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QK-地应力测量的应力恢复法试验和数值模拟研究

来源：华佗小知识

第26卷　第3期　1999年7月

成都理工学院学报　　　

JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

.26No.3Vol

.1999　Jul

[文章编号]100529539(1999)0320287204

地应力测量的应力恢复法试验和数值模拟研究

靳晓光　王兰生　李天斌

(成都理工学院工程地质研究所,成都610059)

[摘要]在传统应力恢复法基本原理的基础上,提出了改进的应力恢复法。通过室内试验求出

了改进应力恢复法的关键系数——应力等效系数,并运用数值模拟进行检验,同时分析了其影响因素及影响程度。通过现场实践,证明了改进应力恢复法的可行性和正确性,具有重要的理论意义和实用价值。

[关键词]应力恢复法;数值模拟;应力等效系数;围压影响系数[分类号]TU459.4　　　　[文献标识码]A

1　概　述

20世纪30年代就有人用量测洞壁的应变来计

意义。第二,如果应力恢复时,岩体的应力和应变关

系与应力解除前并不完全相同,也必然影响测量的精度。

有鉴于此,在川藏公路二郎山隧道课题研究中,以王兰生教授为主的课题组提出了方便、可行、易于现场操作的洞壁表面二次应力测试方法——改进应力恢复法。

1.2　改进应力恢复法的基本原理

算岩体的初始应力。自50年代以后,人们着重研究岩体深部未受扰动的应力状态,相继出现了雷曼的门塞式应变计、哈斯特压磁应力计以及三向应变计等。中国从50年代起开始岩体测量研究,到目前已有较为成熟的应力测量方法。

岩体应力的现场量测包括岩体初始应力测试和洞室围岩应力测试,其测试方法很多,各有利弊。目前常用的方法可分为两大类:应力解除法和应力恢复法。其中应力解除法研究较成熟,应用也最广。应力恢复法常用于洞壁表面量测受开挖扰动的次生应力场。

1.1　应力恢复法基本原理

在选定的测试点安装测量元件,然后在岩体中开挖一个扁槽埋设液压枕或千斤顶,对其加压,使测量元件的读数恢复到掏槽前的值,则液压钢枕或千斤顶的压力读数便是该方向的岩体应力。其优点是可以不考虑岩体的应力2应变关系而直接得出岩体的应力。其局限性在于:第一,扁千斤顶法只是一种一维应力测量方法,一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量。为了确定该测点的几个应力分量,就必须在该点沿不同方向切割几个扁槽,这是不可能实现的。因为扁槽的相互重叠造成不同方向测量结果的相互干扰,使之变得毫无

[收稿日期]1999203201

[作者简介]靳晓光,男,1967年生,博士生,地质工程专业.

在洞壁测试点安装应变花,利用应变仪测量X

方向(即沿壁沿洞轴线的水平方向)、Z方向(即洞壁铅直方向)及其间45°方向上的初应变值Ε0,Ε45,Ε90。用内径为50mm的DZ22A型手持式工程钻应力解除,取下长度为50mm的岩芯,再测其三个方向的应变值Ε′′′。利用点荷载仪配0,Ε45,Ε90,得到应变差值

备特制的加载装置,完成应力的恢复,求得二次应力Ρx,Ρz,其计算公式为:

(1)Ρx或Ρz=Α×F×Sp󰃗A式中,F为应力恢复时点荷载仪压力表读数(MPa);

Sp为点荷载仪千斤顶活塞面积(cm);Α为应力等效系数;A为断面面积(cm2)。

改进应力恢复法的优点在于,毋需测定岩石的弹性模量便可计算岩体的应力,单孔可以测定平面内多方向应力。本方法简单、易行、经济,适于现场操作。改进应力恢复法的关键是等效应力系数Α的确定。因此,我们做了室内试验及数值模拟,来求解应力等效系数并验证其正确性,同时进行了影响因素

