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編輯推薦： 本书特别适合学习高地应力软弱围岩隧道及地下工程的有关技术人员使用，也可供从事隧道及地下工程、岩土工程、地质工程等高校和科研院所的科研人员与师生参考。 內容簡介： 本书以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景，系统研究了我国地应力及青藏地区的地应力分布规律。在此基础上，通过地应力现场实测、理论研究与数值分析，对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机理进行了研究与应用。本书主要内容包括地应力与高地应力概述、软岩以及软岩隧道力学特性、中国特别是青藏地区不同岩性地应力的分布规律、隧道区域地应力实测与应力拓展、基于岩体软化直曲直模型的卡斯特耐尔扩展公式、基于开挖应力释放率模型的高地应力软岩隧道衬砌压力研究及其数值分析等内容。 本书内容丰富、图文并茂、数据资料翔实，反映了高地应力软岩隧道的荷载机制研究与应用的*水平。本书适合于从事长大山岭隧道和深埋地下工程的科研、勘察设计与施工人员使用，也可供隧道与地下工程、岩土工程、地质工程等专业的高校师生参考。 關於作者： 陈志敏，男， 1979 ，河北临城人。1998年9月-2002年7月兰州铁道学院铁道工程专业获工学学士学位；2002年9月-2005年6月兰州交通大学桥梁与隧道工程专业获工学硕士学位；2007年9月-2012年6月兰州交通大学岩土工程专业获工学博士学位；2002年7月-2006年12月兰州交通大学土木工程学院助教；2007年1月-2012年12月兰州交通大学土木工程学院讲师；2013年1月- 兰州交通大学土木工程学院副教授；2009年获青年教师教学奖荣誉称号；2010年9月-2012年7月任甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室（依托兰州交通大学）岩土与地下工程试验中心主任；2012年7月-至今任兰州交通大学土木工程学院科研与平台建设办公室主任。教学与科研工作中，注重理论联系实际。2009年获青年教师教学奖荣誉称号。主持和参与多项省、部级科研课题，其中获得甘肃省建设科技进步一等奖一项和甘肃省高校科技进步二等奖一项，并取得一项实用新型专利。近些年来先后在学术期刊上第一作者发表论文10余篇，EI收录4篇，ISTP收录1篇。 目錄： 目录 第1章绪论 1.1地应力概述 1.1.1地应力的概念 1.1.2高地应力 1.2软岩及软岩隧道 1.2.1软弱围岩的含义及力学特性 1.2.2软弱围岩隧道 1.3高地应力软岩荷载问题的研究现状 1.3.1高地应力软岩荷载问题国外研究现状 1.3.2高地应力软岩荷载问题国内研究进展 1.4高地应力软岩隧道的荷载机制 1.4.1基于原岩应力和开挖位移的高地应力软岩隧道围岩压力研究 1.4.2基于开挖应力释放率模型的高地应力软岩隧道衬砌压力研究 第2章地应力的分布规律 2.1地应力的影响因素分析 2.1.1地应力成因 2.1.2地应力的主要影响因素 2.2全球地应力区域构造分析 2.3中国应力场分析 2.3.1中国实测地应力分析 2.3.2中国不同岩性地应力分析 2.4青藏地区地应力分析 2.4.1青藏地区地应力成因 2.4.2青藏地区地应力分布 2.4.3青藏地区三大岩性地应力分布规律 2.4.4综合分析 第3章隧道区域地应力实测与应力拓展 3.1国内外研究现状 3.1.1国外研究现状 3.1.2国内研究现状 3.2地应力测量方法 3.2.1应力解除法之空腔包体应变计法 3.2.2孔底应力解除法 3.2.3水压致裂法 3.2.4声发射法 3.2.5应力恢复法 3.3软岩隧道的地应力测量 3.3.1天池坪隧道高地应力现场测试与分析 