空心包體原巖應(yīng)力測(cè)量方法及其工程應(yīng)用

高 峰

原巖應(yīng)力是指巖體處于天然產(chǎn)狀條件下所具有的內(nèi)應(yīng)力，亦稱巖體初始應(yīng)力。這種天然內(nèi)生應(yīng)力主要是由于在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中，地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的水平應(yīng)力造成，還有上覆巖層的自重造成的內(nèi)應(yīng)力及其他應(yīng)力。原巖應(yīng)力是地殼地層力學(xué)狀態(tài)最基礎(chǔ)的原始數(shù)據(jù)，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定分析、巖土工程設(shè)計(jì)和決策所必需的原始資料。要準(zhǔn)確了解某一地區(qū)的原巖應(yīng)力狀態(tài)必須進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)量。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來(lái)的原巖應(yīng)力測(cè)量方法有幾十種，但目前應(yīng)用最廣泛的還是應(yīng)力解除法[1，2]。

1 空心包體原巖應(yīng)力測(cè)量方法

1.1 空心包體應(yīng)變計(jì)

空心包體應(yīng)變計(jì)主體為用環(huán)氧樹(shù)脂制成的空心圓筒(壁厚3 mm)，外徑為36 mm，內(nèi)徑為 30 mm。在其中間層，即直徑35 mm處沿同一圓周等距離(120°)嵌埋著3組電阻應(yīng)變花。每組應(yīng)變花由 4支應(yīng)變片組成，互相間隔45°(見(jiàn)圖1)。制作時(shí)，空心圓筒分兩步澆筑。首先澆筑一個(gè)直徑為35 mm的空心圓筒，在規(guī)定的位置貼好電阻應(yīng)變花后，再澆筑外面一層，使其直徑達(dá)到36 mm。應(yīng)變計(jì)頂部設(shè)有一補(bǔ)償應(yīng)變片，以消除溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[3-5]。

使用時(shí)將內(nèi)部注滿膠結(jié)劑，并將一個(gè)帶有錐頭的柱塞用鋁銷釘固定在其口部以防膠結(jié)劑流出。使用定位器將應(yīng)變計(jì)推入安裝小孔中，當(dāng)錐形頭碰到小孔底后，用力推應(yīng)變計(jì)，剪斷固定銷，柱塞便慢慢進(jìn)入內(nèi)腔，將膠結(jié)劑壓出，使之流入并充滿應(yīng)變計(jì)和孔壁之間的環(huán)形槽內(nèi)。待膠結(jié)劑固化后，應(yīng)變計(jì)與孔壁牢固地膠結(jié)在一起，通過(guò)單孔就可以比較準(zhǔn)確地測(cè)定一點(diǎn)的三維原巖應(yīng)力狀態(tài)。

以環(huán)氧樹(shù)脂為基質(zhì)的空心包體應(yīng)變計(jì)的突出優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)便迅速，成功率和可靠性高。

1.2 空心包體應(yīng)力測(cè)量方法

應(yīng)力解除技術(shù)是實(shí)現(xiàn)原巖應(yīng)力擾動(dòng)、開(kāi)展實(shí)測(cè)最通用的方法。所謂鉆孔應(yīng)力解除技術(shù)，就是將一個(gè)試塊通過(guò)取芯(套芯技術(shù))從周圍巖體施加給它的應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)隔離開(kāi)來(lái)的方法。實(shí)際采用的空心包體類環(huán)氧樹(shù)脂三軸應(yīng)變法的應(yīng)力解除過(guò)程簡(jiǎn)述見(jiàn)圖2。

1)打大孔:在巷道或峒室內(nèi)，用鉆機(jī)向圍巖鉆進(jìn)應(yīng)力解除孔，孔深以巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的范圍為準(zhǔn)，終孔點(diǎn)要不受巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響(一般為巷道跨度的 4倍～5倍)。鉆孔上傾3°～5°，便于水流出并易于清洗鉆孔。2)做錐形孔底:換錐形鉆頭做錐形孔底，以保證后面的小孔與大孔同心。3)打小孔:裝上φ 36 mm特制的小鉆頭，將小鉆頭頂?shù)娇椎?，在鉆桿的孔口處標(biāo)記，然后向內(nèi)打20 cm。4)清潔小孔、包體安裝:小孔打好后，必須先吹凈孔內(nèi)巖粉、反復(fù)擦拭小孔，保證粘結(jié)劑將包體與小孔巖壁粘結(jié)牢固。接長(zhǎng)推桿將包體送入大孔中，記錄長(zhǎng)度，保證包體成功安裝于小孔中。5)應(yīng)力解除:包體安裝24 h后，環(huán)氧樹(shù)脂固化，將推桿和定向器拔出，記下應(yīng)變計(jì)的偏角，并用羅盤(pán)測(cè)量出鉆孔的方位和傾角。接通應(yīng)變儀每10 min讀數(shù)一次，讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值為初始值。按25 mm分級(jí)深度套芯解除至一定深度后，將包含包體的巖芯折斷并取出，應(yīng)變計(jì)讀數(shù)趨于穩(wěn)定，不再解除。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了取得準(zhǔn)確數(shù)值，通常在單孔中進(jìn)行多次測(cè)量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析測(cè)試結(jié)果，以減少測(cè)量誤差和人為誤差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取得資料，可利用地科院地質(zhì)力學(xué)所開(kāi)發(fā)的基于最小二乘法的KBJ-12型錨桿測(cè)力儀數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行計(jì)算，求得了最大、中間、最小應(yīng)力的大小、方向和方位角。

