專利名稱：：一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種巖土工程地應力測試技術，尤其是一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術。
背景技術：
：隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，礦山開采、交通運輸、水利建設等建設工程中所遇到的穩(wěn)定性問題也日益突出。大量巖土工程實例表明，地應力中最大主應力的大小、方向?qū)こ谭€(wěn)定性影響甚大，且不少地方水平地應力高于垂直地應。近年來，地應力測量方法主要以傳統(tǒng)聲發(fā)射法、水壓致裂法和空心包體應變測量技術為主。巖石類材料在受到外載荷作用時，其內(nèi)部儲存的應變能會因微破裂作用而快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響，稱為聲發(fā)射。傳統(tǒng)聲發(fā)射法測量地應力就是基于這樣一種現(xiàn)象，即材料在經(jīng)過一次或幾次反復加載_卸載后，再一次對其加載時，如果沒有超過先前的最大應力，則很少發(fā)生聲發(fā)射，只有達到并超過以前的最大應力，才能產(chǎn)生大量聲發(fā)射，這種現(xiàn)象也叫Kaiser效應?，F(xiàn)場測量時要獲得存在于開挖巖體及其周圍區(qū)域內(nèi)的三維應力狀態(tài)就必須在巖體上取交匯于測點六個互不平行的定向巖芯，然后在試驗室中對加工好的各個定向試樣逐個加載，通過聲發(fā)射測量測定試樣先前受到的最大應力，并將它定為采芯地點某個方向的應力，最后依照彈性力學的基礎，解方程組計算出該點的最大主應力大小及方向。此方法的缺點是定向取樣非常麻煩，要準確的在一個點上獲取六個不同方向的巖樣十分困難，同時，即使是取得了6個方向的巖樣，但只要有一個方向的巖樣失敗，那么就得不出方程組的解析解，即該點的最大主應力無法得出。因此為保證測試的成功，有些學者建議在每個方向上取4個樣，那么6個方向就是24個樣，這樣在一點上取這么多直徑為50mm的巖芯何其困難，即使是取得了也難以保證它們是同一點的。因此，這種方法也一直停留在理論研究階段，實際應用價值很低?？招陌w應變測量技術通常是通過逐點測量來完成的，那么要獲得存在于開挖巖體及其周圍區(qū)域內(nèi)的三維應力狀態(tài)就必須在深部打直徑達150mm的套孔，由于施工難度大，施工作業(yè)條件要求特殊，所以在技術力量相對薄弱的地方難以保證測量的準確性，從而也限制了此類方法的推廣應用，同時大部分需要測定原巖應力的區(qū)域，尚未有地下坑道布設，所以很難具備空心包體應變測量的條件，特別是露天礦山尤為突出。而水壓致裂法是假定自重應力是一個主應力且與一個主應力方向重合，根據(jù)鉆孔測得的結(jié)果確定三維地應力狀態(tài)，它的突出優(yōu)點是能測量深部地壓，然而這種方法機械的認為巖石初始開裂是在垂直于最小主應力的方向發(fā)生，可是如果巖石本來就有層理、節(jié)理等弱面存在，那么初始裂隙就有可能沿著弱面發(fā)生。因此，這種方法只能用于比較完整的巖石中，更重要的是這種方法代價非常昂貴，操過繁瑣復雜，所以在一定程度上也限制了它的發(fā)展。因此，如何找到一種既廉價又適用的地應力測量方法成為巖體工程界面臨的當務之急。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術，此方法也是假定自重應力是一個主應力，然后在平面應力條件下利用聲發(fā)射的方法求解水平面上的最大主應力和方向，所以此方法兼具聲發(fā)射和水壓致裂法的特點，但在經(jīng)濟和適用性上卻比水壓致裂法要合理的多。本發(fā)明的技術方案為一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術，其具體步驟是(1)假設垂直方向為已知主應力σζ，主應力大小可由公式σζ=得，式中Y為上部巖層容重，d為埋深；(2)水平方向上，在相互垂直的兩個方向及與此夾角45度的方向，即X，Y，X45Y每個方向上取4個直徑30mm，高60mm的巖樣；(3)將加工好的標準試件在電液伺服壓力機上做單軸抗壓試驗，將聲發(fā)射探頭抹上凡士林，并用膠帶緊貼在試樣側(cè)面。試驗開始時，需保證聲發(fā)射儀與應力應變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗要求加載速率控制在0.006mm/s-0.008mm/s，加載至試樣出現(xiàn)殘余強度，停止加載和記錄；(4)聲發(fā)射儀記錄得到能量累積計數(shù)-時間曲線，應力應變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄得到應力_時間曲線，兩組數(shù)據(jù)以時間為統(tǒng)一坐標軸，繪制能量累積計數(shù)_應力-時間關系曲線。分析該曲線，能量累積計數(shù)_時間曲線斜率的突變點所對應的應力即為Kaiser點；(5)利用上述試驗方法，得到三個方向?qū)腒aiser點應力，分別為οχ，σγ,οΧ45Υ；根據(jù)以下理論計算公式可計算水平方向兩個主應力的大小及方向Ct1=—(στ+σπτ)+——-——(στ-crm)12V1m;2cosV1m/σι=全(σ!+O"m^~2cos26>^1_)tan26=2σΠ-Cr1-CTmσι_σπι式中ο工和ο2為所求的最大和最小主應力值；θ為ο工與ο2的夾角；οι=οχ，OTT-CJV/1rz\r，CJTTT-CJIIX45Y，wIII—wY根據(jù)以上公式，可求得測點處最大、最小主應力的大小和方向，加上假設的σζ，即可實現(xiàn)地應力的三維應力測定。本發(fā)明的優(yōu)點在于基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術是一種新型地應力場測試技術，可以彌補傳統(tǒng)測試方法的不足，同時也可以大大節(jié)省測量耗費，具有可操作性強、測量準確等優(yōu)點，結(jié)合巖體力學試驗和數(shù)值模擬分析等手段，可為巖土工程設計提供有力的科學依據(jù)，是一種全新、國際先進的地應力場測試技術。圖1為本發(fā)明一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術中任一截面上的正應力和剪應力示意圖；圖2為本發(fā)明一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術結(jié)中三個已知截面依次按45°分布圖；圖3為本發(fā)明一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術中取樣位置示意圖；圖4為本發(fā)明一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術試樣聲發(fā)射測試示意圖。