第二应变值与所述某一时刻第一应变值的差值，采用厚壁圆筒弹性理论计算测点在某一时刻的真实三维应力状态。

可选地，获取所述空心包体传感器各通道在安装完成后某一时刻的第一应变值的过程包括：

在测点处打设一大孔，大孔深度不小于洞室断面半径的3～5倍；

在大孔底部向前打设一小孔，小孔与大孔保持同轴，小孔直径与空心包体一致，利用定向仪将空心包体送入小孔，基于所述空心包体各通道与定向仪间的关系，获取各通道的极角和轴向偏角，采用粘结剂将空心包体外壁面与小孔孔壁进行固接；

采用数据采集仪连续测量、记录空心包体各通道应变值，记作第一应变值。

可选地，获取所述各通道最终稳定状态的第二应变值的过程包括：

沿大孔孔壁继续向前套取与小孔同轴的厚壁圆筒岩芯，套取深度不小于小孔深度，随着解除深度的增加，岩心在失去外部应力约束后逐渐产生回弹变形，导致空心包体各通道产生应变值变化，待岩芯完全解除后获得各通道最终稳定状态的应变，记做第二应变值。

可选地，采用厚壁圆筒弹性理论计算测点在某一时刻的真实三维应力状态的过程包括：

计算所述第二应变值与所述第一应变值的差值；

基于所述差值，根据三维应力下复合结构圆孔周边弹性解构建各通道正应变等式超静定方程，采用最小二乘法计算所述超静定方程的最优解，即为第一应变值对应时刻的测点真实三维应力状态。

更进一步地，计算所述第二应变值与所述第一应变值的差值的过程包括：

设置所述初始时刻各通道的所述第一应变值为t时刻各通道的所述第一应变值为/>所述第二应变值为/>则所述第二应变值与所述初始时刻或t时刻的第一应变值的差值为：

式中，和/>分别所述初始时刻或t时刻的第二应变值与第一应变值的差值，i为空心包体应变花编号，j为每个应变花应变片编号。

更进一步地，根据三维应力下复合结构圆孔周边弹性解计算测点真实三维应力状态的过程包括：

根据钻孔和空心包体几何参数、弹性参数计算修正系数；

基于岩石的泊松比、各通道极角和轴向偏角以及所述应变片的修正系数计算应力系数；

基于所述应力系数计算所述测点真实三维应力。

更进一步地，所述修正系数的计算过程包括：

基于空心包体传感器的剪切模量、岩石的剪切模量计算模量比；

基于空心包体传感器的内半径和测量小孔半径计算半径比；

基于所述模量比与所述半径比计算所述应变片的修正系数。

更进一步地，所述各通道正应变等式超静定方程的构建过程包括：

基于所述各通道第二应变值与所述第一应变值的差值构建各通道正应变与测点当前应力间的方程等式，形成超静定方程组；

基于最小二乘原理计算超静定方程组的法方程；

计算法方程应力解，获得测点真实三维应力。

本发明的技术效果为：

本发明提出了一种工程岩体真实三维应力连续测量方法，采用空心包体应力解除法进行测点真实应力的连续测量，基于空心包体安装后任意时刻各通道的第一应变值与套孔解除后各通道稳定状态的第二应变值之差，采用复合结构圆孔周边弹性解计算各时刻对应的测点三维真实应力值，反映围岩的真实应力状态。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的工程岩体真实三维应力连续测量方法流程图；

图2为本发明实施例中的工作面推进过程平面图；

图3为本发明实施例中的工作面推进过程剖面图；

图4为本发明实施例中的工作面推进过程传感器各通道数值。

图5为推进过程中测孔处各应变片应变量变化曲线；

图6为解除过程中测孔处各应变片应变量变化曲线；

图7为推进过程中应力分量变化曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例一

如图1-4所示，本实施例中提供一种工程岩体真实三维应力连续测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

在测点处打设一大孔，大孔深度不小于洞室断面半径的3～5倍；

在大孔底部向前打设一小孔，小孔与大孔保持同轴，小孔直径与空心包体一致，利用定向仪将空心包体送入小孔，基于所述空心包体各通道与定向仪间的关系，获取各通道的极角和轴向偏角，采用粘结剂将空心包体外壁面与小孔孔壁进行固接，如图2、图3所示；

