一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法

1.一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法，其具体步骤是：(1)假设垂直方向为已知主应力σZ，主应力大小可由公式σZ＝γd求得，式中γ为上部岩层容重，d为埋深；(2)水平方向上，在相互垂直的两个方向及与此两方向夹角成45度的方向，即X，Y，X45Y每个方向上取4个直径30mm，高60mm的岩样；(3)将加工好的标准试件在电液伺服压力机上做单轴抗压试验，将声发射探头抹上凡士林，并用胶带紧贴在标准试样侧面；试验开始时，需保证声发射仪与应力应变数据采集系统同时记录试验数据，试验要求加载速率控制在0.006mm/s-0.008mm/s，加载至标准试样出现残余强度，停止加载和记录；(4)声发射仪记录得到能量累积计数-时间曲线，应力应变数据采集系统记录得到应力-时间曲线，两组数据以时间为统一坐标轴，绘制能量累积计数-应力-时间关系曲线，分析该关系曲线，能量累积计数-时间曲线斜率的突变点所对应的应力即为Kaiser点；(5)利用上述试验方法，得到三个方向对应的Kaiser点应力，分别为σX，σY，σX45Y；根据以下理论计算公式可计算水平方向两个主应力的大小及方向：
式中：σ1和σ2为所求的最大和最小主应力值；θ为σ1与σ2的夹角；σI＝σX，σII＝σX45Y，σIII＝σY；
根据以上公式，可求得测点处最大、最小主应力的大小和方向，加上假设的σZ，即可实现地应力的三维应力测定。

一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种岩土工程地应力测试技术，尤其是一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法。\n背景技术\n[0002] 随着国民经济的快速发展，矿山开采、交通运输、水利建设等建设工程中所遇到的稳定性问题也日益突出。大量岩土工程实例表明，地应力中最大主应力的大小、方向对工程稳定性影响甚大，且不少地方水平地应力高于垂直地应。近年来，地应力测量方法主要以传统声发射法、水压致裂法和空心包体应变测量技术为主。\n[0003] 岩石类材料在受到外载荷作用时，其内部储存的应变能会因微破裂作用而快速释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。传统声发射法测量地应力就是基于这样一种现象，即材料在经过一次或几次反复加载一卸载后，再一次对其加载时，如果没有超过先前的最大应力，则很少发生声发射，只有达到并超过以前的最大应力，才能产生大量声发射，这种现象也叫Kaiser效应。现场测量时要获得存在于开挖岩体及其周围区域内的三维应力状态就必须在岩体上取交汇于测点六个互不平行的定向岩芯，然后在试验室中对加工好的各个定向标准试样逐个加载，通过声发射测量测定标准试样先前受到的最大应力，并将它定为采芯地点某个方向的应力，最后依照弹性力学的基础，解方程组计算出该点的最大主应力大小及方向。此方法的缺点是定向取样非常麻烦，要准确的在一个点上获取六个不同方向的岩样十分困难，同时，即使是取得了6个方向的岩样，但只要有一个方向的岩样失败，那么就得不出方程组的解析解，即该点的最大主应力无法得出。因此为保证测试的成功，有些学者建议在每个方向上取4个样，那么6个方向就是24个样，这样在一点上取这么多直径为50mm的岩芯何其困难，即使是取得了也难以保证它们是同一点的。因此，这种方法也一直停留在理论研究阶段，实际应用价值很低。空心包体应变测量技术通常是通过逐点测量来完成的，那么要获得存在于开挖岩体及其周围区域内的三维应力状态就必须在深部打直径达150mm的套孔，由于施工难度大，施工作业条件要求特殊，所以在技术力量相对薄弱的地方难以保证测量的准确性，从而也限制了此类方法的推广应用，同时大部分需要测定原岩应力的区域，尚未有地下坑道布设，所以很难具备空心包体应变测量的条件，特别是露天矿山尤为突出。而水压致裂法是假定自重应力是一个主应力且与一个主应力方向重合，根据钻孔测得的结果确定三维地应力状态，它的突出优点是能测量深部地压，然而这种方法机械的认为岩石初始开裂是在垂直于最小主应力的方向发生，可是如果岩石本来就有层理、节理等弱面存在，那么初始裂隙就有可能沿着弱面发生。因此，这种方法只能用于比较完整的岩石中，更重要的是这种方法代价非常昂贵，操过繁琐复杂，所以在一定程度上也限制了它的发展。因此，如何找到一种既廉价又适用的地应力测量方法成为岩体工程界面临的当务之急。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于提供一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法，此方法也是假定自重应力是一个主应力，然后在平面应力条件下利用声发射的方法求解水平面上的最大主应力和方向，所以此方法兼具声发射和水压致裂法的特点，但在经济和适用性上却比水压致裂法要合理的多。