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地應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量原理及技術(shù)之空心包體地應(yīng)力測量原理

圖1   一點的應(yīng)力狀態(tài)（六個應(yīng)力分量） 

現(xiàn)場測量原始地應(yīng)力，就是通過現(xiàn)場測試確定巖體的三維應(yīng)力狀態(tài)。巖體中一點的應(yīng)力狀態(tài)可由選定坐標系中的六個分量（s x ,s y ,s z ,t xy ,t yz ,t zx ) 來表示，一般情況下，地應(yīng)力的六個應(yīng)力分量是非零的，處于相對靜止的平衡狀態(tài)，無法直接得知。因此，任何一種實測方法都是通過擾動（通常的方法是打鉆孔），打破原有狀態(tài)，在從一種平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)的過程中，通過對應(yīng)力效應(yīng)的間接測量來實現(xiàn)。

力或應(yīng)力物理效應(yīng)是產(chǎn)生應(yīng)變和位移。可以通過應(yīng)變和位移傳感器將巖體應(yīng)變和位移的變化記錄下來，取得測量數(shù)據(jù)。根據(jù)巖石的本構(gòu)關(guān)系即應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建立相應(yīng)的力學計算模型，由觀測到的應(yīng)變或位移，就能計算出地應(yīng)力的六個分量或者三個主應(yīng)力的大小和方向。

由此可見，現(xiàn)場地應(yīng)力測量過程，本質(zhì)上是應(yīng)變或位移的測量過程。只要具備精巧、完備測量儀器和測試技術(shù)，就可保障應(yīng)變和位移獲得，而地應(yīng)力結(jié)果的準確獲得不僅要靠實測應(yīng)變數(shù)據(jù)的可靠，還有賴于力學模型，以及由此推演的地應(yīng)力分量的解算公式是否正確。因為地應(yīng)力值要根據(jù)實測應(yīng)變值，通過巖石的本構(gòu)關(guān)系計算求得。

應(yīng)力解除技術(shù)，是改變巖體應(yīng)力狀態(tài)，使巖體產(chǎn)生應(yīng)變響應(yīng)的簡捷方法。所謂鉆孔應(yīng)力解除技術(shù)，就是將一段巖石通過取芯（套芯技術(shù)）從周圍巖體施加給它的應(yīng)力場內(nèi)隔離開來的方法。

設(shè)地下某一點的應(yīng)力為s x ,s y ,s z ,t xy ,t yz ,t zx ，主應(yīng)力大小為s 1，s 2，s 3 ，與大地坐標系 XYZ 關(guān)系用 9 個方向余弦或 9 個夾角值可以*確定。但在實測中，鉆孔與巖層、與大地坐標總會呈某一角度（仰角或俯角）。設(shè) xyz 為鉆孔坐標系，在該坐標系下的地應(yīng)力是實測地應(yīng)力。由此，只要有了兩套坐標系的相對關(guān)系和實測地應(yīng)力的的全部分量，通過坐標變換就可得到 XYZ 坐標下的應(yīng)力分量，并由此求得主應(yīng)力的大小和方向。由空心包體應(yīng)變計所測量應(yīng)力解除過程中應(yīng)變數(shù)據(jù)計算地應(yīng)力的公式為：

式中：ε θ ,ε z ,γ θz 分別是空心包體應(yīng)變計所測周向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變值。

K 系數(shù)計算公式

式中： R1為空心包體內(nèi)半徑；

R2為安裝小孔半徑；

G1 ,G2 分別為空心包體材料環(huán)氧樹脂和巖石的剪切模量；

ν 1，ν 2 分別為空心包體材料環(huán)氧樹脂和巖石的泊松比；

ρ 為電阻應(yīng)變片在空心包體中的徑向距離