2 工程實(shí)踐

2.1 地質(zhì)概況

井田為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，從K3砂巖底至K4砂巖底，巖性為灰白色砂巖，灰色～灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層。厚度41 m～87 m，平均62 m，含植物化石。5號(hào)煤層賦存于山西組的下部，煤層厚度1.0 m～3.3 m，平均2.2 m，煤層傾角 4°～ 6°，屬近水平煤層，含3層夾矸。頂板巖性為灰黑色泥巖，局部為細(xì)砂巖，比較穩(wěn)定。底板巖性為灰黑色砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖。

2.2 測(cè)試地點(diǎn)選擇

1)測(cè)點(diǎn)原巖應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)能反映該區(qū)域的一般情況，所選地點(diǎn)應(yīng)具有代表性，針對(duì)煤礦實(shí)際情況，選點(diǎn)的重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)集中在主產(chǎn)采區(qū)，一個(gè)采區(qū)至少布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。2)受原巖應(yīng)力測(cè)試方法的限制，測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能地在較完整、均質(zhì)、層厚合適的煤層頂板的穩(wěn)定巖層中進(jìn)行。3)應(yīng)避免原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)受到采煤、掘進(jìn)等附加應(yīng)力場(chǎng)的影響，盡量遠(yuǎn)離采煤工作面、采空區(qū)、掘進(jìn)頭和交叉點(diǎn)等應(yīng)力集中區(qū)域，特別要遠(yuǎn)離斷層，避開(kāi)巖石破碎帶、斷裂發(fā)育帶。4)根據(jù)巖石力學(xué)分析，地應(yīng)力測(cè)孔深度至少為巷道寬度的3倍～5倍，使應(yīng)變傳感器位于影響范圍以外;在實(shí)際測(cè)量中，根據(jù)巖石的強(qiáng)度、變形條件不同，設(shè)置不同深度的鉆孔，在地應(yīng)力不發(fā)生變化的范圍測(cè)得地應(yīng)力。根據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)實(shí)際情況和科研需要將測(cè)點(diǎn)定于5-201巷。

2.3 原巖應(yīng)力測(cè)試技術(shù)參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)

1號(hào)測(cè)點(diǎn)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)選用的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 原巖應(yīng)力測(cè)試技術(shù)參數(shù)表

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用處理軟件，得到的應(yīng)變—鉆進(jìn)解除距離曲線如圖3所示。

由圖3原巖應(yīng)力測(cè)量應(yīng)變—解除距離曲線可以看出，套芯法應(yīng)力解除曲線總體變化趨勢(shì)明顯，大體可分為3個(gè)階段:

1)應(yīng)變平緩區(qū)。應(yīng)力解除初始階段，解除位置距離應(yīng)變片位置較遠(yuǎn)，應(yīng)變片受影響程度較小，表現(xiàn)為實(shí)測(cè)應(yīng)力解除曲線較為平緩。2)應(yīng)變劇變區(qū)。隨著應(yīng)力解除深度增加至12 mm～21 mm，即解除深度逐步逼近應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)變數(shù)值急劇變化;一般在應(yīng)力解除達(dá)到應(yīng)變片上方附近位置時(shí)，應(yīng)變量達(dá)到最大。3)應(yīng)變穩(wěn)定區(qū)。應(yīng)力解除深度超過(guò)21 mm后，應(yīng)變計(jì)測(cè)量值受應(yīng)力解除的影響程度變小，應(yīng)變值逐漸趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為應(yīng)力解除曲線趨向水平?？梢钥闯?，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力解除曲線總體質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)感測(cè)性能明顯異常的應(yīng)變片，說(shuō)明應(yīng)力解除過(guò)程較為成功，從而保證了原巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的巖石工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和施工一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的。在開(kāi)挖活動(dòng)的規(guī)模和深度較小的情況下，經(jīng)驗(yàn)類比方法是有效的。但是隨著開(kāi)挖規(guī)模的不斷擴(kuò)大和逐步向深部發(fā)展，特別是大型礦山、水電站、大壩、大斷面地下隧道、地下洞室以及高陡邊坡等出現(xiàn)后，經(jīng)驗(yàn)類比方法就逐漸失去了作用，單純依據(jù)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)挖施工，就不足以保障地下工程的穩(wěn)定性。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，合理選擇原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，采用空心包體法得到應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到巖土工程合理設(shè)計(jì)，提高工程整體的穩(wěn)定性。

[1] 蔡美峰.原巖應(yīng)力測(cè)量技術(shù)和原理[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[2] 王連捷，潘立宙.原巖應(yīng)力測(cè)量及其在工程中的應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社，1991.

[3] 喬 蘭，蔡美峰.應(yīng)力解除法在某金礦原巖應(yīng)力測(cè)量中的新進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1995，14(1):25-32.

[4] 李梅梅，關(guān)英斌，金瞰昆.利用應(yīng)力解除法測(cè)量顯德旺煤礦原巖應(yīng)力[J].河北建筑科學(xué)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，19(1):67-70.

[5] 張延新，蔡美峰，王克忠.平頂山一礦地應(yīng)力分布特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(23):4033-4037.