・288・的敏感性分析。

成都理工学院学报　　　　　　　　　　　　　　第26卷

的应力值,来研究岩芯内部位移的变化情况;然后应用另一模型通过调整岩芯内部位移来反求应力值,直到拟合较佳为止。图3分别示Ρv=31MPa和Ρv=46MPa时,模型垂直中心断面位移sy的变化情况以及由此反算的Ρh对应位移变化图。

2　室内试验

取长、直径分别为50mm的完整岩芯,顺轴向粘贴应变片,连接应变仪,在压力机上加载pv󰃗kg。改变pv的大小,记录一系列微应变值(ΕΛ),据Ρv=pv󰃗Av(Av为截面面积)求得Ρv。将岩芯平放,平行截面粘贴应变片,上、下各放一块钢性垫片,加载ph󰃗kg,也使其发生ΕΛ应变,记下一系列对应的ph值,

据Ρh=ph󰃗Ah(Ah=16.5cm)求得Ρh。在试验过程中,为了克服垫片与岩芯摩擦产生的切向应力,确保应力垂向传递,我们在岩芯上下分别垫上3层长为50mm的照相用胶片。试验结果证明,效果良好。试验得出的Ρv-Ρh呈线性关系(图1),回归方程为Ρv=1.0613Ρh+7.9568,相关系数r=0.99885,具有很好的规律性。据此求得平均应力等效系数Α(Ρv󰃗Ρh)=1.32。

图2　有限元计算模型

Fig.2　Finiteelementcomputationmodule

由图3可以看出,模型中心部位(应变花位置)拟合效果非常好;只是在模型上部、下部略有差异。与此类似,模拟了取不同应力值时应力等效系数Α的变化情况,得到其平均应力等效数值Α.25,平均=1与试验值的相对误差为5.3%,可用于二次应力场的估算。

3.3　岩芯尺寸效应

为了研究改进应力恢复法的普遍意义,对不同直径的岩芯进行了分析。模拟结果表明,应力等效系数随岩芯直径的增大略有增大,呈线性关系,其变化关系如图4所示。

3.4　应力等效系数与力学参数的敏感性分析

应力等效系数与岩石力学参数的敏感性分析表明,应力等效系数与弹性模量及泊松比最为敏感,其关系如图5,图6所示。由图示可以看出,应力等效系数随弹性模量、泊松比的增大而增大,呈对数正相关关系。

3.5　围压对应力等效系数的影响

在实际的应力恢复测试中,没有考虑围压的影响,但其影响是真实存在的。为了分析围岩对应力等效系数的影响程度,进行了数值模拟。其基本原理是:设定5cm×5cm的方形材料,在围压作用下施加荷载Ρv,材料沿不同方向(如X,Z,XZ对应应变花的方向)产生应变。解除围压,根据产生的应变确定在无围岩状态下施加荷载Ρ′我们分析了沿Z方v。向,不同围压状态下Ρv󰃗。在不同围压状Ρ′v变化情况态下的围压平均影响系数Β(Ρv󰃗Ρ′v)如表2所列,对

图1　Ρv2Ρh变化关系图

Fig.1　VariationrelationbetweenΡvandΡh

y=1.0613x+7.9568,r=0.9977

3　数值模拟

3.1　计算模型的建立

假定所用材料(岩芯及钢性垫片)为弹性材料,介质力学参数通过材料对比选取(表1),结合试验情况,建立如图2所示的有限元计算模型。其中模型a剖分单元450个,节点1441个;模型b剖分单元910个,节点2877个。