3.3.2两水隧道地应力测试结果分析 3.4宏观地应力场拓展分析 3.4.1BP神经网络改进与地应力场拓展 3.4.2地应力场拓展分析 第4章软弱围岩隧道 4.1软岩隧道的现状 4.2软岩隧道的特征分析 4.3软岩隧道变形演化机制 4.4软岩隧道变形原因 4.5高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用 4.6高地应力软岩隧道围岩压力研究中的主要理论问题 第5章高地应力软岩隧道的荷载机制 5.1基于原岩应力和开挖位移的高地应力软岩隧道围岩压力的研究 5.1.1围岩软化直曲直模型 5.1.2软化模量的概念及其物理意义 5.1.3岩体应变模型 5.1.4基于岩体软化直曲直模型的卡斯特耐尔扩展公式推导 5.1.5弹性区围岩应力分布的理论解 5.1.6塑性软化区卡斯特耐尔扩展公式推导 5.1.7塑性流动区卡斯特耐尔扩展公式推导 5.1.8卡斯特耐尔扩展公式广泛性分析 5.1.9卡斯特耐尔扩展公式与经典卡斯特耐尔公式对比分析 5.2卡斯特耐尔扩展公式实例分析与工程应用 5.2.1卡斯特耐尔扩展公式应用探讨 5.2.2经典实例分析 5.2.3木寨岭隧道高地应力Ⅴ级软岩段应用 5.3基于开挖应力释放率模型的高地应力软岩隧道衬砌压力研究 5.3.1基于净空收敛曲线三阶段划分的高地应力软岩隧道衬砌压力研究 5.3.2基于净空收敛曲线拟合的高地应力软岩隧道衬砌压力研究 5.4高地应力软弱围岩条件下支护结构与围岩相互作用三维数值分析 5.4.1关角隧道基于等效连续介质模型的三维数值分析 5.4.2基于围岩参数全过程变化的木寨岭隧道Ⅴ级软岩段 三维数值分析 参考文献 內容試閱： 前言上天入地是人类立体空间发展的必然趋势。21世纪是世界隧道与地下空间大发展的世纪，必将出现更多的长大隧道工程。铁路、公路隧道等地下工程因互联互通的需要而迅猛发展，其长、大、深、群的特点日趋明显。高地应力软岩隧道大量涌现，都具有围岩软弱、地应力较高、变形大且持续时间长等特点。在高地应力软弱围岩条件下修建隧道，由于软岩本身自稳能力差、塑性变形大，且具有明显的流变性，如对围岩变形、应力变化规律不了解或支护结构不合理，往往会发生过量变形而使隧道坍塌。这一问题已成为世界性的地下工程难题之一，已引起世界岩土力学和工程界的广泛重视。本书以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景，系统研究了我国整体地应力及青藏地区区域地应力的分布规律。在此基础上，通过地应力现场实测、理论研究与数值分析，对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机理进行了研究与应用。在一带一路和世界互联互通的大背景下，铁路、公路等重大交通基础设施建设尤为重要，必将面临大量高地应力软弱围岩产生的一系列问题和挑战，希望本研究得到的这些新的认识与规律能为此类隧道的研究、勘察设计与施工提供参考。书中引用和参考了许多学者的著作，并吸纳了其中的一些成果，甚至有些资料的出处不甚明了，在此对所有作者表示诚挚的谢意！本书的出版得到了国家自然科学基金11662007、甘肃省基础研究创新群体145RJIA332、甘肃省建筑节能和建设科技专项JK201415、甘肃省教育科学十二五规划课题（GS［2014］GHB0342）以及长江学者和创新团队发展计划滚动资助IRT_15R29的经费资助，在此表示感谢。本书的科研和试验研究得到了中铁第一勘察设计院李国良总工程师及其他工程师的帮助； 在地应力现场测试方面，得到了长江水利委员会长江科学院尹健民教授以及现场测试工程师李永松博士的真诚帮助； 本书的出版得到了清华大学出版社赵益鹏编辑的大力支持，在此，一并表示衷心感谢。鉴于作者学识水平所限，疏漏和不妥之处在所难免，期望同行专家及读者提出批评意见和建议，作者表示衷心的感谢！