工程区域岩体应力分析与研究
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摘要
岩石的力学性质和指标，类同其它材料的力学性质和指标，容易被人们认识和接受；而地应力是蓄存在岩体内部的一种内应力，并不是岩体的一种固有特性，而是岩体中存在的一种力学状态，同类岩体的地应力状态因地而异。所以，岩体的应力状态往往需要通过测量才能确定。另一方面，地应力对于岩石工程建设的重要性日益突出，地应力测量技术的发展日新月异。本人通过理论实践和查阅大量的国内外文献检索，了解了国内外地应力分析研究的发展历史、研究现状以及其发展趋势，对国内地应力研究成果作了简述。
本文较为系统地、全面地介绍了当前国内外通用的各种地应力测量方法的理论、测量原理；特别就国际岩石力学学会试验方法委员会于1987年推荐的4种地应力测定方法(钻孔孔径变形测量法、钻孔孔壁应变测量法、水压致裂法以及测量岩体表面应力的应力恢复测量法)作了较为详细的叙述。并对长江科学院完善的单钻孔中水压致裂法三维地应力测量和CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计的三维地应力测量的计算公式作了推导。
通过对水布垭枢纽工程的地应力测试成果和地应力场反分析成果的综合研究，展示了复杂岩体中的应力分布特征。在软硬相间的层状岩体中地应力分布很不均匀，应力大小与岩层硬度具有正相关性，硬岩中的水平应力大于软岩的水平应力。
The mechanical index or parameters of rock is similar to those of other materials, they are understood and accepted easily. However geostress is one inner stress stored up in rock mass, it isn' t rock-mass' inhesion characteristics like mechanical index, but it is a mechanical state in rock masses. The stress state is generally different in similar engineering rock mass but in different space. So the stress field can be determined only by measurement. At other hand, the importance of geostress to rock engineering stands out increasingly. The technology of measuring geostress is developed increasingly too. Through personnel practice experience and relevant international literature study, the geostress development history, research status and develop trend are summarized, the domestic research achievement is also quoted in this report.
It is stated systematically in the thesis the method's theories and measuring principle of all kinds of geostress determination technology. In particular the four methods recommended in 1987 by the committee of test method of the International Society of Rock Mechanics, i.e. two over-coring methods of strain relief in boreholes, hydraulic fracturing method and stress furbish measurement which measures the surface stress. Two methods' principle of three dimensional stress determination developed from the above four basic ones by Yangtze River Scientific Research Institute are presented, one based on hydraulic fracturing and hydraulic tests on preexistent fractures in single borehole, another one based on CKX-97 hollow package 3 direction strain gauge.
Through measurement and data regression analysis at Shuibuya Hydraulic Project, the characteristics of stress field in complex rock mass are also revealed. The stress distribution is far from uniform in this stratified rock, the horizontal stress magnitude in hard rock layers is significantly higher the that in soft layers.
本文较为系统地、全面地介绍了当前国内外通用的各种地应力测量方法的理论、测量原理；特别就国际岩石力学学会试验方法委员会于1987年推荐的4种地应力测定方法(钻孔孔径变形测量法、钻孔孔壁应变测量法、水压致裂法以及测量岩体表面应力的应力恢复测量法)作了较为详细的叙述。并对长江科学院完善的单钻孔中水压致裂法三维地应力测量和CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计的三维地应力测量的计算公式作了推导。
通过对水布垭枢纽工程的地应力测试成果和地应力场反分析成果的综合研究，展示了复杂岩体中的应力分布特征。在软硬相间的层状岩体中地应力分布很不均匀，应力大小与岩层硬度具有正相关性，硬岩中的水平应力大于软岩的水平应力。
The mechanical index or parameters of rock is similar to those of other materials, they are understood and accepted easily. However geostress is one inner stress stored up in rock mass, it isn' t rock-mass' inhesion characteristics like mechanical index, but it is a mechanical state in rock masses. The stress state is generally different in similar engineering rock mass but in different space. So the stress field can be determined only by measurement. At other hand, the importance of geostress to rock engineering stands out increasingly. The technology of measuring geostress is developed increasingly too. Through personnel practice experience and relevant international literature study, the geostress development history, research status and develop trend are summarized, the domestic research achievement is also quoted in this report.