\n[0005] 本发明的技术方案为：一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法，其具体步骤是：(1)假设垂直方向为已知主应力σZ，主应力大小可由公式σZ＝γd求得，式中γ为上部岩层容重，d为埋深；(2)水平方向上，在相互垂直的两个方向及与此夹角45度的方向，即X，Y，X45Y每个方向上取4个直径30mm，高60mm的岩样；(3)将加工好的标准试件在电液伺服压力机上做单轴抗压试验，将声发射探头抹上凡士林，并用胶带紧贴在标准试样侧面。试验开始时，需保证声发射仪与应力应变数据采集系统同时记录试验数据，试验要求加载速率控制在0.006mm/s-0.008mm/s，加载至标准试样出现残余强度，停止加载和记录；(4)声发射仪记录得到能量累积计数-时间曲线，应力应变数据采集系统记录得到应力-时间曲线，两组数据以时间为统一坐标轴，绘制能量累积计数-应力-时间关系曲线。分析该关系曲线，能量累积计数-时间曲线斜率的突变点所对应的应力即为Kaiser点；(5)利用上述试验方法，得到三个方向对应的Kaiser点应力，分别为σX，σY，σX45Y；根据以下理论计算公式可计算水平方向两个主应力的大小及方向：\n[0006] \n[0007] 式中：σ1和σ2为所求的最大和最小主应力值；θ为σ1与σ2的夹角；σ1＝σX，σIIσX45Y，σIII＝σY；\n[0008] 根据以上公式，可求得测点处最大、最小主应力的大小和方向，加上假设的σZ，即可实现地应力的三维应力测定。\n[0009] 本发明的优点在于：基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法是一种新型地应力场测试方法，可以弥补传统测试方法的不足，同时也可以大大节省测量耗费，具有可操作性强、测量准确等优点，结合岩体力学试验和数值模拟分析等手段，可为岩土工程设计提供有力的科学依据，是一种全新、国际先进的地应力场测试方法。\n附图说明\n[0010] 图1为本发明一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法中任一截面上的正应力和剪应力示意图；\n[0011] 图2为本发明一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法结中三个已知截面依次按45°分布图；\n[0012] 图3为本发明一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法中取样位置示意图；\n[0013] 图4为本发明一种基于平面应力条件下的新型声发射地应力场测量方法标准试样声发射测试示意图。\n具体实施方式\n[0014] 平面应力条件下声发射测量的理论基础地应力测量常以平面状态为基础。将地应力测量钻孔看成是无限大薄板中的圆孔，且应力方向与水平面平行，根据弹性力学计算公式，已知两对水平主应力σ1和σ2，则任一截面上的正应力和剪应力为(如图1所示)：\n[0015] \n[0016] 那么如果已知了三个不同截面上的正应力，则可根据以上公式，求出水平面上的最大主应力大小和方向。在这里为考虑声发射制样方便，只讨论三个已知截面依次按45°分布的情况(如图2所示)，则有：\n[0017] \n[0018] 展开三角函数得：\n[0019] \n[0020] 解方程组得：\n[0021] \n[0022] 可根据以上推导公式，求出水平面上的最大、最小主应力大小和方向，加上假设的σZ，即可实现地应力的三维应力测定。\n[0023] 平面应力条件下声发射测量的具体步骤：\n[0024] 平面应力条件下的新型声发射地应力场测量技术的具体步骤是：\n[0025] (1)假设垂直方向为已知主应力方向σZ，主应力大小可由公式σZ＝γd求得(γ为上部岩层容重，d为埋深)；\n[0026] (2)水平方向上，在相互垂直的两个方向及与此夹角45度的方向，即X，Y，X45Y每个方向上取4个直径30mm，高60mm的岩样；\n[0027] (3)将加工好的标准试件在电液伺服压力机上做单轴抗压试验，将声发射探头抹上凡士林，并用胶带紧贴在标准试样侧面。试验开始时，需保证声发射仪与应力应变数据采集系统同时记录试验数据，试验要求加载速率控制在0.006mm/s-0.008mm/s，加载至标准试样出现残余强度，停止加载和记录；\n[0028] (4)声发射仪记录得到能量累积计数-时间曲线，应力应变数据采集系统记录得到应力-时间曲线，两组数据以时间为统一坐标轴，绘制能量累积计数-应力-时间关系曲线。分析该关系曲线，能量累积计数-时间曲线斜率的突变点所对应的应力即为Kaiser点；\n[0029] (5)利用上述试验方法，得到三个方向对应的Kaiser点应力，分别为σX，σY，σX45Y。根据以下理论计算公式可计算得水平方向两个主应力的大小及方向：\n[0030] \n[0031] 式中：\n[0032] σ1和σ2为所求的最大和最小主应力值；\n[0033] θ为σ1与σ2的夹角；\n[0034] σI＝σX，σII＝σX45Y，σIII＝σY。\n[0035] 根据以上公式，可求得测点处最大、最小主应力的大小和方向，加上假设的σZ，即可实现地应力的三维应力测定。