作者2017年3月于兰州交通大学 第3章隧道区域地应力实测与应力拓展所谓地应力，即地层中天然存在的应力，是纯自然形成的，没有受到任何人为或者工程扰动的初始应力。它的形成可以总结为两个方面的因素，一是在构造应力场和重力场综合作用的结果； 二是由于岩石经过数年的形成过程中所经历的风化、侵蚀等物理或者化学因素的影响以及或者岩浆侵入等方面的原因所形成的应力状态。随着时间的推移和空间的变化，地应力的大小或方向都会发生改变，按照地应力形成年限和过程可以把地应力分为古地应力和现今地应力。其中，古地应力是指较早时期存在的且现在不富含有构造应力的地应力； 现今地应力是指现在存在并还处于活动状态的地应力。地形、地质等自然因素都会对地应力的形成造成一定的影响。地应力分布规律错综复杂，无法准确确定，但是通过大量理论分析，可以得到浅部应力场的一些基本规律。地应力的应力场是不稳定的，在三个主应力方向中，存在两个水平应力和一个垂直应力，因而水平应力占主导地位。对于范围较小的岩体，地应力的大小和方向随位置的变化而改变，在范围较大的岩体中，地应力的大小和方向的改变很小，只是随着时间的推移会产生变化。地应力的水平分量大于垂直分量，但垂直分量与重力场几乎是等同的。随着深度的增大，测压也不断增大。在施工过程中对岩体进行破坏或扰动，就会使岩体自然形成的应力变形，导致岩体内部应力重新排列和分布，原来属于弹性状态的岩体可能会转变为塑性状态，甚至导致破碎。离施工地点越近的岩体地带产生应力集中的可能性就越大，矿体的变形或破坏的程度就越大，就会改变原岩应力，这就影响到工程建设的稳定性，工程师需要设计出经济、可靠的人工支护来保证岩体的稳定性，从而必须知道原岩应力。因此，地下工程的稳定性与原岩应力密不可分，一个设计研究方案能否反映工程实际情况的关键就是初始地应力的可靠性能否得到实现。岩体变形甚至断裂等问题都是源于地应力变化，随着中国水利水电、隧道工程等工程项目的增加，瓦斯突出、岩爆等一系列的问题频繁发生，再加上中国大陆板块与太平洋板块、印度洋板块的挤压，导致中国是一个多地震、山体滑坡的国家，研究地应力，加强地应力的探测与监控，不仅可以为大型工程项目提供信息与服务，还可以为地球勘探技术、动力学研究、地震灾害预警研究提供可靠的基础。当今社会，信息技术高速发展，各种工程项目不断增加，例如采矿、水利水电、隧道工程等，甚至有些项目将在河谷或者沟谷等施工，涉及复杂地形，这就增加了工程难度系数，因此仅靠以往的经验判断岩层情况的测量方式已经无法满足当前状况，地应力的重要性日益显著。如果不了解地应力的地下结构，设计也无从下手，只有认识到地应力是地下结构稳定性的关键，是引起地下结构破坏或者变形的根本原因，才能找到解决问题的最初原因，使地下工程实施顺利进行。在实际的工程应用中，并不是每一次的地应力测量都是准确和成功的，所以有必要把各种方法进行归纳总结，以便能够准确地运用适当的方法来进行不同工程的地应力测量，使其测量的成功率以及精度有所提高。3.1国内外研究现状3.1.1国外研究现状 美国进行地应力测量的时间较早，劳伦斯R.S.Liearace于1932年在胡佛大坝泄水隧洞中首次成功进行了原岩应力测量。1962年，美国又相继研制出了USBM钻孔变形计，它是由欧贝特研制出的，其依据是孔径变形法，这种方法是测量钻孔直径变化的测量方法。20世纪60年代末，水压致裂法的相继提出，使美国地应力测量技术空前提高，该方法是由海姆森和费尔赫斯提出的［47］，即垂直钻一个孔，将其封隔，向孔内注入高压液体，通常是水，然后通过孔壁的膨胀和裂缝来判断地应力的方向及大小。它最初起源于石油的开发工作，为了增加石油产量，向储油的岩层加压，使其出现裂缝，导出石油，但是为了不让通道闭合，就往里填充材料，这种方法逐渐完善后就产生了现在的水压致裂法，该测量方法在美国的20世纪中后期得到了广泛的传播与推广。