It is stated systematically in the thesis the method's theories and measuring principle of all kinds of geostress determination technology. In particular the four methods recommended in 1987 by the committee of test method of the International Society of Rock Mechanics, i.e. two over-coring methods of strain relief in boreholes, hydraulic fracturing method and stress furbish measurement which measures the surface stress. Two methods' principle of three dimensional stress determination developed from the above four basic ones by Yangtze River Scientific Research Institute are presented, one based on hydraulic fracturing and hydraulic tests on preexistent fractures in single borehole, another one based on CKX-97 hollow package 3 direction strain gauge.
Through measurement and data regression analysis at Shuibuya Hydraulic Project, the characteristics of stress field in complex rock mass are also revealed. The stress distribution is far from uniform in this stratified rock, the horizontal stress magnitude in hard rock layers is significantly higher the that in soft layers.
引文
[1] 陈宗基．发刊词[J]．岩石力学与工程学报，1982，1(1)
[2] 裴伟．地壳应力状态[M]．国家地震局地震地质大队情报资料室译．北京：地震出版社，1978
[3] 刘允芳等著．岩体地应力与工程建设[M]．2000．9，湖北科学技术出版社出版
[4] 钟作武等．广州惠州抽水蓄能电站地应力测试与分析研究[R]．长江科学 院，2001．12
[5] 刘元坤等．湖北宣恩洞坪水电站地下厂房区地应力测试[R]．长江科学院，2000．3
[6] 国际岩石力学学会试验方法委员会．确定岩石应力的建议方法[J]．岩石力学与工程学报，1988，7(4)
[7] 谷志孟等．软岩地应力测量新方法的试验研究[J]．岩石力学与工程学报，1994，13(4)
[8] 陶振宇．对天然岩体初始应力的几点认识[J]．水文地质工程，1980．2
[9] 刘允芳等．在一个钻孔中测定岩体三向应力场[J]．第一届全国矿山岩体力学会议论文选集．北京：冶金工业出版社，1982．5
[10] 刘允芳等．用CJS-1型钻孔三向应变计测定现场岩体全应力[J]．应用岩石力学．长江水利水电科学研究院，1979．10
[11] 刘允芳等．深钻孔地应力测试技术与地应力场分析方法[J]．岩土工程学报，1993，15(3)
[12] 汤姆森，B．C．等，丁健民等译．地应力测量与研究[M]．北京：地震出版社，1982
[13] 刘允芳等．水压致裂法三维地应力测量[J]．岩石力学与工程学报，
1991，10(3)
[14] 刘允芳等．在单钻孔中水压致裂法的三维地应力测量[J]．岩石力学与工程学报，1999，18(2)
[15] 刘允芳，刘元坤．水压致裂法三维地应力测量方法的研究[J]．地壳形变与地震，1999，19(3)
[16] 刘允芳等．水压致裂法地应力测量破裂准则的探讨[J]．长江科学院院报，1995，12(2)
[17] 刘允芳，刘元坤．水压致裂法地应力测量若干问题的探讨[J]．地震研究，1999，22(3)
[18] 尹健民，刘元坤等．原生裂隙水压法三维地应力测量原理及应用[J]．岩石力学与工程学报，2001，20(增)
[19] 刘允芳等．大范围工程区域地应力场的确定[J]．力学及其工程应用．湖北省、武汉市力学学会成立30周年庆祝大会，武汉：华中理工大学出版社，1993．4
