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地應力估算基于地下空間的方法

發布日期:2019-06-14  來源:地質論評  作者:王成虎  瀏覽次數:372
 

地應力估算基于地下空間的方法

5.1 扁千斤頂法

扁千斤頂法是測量巖壁表面應力的一種方法, 也稱巖體表面應力恢復法, 該方法首先在二十世紀五十年代在法國使用, 由Mayer等 (1951) 、Tincelin (1951) 首先提出, 后來Panek (1961) 、Panek和Stock (1964) 、Hoskins (1966) 、Merrill等 (1964) 以及Rocha等 (1966, 1971) 對這種方法又進行了大量的改進。到了20世紀60年代以后, 文獻中有大量關于利用扁千斤頂法測量原地應力場的報道 (Amadei and Stephasson, 1997) 。該方法也是是國際巖石力學學會試驗方法委員會巖石應力測量的推薦方法之一 (Commission on testing methods of IRSM, 1988) 。首先在測量點按照特定規則埋設測量元件, 一般埋設在預定測量槽的兩側, 埋設完畢后, 在預定位置開挖測量槽, 同時監測測量元件所反應的開挖過程中巖體的變形行為 (位移或應變量) , 再在槽中埋設壓力鋼枕, 測量壓力鋼枕施壓引起的變形, 直至能抵消由鑿槽引起的變形和該壓力下的殘余變形時, 相對應的壓力鋼枕壓力值就是窄縫槽中垂線方向的圍巖法向應力值 (Commission on testing methods of IRSM, 1988) 。當拓展到三維地應力測量時, 一般需要在洞室斷面巖壁上不同部位布置6個測點, 測試設備及測點布置如圖12所示。該方法在20世紀60年代時十分流行, 到目前仍然有人在使用該方法。根據Amadei和Stephasson (1997) 的介紹, 從該種方法提出到20世紀60年代發展成熟后, 除了在局部技術細節方面的部分革新, 該方法后來的30多年里基本沒有什么大的發展變化。與此同時, 對該方法進行適當修正, 還可以用于測試巖體的彈性模量。

扁千斤頂法測量地應力有以下不足: (1) 該方法只能測量地下洞室圍巖表面的地應力, 而圍巖表面的應力容易受到洞室開挖工藝、圍巖二次應力場等因素的影響; (2) 圍巖表面的結構面和巖體的各向異性對測試結果影響較大, 而且不容易消除; (3) 由于加載工藝的問題, 千斤頂施加的應力不是理想均勻狀態, 同時應力加載過程與解除過程可能并不一致; (4) 在一些軟巖中開展實驗時, 切槽過程中的蠕變現象對測試結果影響明顯。這種測試方法的優點也很明顯: (1) 可以直接測試地應力, 而且無需知道巖石的彈性模量; (2) 測試設備簡單、耐用、穩定; (3) 所測得的應力是基于一個平面的平均應力, 包括的體積達0.2~2m3, 同時對巖體的擾動相對較小。

5.2 表面應力解除法

平面應力測量法是最早的應力測量方法, 早在20世紀初就有工程師利用這種方法測量土木結構組件內部的應力。表面應力解除法是在測試點安裝變形測量裝置, 一般采用幾組固定的測量元件, 成對按照特定形狀規則固定, 然后在測量元件周邊開展巖體切割或者小型開挖作業, 在這一過程中, 監測測量元件之間距離的相對變化, 進而得到開挖過程中測量點巖體的變形量, 同時求得該區域巖體的彈性模量, 就可以估算測量點原地應力狀態。這種方法在應力測量發展的早期起到了很大的作用, 近年來該方法的使用率已經很低了。Mathar (1934) 、Amadei和Stephasson (1997) 對表面應力測量進行過系統地總結, 可參考。應力測量發展史上最為著名的表面應力測量工作是Lieurance (1933、1939) 在美國內華達胡佛大壩壩基中所開展的應力測量實踐。表面應力解除可以分為小型巖體切割法 (Merrill, 1964) 、平行鉆孔法 (Habib, 1971) 和中心鉆孔法 (Duvall and Tsur-Lavie, 1974) 三種,

表面應力解除法在應力測量發展早期起到了很大的作用, 但是這種方法也有很大的局限性, 包括 (1) 測量環境對應變計或者測量柱影響較大, 例如濕度、灰塵和地下溫度等; (2) 與扁千斤頂法類似, 平面應力解除僅能測量地下洞室圍巖表面的地應力, 而圍巖表面的應力容易受到洞室開挖工藝、圍巖二次應力場、洞室表面應力集中等因素的影響, 同時圍巖表面的結構面和巖體的各向異性對測試結果影響較大, 而且不容易消除; (3) 這種方法測出的只是巖石表面的兩個主應力, 屬于平面應力測量。

5.3 反分析法

 

地下空間開挖后, 周邊圍巖必然會變形, 而且這種變形非常明顯, 只要仔細觀測地下空間圍巖的變形過程, 并求得地下空間圍巖的巖體彈性模量或者變形模量, 就可以估算工程區的原地應力場狀態, 通常人們稱這種方法為反分析法。Zajic和Bohac (1986) 、Sakurai和Shimizu (1986) 首先提出了這種地下空間反分析方法。首先在地下空間一個或者多個斷面上監測位移, 并利用數值分析方法 (有限元或者邊界元) 將其與區域應力場聯系起來, 這一過程需要假設巖體屬性參數以及這些參數隨深度的變化規律。Zou和Kaiser (1990) 還提出了針對二維問題的反分析方法, 后來Wiles和Kaiser (1994) 將這一方法拓展到了三維, 這種方法中是首先在巖體中預埋設應變儀、伸縮儀、閉合儀、傾斜儀等位移或者應變觀測裝置, 然后觀測后續開挖進行時這些儀器的記錄響應, 進而利用數值分析法 (三維有限元或者三維邊界元) 來分析區域應力場。Martin (2003) 認為, 在深部高地應力區開挖過程中, 基于地下空間變形的反分析法得到的原地應力狀態更為準確, 但是通??萍既藛T低估該方法的價值。

 
 
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