水压致裂法比以往所有的地应力测量方法测得深度都要深，达到空前未有的5000m深度，而且它不需要过于精密的仪器，还有测试周期短、方法简便易懂、操作简单等优点，是目前世界上最常用的地应力测量方法，对研究地矿深度的构造应力场有非常重要的意义。南非是世界上钻石储量最多的地区，其地应力测量和发展与采矿业密不可分，因而南非是世界上测量地应力最早的国家，也是最有成效的国家之一。20世纪50年代末期，南非科学与工业研究委员会力学工程研究所研制出了孔径变型仪，它有两种型号，即Mark1和Mark2，这两种型号的孔径应变仪就是由利曼及该研究所的岩石力学部研发出来的，主要用来监测矿山岩爆和研究应力场的状态。1966年南非学者利曼E.R.Leeman根据弹性力学理论提出了含圆柱形孔的无限介质体在无限远处三维应力场作用下孔周围应力场的解析解，推动了地应力测量技术的发展和进步［48］。20世纪70年代，南非科学家提出了孔壁应变测量地应力的方法，首次研制出了SCIR三轴孔壁应变法，实现了从二维测量向三维测量的跨越，实现了之前从未有过的单孔径全地应力测量，可以获得某个点的三维地应力测量数据。现在这种方法已经在全世界得到推广，推动了地应力测量技术的发展和进步［48］。瑞典是世界上最早进行地应力测量的国家之一，早在1951年瑞典人哈斯特进行了大量的磁致伸缩效应试验，成功地运用这种效应研制出了铝合金钻孔应力计，并与套孔应力解除法相结合，对斯堪的纳维亚半岛的矿区进行了测量，发现水平主应力竟然大于垂直主应力，从而对传统的观念产生怀疑，推翻了地应力以垂直应力为主的禁锢，也打破了地应力是静水压力的假说，使得地应力测量技术又得到进一步的发展。瑞典电力局于20世纪60年代研制出名为二维孔底应变计的新型应变计。20年后，又研制出深钻孔水下三维孔壁应力解除测量仪器，测量的孔深有500多米，20世纪90年代初又研制出无电缆遥控自动记录深孔钻孔应变计，地应力测量技术又达到更高水平［48］。澳大利亚是世界上进行地应力测量最早的国家之一，这个国家的第一个地应力测量开始于新南威尔士的一个雪山电站，是由沃罗特尼基和亚历山大在1957年年初实验成功的，他们采用的方法是扁千斤顶法。对于澳大利亚整个国家来说，这个方法掀开了澳大利亚地应力测量技术的序幕。沃罗特尼基是澳大利亚联邦科学与工业研究组织的一名研究成员，这个组织是澳大利亚CST公司的前身，沃罗特尼基和组织的其他成员研制出了一种叫作空心包体应变计的新型测量地应力的仪器，这种仪器比同时期的其他测量方法更方便、准确，现在已经得到广泛的推广使用。为了使这个测量仪器的功能更加完善，邓肯破解了空心包体应变计的岩体应力场的解析解，1980年空心包体应变计测量方法得到完善，变得更可靠。彭德和米尔斯在研制了一种叫作ANZ的应变计之后，通过这种应变计对矿区的测量，测绘出了矿区的汇编图，并总结出锚杆支护工程的成功因素之一在于对地应力的准确测量。在一个煤矿中，地应力测量地点很多，有时几乎有几十个，所以可以通过这些测量地点来绘制地应力的分布图，然后规划巷道的支护，有利于矿区的稳定性发展和系统的规划布置。苏联开展地应力测量的时间比一般国家较晚一些，为了对大地的构造进行深度研究和对地球动力学进行解析，苏联采用地理或者物理方法进行地应力测量，而且这种方法使用较为通用。20世纪60年代初，作为苏联黑色冶金工业部矿业研究所研究成员费洛赫对乌拉尔矿区进行了地应力测量，采用新研究出的全应力解除法和半应力解除法，并对此矿区成功进行了测量。70年代，苏联的研究院物理研究所出版了一本有关于地壳、地球应力状态的书，记载和收集了有关这个国家的矿区和水电等方面的大量实测资料，格佐夫斯基根据这些实测资料和地震机制解析解的资料绘制出了该国家的应力场图。80年代后期，加卢什等苏联物理研究者在顿巴斯煤田进行了地应力测量，采用的方法是套孔应力解除法，推进了苏联地应力测量技术的发展。英国对地应力测量的研究也处于世界前列，起步于20世纪50年代。