[20] 庞作会等．复杂初始地应力场的反分析[J]．岩土工程学报，1998，20(4)
[21] 李青麒．初始应力的回归与三维拟合[J]．岩土工程学报，1998，20(5)
[22] 王衍森等．基于有限元模型的三维地应力求解方法[J]．岩土工程学报，2000，22(4)
[23] 杨家岭．一种三维位移反分析的有限单元法[J]．岩土力学，1996，17(3)
[24] 陶振宇等．地应力场的反分析[J]．第四届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集，泰安：中国力学学会岩土力学专业委员会，1991
[25] 郭怀志等．岩体初始应力场的分析方法[J]．岩土工程学报，1983，5(3)
[26] 刘元坤等．清江水布垭工程三维应力场分析研究[R]．长江科学院，1998
[27] 张奇华等．清江水布垭工程三维应力场分析研究[R]．长江科学院，2000
[28] 丰定祥等．关于地下工程有限元分析中初始地应力场的假定．地下工
程，1982(2)
[29] 陶振宇等．地应力场的边界荷载反分析[J]．第一届全国计算岩土力学研讨会论文集，上海：同济大学出版社，1990
[30] 陶振宇等．地应力场的函数反分析[J]．武汉水利电力学院学报，1987．3
[31] 李光耀等．二滩水电站坝区岩体应力场研究[J]．岩石力学与工程学报，1982，1(1)
[32] 张有天等．地应力场的趋势分析[J]．水利学报，1984．4
[33] 长办技术情报科．地应力与工程[M]．长江流域规划办公室，1979．3
[34] 王越之等．横向各向异性地层地应力的研究[J]．石油学报，1999，20(1)
[35] 周思孟等．复杂岩体若干岩石力学问题[M]．北京：中国水利水电出版社，1998．6
[36] 武汉测绘学院．最小二乘法[M]．北京：中国工业出版社，1961．7
[37] 张启人．测定值计算基础[M]．北京：科学出版社，1959
[38] 刘元坤等．乌江彭水水利枢纽工程区域地应力场分析[R]．长江科学院，1997．5
[39] 刘允芳等．深钻孔地应力测量和地应力场分析及其应用[J]．长江科学院院报，1993，10(2)
[40] 刘允芳等．广州抽水蓄能电站地下厂房区地应力场[J]．长江科学院院报，1990，7(4)
[41] 刘允芳等．三峡水利枢纽船闸区地应力场初步分析[J]．长江科学院院报，1989，6(2)
[42] 刘允芳．三峡船闸区重点剖面和部位地应力场的概化[J]．长江科学院院报，1996，13(3)
[43] 龚壁新等．乌江构皮滩水利枢纽地下厂房区地应力场分析[R]．长江科学院，1991．5
[44] 中科院数学所．回归分析方法[M]．科学出版社，1974
[45] 试验研究的数理统计方法[M]．中国计量出版社，1987
[46] 王拉才等．地应力场的解析反演法[J]．地应力测试及其应用论文集，1991．12
[47] Duncan Fama, M.E.& Pender, M.J..Analysis of the Hollow Inclsion technique for measuring in situ rock stress[J].International Joumal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1980,17(3)
[48] Norotnick,G.& Walton,R.J..Triaxial 'Hollow Inclusion' gauges for the determination of rock stress in situ. Proc. ISRM Symp. on Investigation of stress in Rock and Advances in Shear Measurement[M],Sydney supplement,1976
[49] Brown, E.T.and Hoek, E..trends in relationships between measured in -situ stresses and depth,Intern.J.of Rock Mech[J].and Min. Sci, Vol. 15, No. 4, August, 1978
[50] Suckurai:A Design Aproach to Dimensioning Underground Openning.3-rd Int.Conf.Num. Method Geomechanics[M],1979.4
[51] Gioda,O.and Maier G:Direct search sotution of an Inverse Problem in Elastoplasticity:Identiffication of Gohesion,Friction Angle and In Situ Stress by pressure Tunnel Tests Int[J],J. Numerical Methods in Engineering,Vol. 15:1823-1848, 1980