采用数据采集仪连续测量、记录空心包体各通道应变值，记作第一应变值；

沿大孔孔壁继续向前套取与小孔同轴的厚壁圆筒岩芯，套取深度不小于小孔深度，随着解除深度的增加，岩心在失去外部应力约束后逐渐产生回弹变形，导致空心包体各通道产生应变值变化，待岩芯完全解除后获得各通道最终稳定状态的应变，记做第二应变值，如图4所示；

计算所述第二应变值与所述第一应变值的差值；

基于所述差值，根据三维应力下复合结构圆孔周边弹性解构建各通道正应变等式超静定方程，采用最小二乘法计算所述超静定方程的最优解，计算第一应变值对应时刻的测点真实三维应力状态。

作为本申请的一种较佳实施方式，在第二应变值与第一应变值的差值计算过程中，设置初始时刻各通道的所述第一应变值为t时刻各通道的所述第一应变值为所述第二应变值为/>则所述第二应变值与所述初始时刻或t时刻的第一应变值的差值为：

式中，和/>分别所述初始时刻或t时刻的第二应变值与第一应变值的差值，i为空心包体应变花编号，j为每个应变花应变片编号。

作为本申请的一种较佳实施方式，计算第一应变值对应时刻的测点真实三维应力状态的过程包括：

根据钻孔和空心包体几何参数、弹性参数计算修正系数，步骤如下：

基于空心包体传感器的剪切模量G₀、岩石的剪切模量G计算模量比n：

n＝G₀/G

基于空心包体传感器的内半径R₀和测量小孔半径R计算半径比m：

m＝R₀/R

根据半径比m与模量比n计算模量半径系数d₁、d₂、d₃、……、d₆：

式中，D＝(1+xn)[x₀+n+(1-n)(3m²-6m⁴+4m⁶)]+(x₀-x)m²[(1-n)m⁶+x₀+n]，x₀＝3-4ν₀，x＝3-4ν。

根据模量半径系数d₁、d₂、d₃、……、d₆计算应变片的修正系数K₁、K₂、K₃、K₄：

修正系数计算完成后，基于岩石的泊松比、各通道极角和轴向偏角以及所述应变片的修正系数计算应力系数A₁、A₂、A₃、……、A₆：

式中，θ_i是应变花对应的极角；是应变片的角度。

作为本申请的一种较佳实施方式，根据三维应力下复合结构圆孔周边弹性解计算测点三维应力的过程包括：

最后根据应力系数A₁、A₂、A₃、……、A₆构建各通道正应变等式：

Eδε＝A₁σ_x+A₂σ_y+A₃σ_z+A₄τ_xy+A₅τ_yz+A₆τ_zx

式中，δε为应变片的第二应变值与第一应变值的差值。

基于所述各通道第二应变值与所述第一应变值的差值构建各通道正应变与测点当前应力间的方程等式构建超静定方程组，并计算其法方程：

式中，s为观测值方程个数，且s＝mn；m为应变花的数量；n为每个应变花包含不同方向应变片的数量；

计算法方程的应力解，获得测点真实三维应力。

实施例二

以某煤矿综采面推进过程中顶板的真实三维应力测试为例，掘进断面在测点前方100m位置安装空心包体并记录数据，掘进面超过测试点所在断面140m后进行解除，具体材料参数为：钻孔围岩弹性模量E＝25GPa、泊松比v＝0.159；包体材料E₀＝7.5GPa,泊松比v₀＝0.38，解除过程中解除半径R＝50mm，空心包体半径R₀＝45mm。随着开挖推进，实测数据见表1～3，变化曲线图见图5-7：表1为推进过程中测点处应变片应变量，表2为解除过程中测点处应变片应变量，表3为推进过程中测点处应力分量。

表1推进过程中测点各通道应变值(με)

表2解除过程中测点处各通道应变量(με)

表3推进过程中测点真实三维应力分量(MPa)