英国研究学者进行地应力测量的主要方法是应力解除法和扁千斤顶法，20多年后，英国开始使用已经被世界广泛使用的水压致裂法研究地应力，推进了英国水电水利的发展。赫德森等广泛收集有关地应力的实测资料，从国内外收集的资料中，他总结出一个重要的规律： 地应力水平方向上分布着地应力的最小主应力和最大主应力，最大主应力约在西北东南方向，而垂直方向上分布的是地应力的中间应力。日本的地应力测量工作展开得比其他国家要早很多，20世纪30年代，日本开展地应力测量工作是为了矿山的开采和地下工程的需要。起初所采用的方法是仅能测量围岩巷道表面的应力恢复法，这种测量方法比较简便，它只能测量岩石的表面，直接能测量出地应力的大小，如果知道地应力的主应力时，这种方法更为简单。因为应力恢复法是一种无须知道岩石的弹性特性、受岩石内的非均质影响较小的一维应力测量方法，具有操作简单、费用较少等优点。20年之后，日本为了研究岩石内部应力，开始使用应力解除法等向岩石打钻的方法进行岩石内部应力的测量研究。葡萄牙进行地应力测量的工作也比较早，罗洽等人对扁千斤顶进行了改进，后来又研制出实心空心包体应变计，继而研制出空腔包体应变计。罗洽等人在地应力研究方面取得了显著的成绩，因此参加了里斯本国际岩石力学大会和国际地应力测量研讨会，将他们的发明成果传给了世界各国，这两次大会推进了世界范围内地应力测量技术的发展。除了这些国家，还有很多国家进行了地应力的实测和研究工作，推进了矿业和水利等方面的进步，如法国、芬兰、赞比亚、挪威、新西兰等国家，都开始了对地应力有关方面的探索，并取得了初步的成绩。3.1.2国内研究现状中国对地应力的钻研开始于20世纪40年代初，最早是李四光教授把地应力置于地质力学中进行研究。50年代后期，随着三峡工程、长江大桥等大型工程的规划和设计任务的提出，在著名地质学家李四光和陈宗基教授倡导下，中国正式开始了地应力测量和理论研究。中国的原岩应力的测量开始于20世纪60年代初期，最高测量深度达到30m，同时这个时期也开始利用千斤顶法测量矿山硐室的围岩表面的应力状态。在李四光教授指引下，地质研究所成员成功研制出了压磁应力计，之后在河北的隆尧县建立了全国第一个观测站，随之又在全国各地21个地方成功建立了观测站，形成了一个中国地应力观测网。1972年，郭增建、王妙月等人组织成立了地震源机制研究小组，对中国和邻区发生的地震进行震源解析，得出中国大地构造主要以水平方向为主的理论。20世纪70年代，地壳应力研究所成功研制了用于实地测量的轻型水压致裂法，使得实地测量有了很大的进展。中国在20世纪80年代就成功地在十多个地方运用水压致裂法进行原地应力测量，测得的最大深度是800m，中国的疆土广阔，须在更多地方进行原地应力测量。1981年，中国矿业大学成功研制了YN3B型和YN3B4型应变计，YN3B型应变计在旗山矿首次进行了实地测量，YN3B4型应变计在殷庄矿完成了实测。1985年，中国开始使用断层滑动方向定量拟合法，逐渐在中国推广。这个时期长江科学院进行了钻孔套芯应力解除法，并用于实地测量，其可靠性比较好。如今应力解除法是世界上运用最多的地应力测量方法，运用它可获得很多地应力资料。对于之前凯瑟发现脆性材料在单调增加应力的作用下，当超过最大承受应力范围时声发射开始明显增加的基础上，1987年，卢星宇研究了关于凯瑟效应和应力方向的相关理论，同年，张景等人对凯瑟效应分析地应力的新研究进行了详细地介绍和论述。1989年，李文平教授将最新的地应力测量方法声发射法运用于一些矿区地应力场及矿井工程稳定性。1990年，尹菲认为声发射法操作简单，成本较低，于是把这种方法用于黄河小浪底的地应力测量中，但是此次测量的地点是以历史上测得的最大的应力为背景，而不是单纯地测量出工程中所需要的矿体的地应力。为了达到工程需要的结果，需要进行大量的声发射法试验，并以较少的应力解除法为前提。