具體實施例方式平面應力條件下聲發(fā)射測量的理論基礎地應力測量常以平面狀態(tài)為基礎。將地應力測量鉆孔看成是無限大薄板中的圓孔，且應力方向與水平面平行，根據(jù)彈性力學計算公式，已知兩對水平主應力σi和σ2，則任一截面上的正應力和剪應力為(如圖1所示)σθ=丄(σ!+σ2)+—(σ-ct2)cos2^2τβ=\(σ\-o*2)sin2"那么如果已知了三個不同截面上的正應力，則可根據(jù)以上公式，求出水平面上的最大主應力大小和方向。在這里為考慮聲發(fā)射制樣方便，只討論三個已知截面依次按45°分布的情況(如圖2所示)，則有σι=全(σι+σι)+\{σι-O-2)COS2(9σπ=全(Α+σ2)+去-σ2)cos(90+2θ)。ffl=圣(A+σ2)+全(σλ-σ2)cos(l80+2θ)展開三角函數(shù)得σι+)+全(σ丨-g2)cos20σπ=圣(Α+σ2)+去(σ,-a2)sin2^解方程組得c權(quán)利要求一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術，其具體步驟是(1)假設垂直方向為已知主應力σZ，主應力大小可由公式σZ＝γd求得，式中γ為上部巖層容重，d為埋深；(2)水平方向上，在相互垂直的兩個方向及與此夾角45度的方向，即X，Y，X45Y每個方向上取4個直徑30mm，高60mm的巖樣；(3)將加工好的標準試件在電液伺服壓力機上做單軸抗壓試驗，將聲發(fā)射探頭抹上凡士林，并用膠帶緊貼在試樣側(cè)面。試驗開始時，需保證聲發(fā)射儀與應力應變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗要求加載速率控制在0.006mm/s0.008mm/s，加載至試樣出現(xiàn)殘余強度，停止加載和記錄；(4)聲發(fā)射儀記錄得到能量累積計數(shù)時間曲線，應力應變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄得到應力時間曲線，兩組數(shù)據(jù)以時間為統(tǒng)一坐標軸，繪制能量累積計數(shù)應力時間關系曲線。分析該曲線，能量累積計數(shù)時間曲線斜率的突變點所對應的應力即為Kaiser點；(5)利用上述試驗方法，得到三個方向?qū)腒aiser點應力，分別為σX，σY，σX45Y；根據(jù)以下理論計算公式可計算水平方向兩個主應力的大小及方向<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><msub><mi>σ</mi><mi>I</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>σ</mi><mi>III</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>cos</mi><mn>2</mn><mi>θ</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><msub><mi>σ</mi><mi>I</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>σ</mi><mi>III</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>σ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><msub><mi>σ</mi><mi>I</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>σ</mi><mi>III</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>cos</mi><mn>2</mn><mi>θ</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><msub><mi>σ</mi><mi>I</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>σ</mi><mi>III</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>tan</mi><mn>2</mn><mi>θ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mn>2</mn><mi>σ</mi></mrow><mi>II</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>σ</mi><mi>I</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>σ</mi><mi>III</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>I</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>σ</mi><mi>III</mi></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced>式中σ1和σ2為所求的最大和最小主應力值；θ為σ1與σ2的夾角；σⅠ＝σX，σⅡ＝σX45Y，σⅢ＝σY；根據(jù)以上公式，可求得測點處最大、最小主應力的大小和方向，加上假設的σZ，即可實現(xiàn)地應力的三維應力測定。全文摘要本發(fā)明公開一種基于平面應力條件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術，其具體步驟是假設垂直方向為已知主應力方向σZ，主應力大小可由公式σZ＝γd；水平方向上，在相互垂直的兩個方向及與此夾角45度的方向取巖樣；加載并記錄數(shù)據(jù)，分析得出Kaiser點，根據(jù)理論計算公式可計算得水平方向的兩個主應力的大小及方向，加上假設的σZ，即可實現(xiàn)地應力的三維應力測定?；谄矫鎽l件下的新型聲發(fā)射地應力場測量技術是一種新型地應力場測試技術，可以彌補傳統(tǒng)測試方法的不足，同時也可以大大節(jié)省測量耗費，具有可操作性強、測量準確等優(yōu)點，結(jié)合巖體力學試驗和數(shù)值模擬分析等手段，可為巖土工程設計提供有力的科學依據(jù)，是一種全新、國際先進的地應力場測試技術。文檔編號G01N29/14GK101957343SQ20101029714公開日2011年1月26日申請日期2010年9月29日優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日發(fā)明者喬蘭,李遠,王清來,許振華申請人:中國瑞林工程技術有限公司;北京科技大學