本发明提出了一种工程岩体真实三维应力连续测量方法，采用空心包体应力解除法进行测点真实应力的连续测量，基于空心包体安装后任意时刻各通道的第一应变值与套孔解除后各通道稳定状态的第二应变值之差，采用复合结构圆孔周边弹性解计算各时刻对应的测点三维真实应力值，反映围岩的真实应力状态。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种工程岩体真实三维应力连续测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在测点位置安装空心包体传感器，记录各通道的极角和轴向偏角，获取所述空心包体传感器各通道在安装完成后某一时刻的第一应变值；

采用套孔应力解除法钻取与所述空心包体同轴的厚壁圆筒岩芯，连续测量各通道应变值，获取所述各通道最终稳定状态的第二应变值；

基于所述空心包体传感器各通道的所述第二应变值与所述某一时刻第一应变值的差值，采用厚壁圆筒弹性理论计算测点在某一时刻的真实三维应力状态。

2.根据权利要求1所述的工程岩体真实三维应力连续测量方法，其特征在于，获取所述空心包体传感器各通道在安装完成后某一时刻的第一应变值的过程包括：

在测点处打设一大孔，大孔深度不小于洞室断面半径的3～5倍；

在大孔底部向前打设一小孔，小孔与大孔保持同轴，小孔直径与空心包体一致，利用定向仪将空心包体送入小孔，基于所述空心包体各通道与定向仪间的关系，获取各通道的极角和轴向偏角，采用粘结剂将空心包体外壁面与小孔孔壁进行固接；

采用数据采集仪连续测量、记录空心包体各通道应变值，记作第一应变值。

3.根据权利要求1所述的工程岩体真实三维应力连续测量方法，其特征在于，获取所述各通道最终稳定状态的第二应变值的过程包括：

沿大孔孔壁继续向前套取与小孔同轴的厚壁圆筒岩芯，套取深度不小于小孔深度，随着解除深度的增加，岩心在失去外部应力约束后逐渐产生回弹变形，导致空心包体各通道产生应变值变化，待岩芯完全解除后获得各通道最终稳定状态的应变，记做第二应变值。

4.根据权利要求1所述的工程岩体真实三维应力连续测量方法，其特征在于，采用厚壁圆筒弹性理论计算测点在某一时刻的真实三维应力状态的过程包括：

计算所述第二应变值与所述第一应变值的差值；

基于所述差值，根据三维应力下复合结构圆孔周边弹性解构建各通道正应变等式超静定方程，采用最小二乘法计算所述超静定方程的最优解，计算第一应变值对应时刻的测点真实三维应力状态。

5.根据权利要求4所述的工程岩体真实三维应力连续测量方法，其特征在于，计算所述第二应变值与所述第一应变值的差值的过程包括：

设置初始时刻各通道的所述第一应变值为t时刻各通道的所述第一应变值为所述第二应变值为/>则所述第二应变值与所述初始时刻或t时刻的第一应变值的差值为：

式中，和/>分别所述初始时刻或t时刻的第二应变值与第一应变值的差值，i为空心包体应变花编号，j为每个应变花应变片编号。

6.根据权利要求4所述的工程岩体真实三维应力连续测量方法，其特征在于，计算第一应变值对应时刻的测点真实三维应力状态的过程包括：

根据钻孔和空心包体几何参数、弹性参数计算修正系数；

基于岩石的泊松比、各通道极角和轴向偏角以及所述应变片的修正系数计算应力系数；

基于所述应力系数计算所述测点真实三维应力。

7.根据权利要求6所述的工程岩体真实三维应力连续测量方法，其特征在于，所述修正系数的计算过程包括：

基于空心包体传感器的剪切模量、岩石的剪切模量计算模量比；

基于空心包体传感器的内半径和测量小孔半径计算半径比；

基于所述模量比与所述半径比计算所述应变片的修正系数。

8.根据权利要求4所述的工程岩体真实三维应力连续测量方法，其特征在于，根据三维应力下复合结构圆孔周边弹性解构建各通道正应变等式超静定方程的过程包括：

基于所述各通道第二应变值与所述第一应变值的差值构建各通道正应变与测点当前应力间的方程等式，形成超静定方程组；

基于最小二乘原理计算超静定方程组的法方程；

计算法方程应力解，获得测点真实三维应力。