蔡美峰于1991年针对温度补偿在地应力测量过程中出现的问题等进行了研究。1998年吴刚等人对不同应力状态下岩石材料破坏的特性做了研究，表明运用声发射法对最大地应力进行研究还需进一步的技术。1999年，长江科学院刘允芳教授校核了传统的水压致裂法，并对其进行修正，获得了有史以来真正意义上的三维地应力测量方法。2006年，中国地震局的谢富仁等把世界应力图与最新的研究成果相结合，阐述了全球范围的应力场与板块构造运动之间的关系； 大部分板块上层构造作用力方向单一，构成的地应力分布呈现地区性统一应力场。3.2地应力测量方法原始地应力是一种纯自然形成的没有受到工程扰动的比较稳定的应力，当人类修建铁路、开挖煤矿等工程动工时，这种天然的应力就会受到影响，平衡状态也会被打破。在这种状态下，进行地下工程和矿体的开挖可能会导致岩层的破坏和变形，而且随着当前矿井开挖深度的逐步加深，很多矿山都频频出现了岩爆、瓦斯突出、巷道围岩失稳等与地应力有关的问题。因此，应该首先了解所在工程区域的地应力情况，才能开始工程的动工，这不仅关系着工程的顺利进行，也对整个过程的安全起着保障作用。当前初始应力场是科研人员研究岩石力学的一个重要环节，它不仅是岩石工程设计的关键，也是准确地选择地应力量值和方向的必备材料，更是工程计算的基础条件。近几十年来，国家对地应力测量方面非常重视，测量方法明显增加，测量工具也有所提高。按不同的标准，地应力测量方法的分类不同。地应力测量方法的研究开始至今，测量仪器已达到200多种，也已经有很多种测量地应力的方法，它们可以按不同的方法来分类，但没有一个统一的标准。按测量数据特点，地应力测量方法可分为绝对地应力测量和相对地应力测量。绝对地应力是地壳应力原有的应力值，也就是岩层主应力的大小和方向； 相对地应力是工程开挖前、后岩体应力所发生的相对变化值或者规律。绝对地应力测量方法根据测量的基本原理又可分为直接测量方法和间接测量方法，所谓直接测量就是用测量仪器直接测量和记录应力值，然后根据这些测量值与原岩应力的关系直接进行换算，得到原岩应力值； 间接测量法是根据某些传感器或者元件来测量和记录岩体相关物理量的变化，然后根据这些物理量如泊松比、质量等，依据一定的计算公式间接得到原岩应力值，地应力测量和估算方法如表31所示。 表31地应力测量和估算方法对比 序号分类地应力测量和估算方法1钻孔应力测量法应力解除法 常规水压致裂法 原生裂隙水压致裂法 钻孔崩落法2利用岩心测量法声发射法或凯塞效应法Kaiser法 应变恢复法 岩心饼化3岩石表面测量法扁千斤顶法 表面解除法 续表 序号分类地应力测量和估算方法4地质构造分析法震源机制分析法 断层滑移法5其他方法应力场反演等 3.2.1应力解除法之空腔包体应变计法应力解除法的基本原理是测试岩体与周围岩体分离后，此时施加在该点岩体上的应力得到释放。按测试深度，应力解除法可分为表面应力解除法、浅孔应力解除法和深孔应力解除法； 按测试应变或变形，可分为孔径变形测试和孔壁变形测试， 图31单元体的应力状态图 a 解除前； b 解除后 其中，孔壁变形测试又分为孔底应力解除法和孔壁应力解除法。这个方法的试验建立在一定的假设前提下，把岩体看作一个质量均匀、各向同性的弹性体，且加载和卸载时应力和应变关系是相同的，并具有等同的函数值，借助弹性理论可得到单元体的应力状态，如图31所示。 应力解除法的基本原理是建立在应力解除法的基础上，因在测量的部位或者运用测量元件上的不同得到的。孔壁变形法是将应变片粘贴在孔壁上，通过应力解除前、后孔壁变形来计算地应力的一种方法，孔壁应变法的应变计有两种形式：第一种是一般的钻孔三向应变计，它是将电阻应变片直接粘贴在孔壁上。这种方法测量精度高，但步骤复杂，成功率较低。第二种是空腔包体式应变计，它是将应变片粘贴在预先制定好的塑胶筒内，粘贴之后，外面再浇一层环氧树脂做成应变计。