表1　有限元数值模拟选取的岩芯力学参数Table1　Coremechanicalparametersusedin

thefinite2elementmumericalmodeling容　重弹性模量内聚力内摩擦角

泊松比(°)󰃗󰃗󰃗󰃗MPaMPakN・m-65000

0.26

30.00

3.2　有限元数值模拟检验

首先应用任一计算模型,结合试验荷载取不同

第3期　　　　　　　靳晓光等:地应力测量的应力恢复法试验和数值模拟研究　　・2・

图3　计算模型垂直中心断面位移sy变化图

Fig.3　Variationofverticalcentercress2sectiondisplacementincomputationmodule

h为两垫片间岩样高度

图4　应力等效系数与岩芯直径的关系Fig.4　Relationbetweenstressequivalent

coefficientandcorediameter图6　应力等效系数与泊松比的关系Fig.6　Relationbetweenstressequivalent

coefficientandPoissou’smodules

图5　应力等效系数与弹性模量的关系Fig.5　Relationbetweenstressequivalent

coefficientandelasticmodules

图7　不同围压状态下Β2Ρv变化关系

Fig.7　VariationofΒ2Ρvunderdifferentconfiningpressures

应Β2Ρv变化如图7所示。

可以看出,围压影响系数与Ρv呈对数关系。在围压(构造应力)小于30MPa的情况下,围压影响系数在1.0～1.4之间,若围压较小,可不考虑其影响。因此,二次应力Ρx,Ρz计算公式可修正为:

(2)Ρx或Ρz=ΑΒF×Sp󰃗A

式中Β为围压影响系数。

表2　不同围压状态下Β变化情况

Table2　VariationofΒunderdifferentconfiningpressures围压󰃗MPa

101.2106

201.3043

301.387

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4　实践应用

应用改进应力恢复法在川藏公路二郎山隧道西段平导典型地段系统地测定了洞壁二次应力,测定结果如表3所列。

测试结果与所观察到的岩体变形破坏现象基本一致,与弹性力学公式理论计算结果也基本相同,证实了该方法的实用性和正确性。

5　结　论

本文从室内试验、数值模拟及野外现场测试,系统地研究了应变2应力恢复法测定地下硐室表面二次应力的可行性和正确性。试验结果与数值模拟非常接近,现场测定结果与理论计算结果也基本相同,对二次应力场的测定及研究具有重要的理论意义和实用价值。

测点编号

BS0BS1BS2BS2′BS3BS4BS5BS6BS7

表3　围岩二次应力场现场测试成果表

Table3　Fieldmeasurementresultsofquadraticstressfieldinsurroundingrock应变值(Ε应力恢复值Λ)

位　　置岩性

ΕΕΕΡx󰃗MPaΡz󰃗MPa04590

K262+740北壁1.4m高处K262+461北壁1.5m高处K262+444北壁1.5m高处K262+444.5北壁1.5m高处K262+298北壁1.5m高处K261+940北壁1.5m高处K261+905北壁1.5m高处K261+760北壁1.5m高处K261+701北壁1.5m高处

灰岩

砂质泥岩砂岩砂岩

砂质泥岩泥灰岩砂质泥岩砂质泥岩石英砂岩

23275

7612

9122490110

3.918.73

8.297.348.97.26

155480700295205

29510346551128185

5008151365903210

7.3514.4427.12.39.8

14.8440.1241.4628.5920.62

[

1993.

参考文献]

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成都:成都科技大学出版社,1991.

STUDYONSTRESSRESTORINGANDNUMERICALMODELING

INGEO-STRESSMEASURE

JinXiaoguang,WangLansheng,LiTianbin

(ChengduUniversityofTechnology,China)

Abstract:Thispaperpresentsanimprovedstressrestoringmethodbasedonthebasicprincipleofthehis2toricalstressrestoringmethod,obtainedtheimprovedstressrestoringmethod’skeycoefficient-stresse2

quivalentcoefficientandmakesinspectionutilizingnumericalmodeling.Atthesametime,thepaperanaly2sesitsaffectingfactoranddegree,andit’sfeasibilityandrightnessweretestedbyfieldpractice.Ithasim2portanttheoricalandpracticalvalue.

Keywords:stressrestoringmethod:numericalmodeling;stressequivalentcoefficient;cofiningpressure

affectingcoefficient

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