采用这种应变计能达到一次钻孔一次测量就可以确定岩体三维地应力状态，这种应变计具有能在岩性较差、裂隙较多的地质环境中测量的优点，还具有操作简单、测量成功率较高等优点。该方法在世界各国都已发展较成熟，因此，下面主要讲述孔壁变形法中的空腔包体应变计。1. 孔壁变形法中的空腔包体应变计发展史随着地应力测量技术在工程实践中的发展，地应力测量仪器也被一次次地革新，但这一次次的发展与革新不是偶然的。在20世纪60年代中期之前，地应力的测量水平只处于最初的平面地应力测量阶段，也就是对一点在某一剖面上的应力状态的分析。之后，随着各个学科的进步，三维地应力测量技术逐渐发展起来。1963年以后，世界各国出现了各种各样的钻孔三向应变计，1976年澳大利亚联邦科学和工业研究组织资源开发研究CSIRO型空心包体式钻孔三向应变计。该方法测量简单，成功率高，能适应地质条件比较差的岩体，而且试验周期比较短，已被世界各国广泛采用。中国学者于20世纪80年代对空腔包体应变计进行研究，之后在地质力学研究所等一大批学者的努力下研制成功了YH3B4型空心包体应变计，最终以KX81、KX2003、CKX97、CKXO1型空心包体等展示于世，并在工程实践中得到了广泛的应用。2001年，广东惠州抽水蓄能电站的地下厂房及饮水系统浅埋段，运用空心包体式应变计进行钻孔地应力测量，取得满意成果。空腔包体应变计的最大测量深度可以达到365m，已经突破了套芯应力解除法应力测量在国内的最深纪录。2004年，邱贤德等把空腔包体应变计、完全温度补偿技术以及自动化实时记录系统结合起来，取得了卓越的成果，为分析工程的设计及施工提供了重要的依据。在一般的地应力测量方法中，须对钻孔三个方向进行测量，而钻孔孔壁测量法只需对钻孔进行一次测量便可获得岩体三个方向的地应力状态。2. 空腔包体应变计的基本原理空腔包体应变计的制作材料是环氧树脂，应变片的布置比传统的布置结构有所优化，除了传统的3组由3个应变片组成的应变计，又单独设计了3个应变片，总共12个应变片，即一次测量能得到12个观测值方程。因此，现在空腔包体应变计的制作过程是首先浇筑一个直径35mm的空心圆筒，然后在规定的位置把应变片贴好，也就是在同一圆周粘贴三组应变花，这三组应变花之间相隔120，每一组应变花由4个应变片组成，4个应变片相隔45，之后在外面浇筑一层环氧树脂，直径达36mm。3. 空腔包体应变计的安装技术安装空腔包体应变计时，空腔包体应变计与钻孔孔壁之间的黏合剂是灌注其内腔的环氧树脂，使用时，环氧树脂由一个带锥形头的柱塞将其挤出，流入应变计与孔壁之间的环形槽中，直至充满环形槽； 等环氧树脂固化之后，可将应变计牢固地粘贴在孔壁上。这对树脂和固化剂的配比较严格，如果配比不合适，会影响传感器的稳定性； 温度控制不好，会导致空腔包体应变计安装失败。图32和图33为传感器中应变器的布置方式，传感器中有3组直角应变花，且在同一圆周均匀分布，每组应变花由4片应变片组成。 图32圆柱筒上应变计布置图 图33空腔包体应变计圆筒展开图 4. 空腔包体应变计测量方法由于空腔包体只是钻孔应力解除法应用中的一个应变计，应变计不同，测量方法相应不同，这是在钻孔应力解除法的基础上有所改进或者研究的另一个方向，其测量的基本原理与钻孔应力解除法很相似。应力解除过程如图34所示。 图34应力解除过程 1 钻大孔： 在选中的岩层中，用钻机在其水平方向进行钻孔，当孔打到预期测量地点时停止。其中，钻孔的方向一般向上倾斜3~5，以方便清洗孔内污垢，并使其易于流出。2 打锥形孔： 换锥形钻头，并在孔底打锥形孔，其起到定位作用，并保证后期要打的小孔与大孔同心。3 钻小孔： 换一个3~6mm的小钻头，把该钻孔探到孔底处，并在外部的钻杆处做一标记，然后打小孔，钻到预定的长度即停止。清洁小孔，并进行包体安装： 钻好小孔后，将小孔内部的残渣或岩粉清除掉，保持孔内洁净，使应变计能与岩体紧密地粘贴。4 应变计的安装： 通过记录长度，运用推杆将应变计推入小孔内，并施加压力将定位销推断，使胶液流出，充分填充岩体与应变计之间的空隙。5 进行应力解除： 将包体安装24h后，环氧树脂固化，安装好应变仪，读数稳定时对应的数值就是初始值。应变计读数稳定时，不再解除，将岩心折断后取出带应变计的岩心。5. 空腔包体应变计测量方法的优、缺点孔壁和应变计通过胶结剂在相当大的面积上粘贴在一起，胶结质量较好，并且胶结剂可以渗透到应变计周围岩体的缺陷、孔隙，使岩石完整化，可以得到较完整的岩心。因此，这种应变计适用于不均匀的岩体以及中等程度不连续的岩体，并具有较好的防水性。单孔中一次套心应力解除就可获得三维应力状态，安装简单迅速，操作方便，能适应完整性比较差的岩体，效率和可靠性较高，已被广泛使用。但在安装质量检验时，只能在取心后进行围压标定。3.2.2孔底应力解除法1. 基本原理 先在岩体的测点处钻一个平底钻孔，并在孔底处粘贴一应变传感器，钻出岩心可使孔底的平面应力完全卸载，如图35所示，根据岩心应力解除后的应变以及岩石的弹性常量方可求出孔底处平面的应力状态。该方法只需要一个很小的岩心即可进行，因此有裂隙的岩石也可采用这种方法。 图35孔底应力解除法基本步骤 a 打大孔； b 在孔底粘贴应变片； c 应力解除 2. 试验过程进入测试现场之前的准备工作，除了准备一些测量设施和设备，应对测量仪器进行安全测定。测试步骤如下：1 准备好一台钻机，并选择测试地点；2 开动钻机进行平底钻，钻到测量部位后停止；3 在孔底处粘贴一应变片，作为应变传感器；4 再以平底钻时的孔径继续钻进，钻到预定的深度即停止；5 每隔10min向钻孔中冲水，连续进行三次，这三次的读数之差不超过5Pe就认为是稳定的，即可套钻取心，解除应力；6 在应力解除的过程中，每钻进2cm，读一下钢环的值并且记录； 进行到30cm时，若之前的长度内连续两次前后测量读数不超过5Pe，就认为是稳定的，停止钻进；7 取出钻具和岩心。在室内测定岩心的弹性模量E和泊松比，就可套用公式算出主应力的大小和方向。3. 特点孔底应力解除法对岩体的完整性要求不高，也适合破碎的岩体，大量试验证明其测试成功率比较高，但也存在很多的缺点。当应变片粘贴在孔底时，只能获得平面应力，不能直接得到三维应力，只有通过三个方向的测量，才能获得三维应力。3.2.3水压致裂法1. 基本原理 根据水压致裂法的含义可知，当液压泵向孔内部施加的压力超过一定的限度时，孔壁周围就会出现裂缝。在试验时，将测 图36水压致裂法示意图 试岩层的两端用封隔器密封起来，然后对封隔器两端加高压液体水，使钻孔两壁岩石产生裂痕，如图36所示。连续进行几个周期的施压，然后根据裂痕的方向和泵压的大小分析确定原岩的应力状态。经试验表明，在测试过程中，岩体破裂是沿着最小水平应力的垂直方向进行的，也就是说垂直方向最利于裂缝的扩展。 2. 基本假设条件水压致裂法是以弹性力学为前提，以所选的岩层为依托，一般有三个基本假设条件：1 岩石是均质、各向同性、线性的弹性体；2 岩体是完整且非渗透性的，如果岩石为多孔介质，注入孔内的流体必须符合达西定律；3 岩体的主应力有三个，一个是垂直主应力，另外两个是水平主应力，且一个是最大水平主应力，一个是最小水平主应力。水压致裂法测试过程中的力学性质以平面模型展示，如图37所示。 图37水压致裂法平面模型示意图 3. 试验过程试验设备由三部分组成： 一是钻孔承压段的封隔系统，两个封隔器安装在承压段的两端，中间是承压段，在测试过程中，承压段的压力逐渐增大； 二是加压系统，是向承压段注入液体施加压力的管路装置，包括液压泵； 三是记录装置，如井下压力计等。1 座封： 将封隔器放置在选好的压裂部位，开启液压泵，高压液将通过钻杆流进封隔器，使封隔器膨胀作用于岩壁上，形成压裂阶段。

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