[52] 刘元坤等．清江水布垭地下厂房区三维地应力测试研究[R]．长江科学院，2001．3
[53] 罗超文等．清江水布垭地下厂房区水压致裂法地应力测试研究[R]．长江科学院，1998．5
[2] 裴伟．地壳应力状态[M]．国家地震局地震地质大队情报资料室译．北京：地震出版社，1978
[3] 刘允芳等著．岩体地应力与工程建设[M]．2000．9，湖北科学技术出版社出版
[4] 钟作武等．广州惠州抽水蓄能电站地应力测试与分析研究[R]．长江科学 院，2001．12
[5] 刘元坤等．湖北宣恩洞坪水电站地下厂房区地应力测试[R]．长江科学院，2000．3
[6] 国际岩石力学学会试验方法委员会．确定岩石应力的建议方法[J]．岩石力学与工程学报，1988，7(4)
[7] 谷志孟等．软岩地应力测量新方法的试验研究[J]．岩石力学与工程学报，1994，13(4)
[8] 陶振宇．对天然岩体初始应力的几点认识[J]．水文地质工程，1980．2
[9] 刘允芳等．在一个钻孔中测定岩体三向应力场[J]．第一届全国矿山岩体力学会议论文选集．北京：冶金工业出版社，1982．5
[10] 刘允芳等．用CJS-1型钻孔三向应变计测定现场岩体全应力[J]．应用岩石力学．长江水利水电科学研究院，1979．10
[11] 刘允芳等．深钻孔地应力测试技术与地应力场分析方法[J]．岩土工程学报，1993，15(3)
[12] 汤姆森，B．C．等，丁健民等译．地应力测量与研究[M]．北京：地震出版社，1982
[13] 刘允芳等．水压致裂法三维地应力测量[J]．岩石力学与工程学报，
1991，10(3)
[14] 刘允芳等．在单钻孔中水压致裂法的三维地应力测量[J]．岩石力学与工程学报，1999，18(2)
[15] 刘允芳，刘元坤．水压致裂法三维地应力测量方法的研究[J]．地壳形变与地震，1999，19(3)
[16] 刘允芳等．水压致裂法地应力测量破裂准则的探讨[J]．长江科学院院报，1995，12(2)
[17] 刘允芳，刘元坤．水压致裂法地应力测量若干问题的探讨[J]．地震研究，1999，22(3)
[18] 尹健民，刘元坤等．原生裂隙水压法三维地应力测量原理及应用[J]．岩石力学与工程学报，2001，20(增)
[19] 刘允芳等．大范围工程区域地应力场的确定[J]．力学及其工程应用．湖北省、武汉市力学学会成立30周年庆祝大会，武汉：华中理工大学出版社，1993．4
[20] 庞作会等．复杂初始地应力场的反分析[J]．岩土工程学报，1998，20(4)
[21] 李青麒．初始应力的回归与三维拟合[J]．岩土工程学报，1998，20(5)
[22] 王衍森等．基于有限元模型的三维地应力求解方法[J]．岩土工程学报，2000，22(4)
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[24] 陶振宇等．地应力场的反分析[J]．第四届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集，泰安：中国力学学会岩土力学专业委员会，1991
[25] 郭怀志等．岩体初始应力场的分析方法[J]．岩土工程学报，1983，5(3)
[26] 刘元坤等．清江水布垭工程三维应力场分析研究[R]．长江科学院，1998
[27] 张奇华等．清江水布垭工程三维应力场分析研究[R]．长江科学院，2000
[28] 丰定祥等．关于地下工程有限元分析中初始地应力场的假定．地下工
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[29] 陶振宇等．地应力场的边界荷载反分析[J]．第一届全国计算岩土力学研讨会论文集，上海：同济大学出版社，1990
[30] 陶振宇等．地应力场的函数反分析[J]．武汉水利电力学院学报，1987．3
[31] 李光耀等．二滩水电站坝区岩体应力场研究[J]．岩石力学与工程学报，1982，1(1)
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[34] 王越之等．横向各向异性地层地应力的研究[J]．石油学报，1999，20(1)
[35] 周思孟等．复杂岩体若干岩石力学问题[M]．北京：中国水利水电出版社，1998．6
[36] 武汉测绘学院．最小二乘法[M]．北京：中国工业出版社，1961．7
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[38] 刘元坤等．乌江彭水水利枢纽工程区域地应力场分析[R]．长江科学院，1997．5
[39] 刘允芳等．深钻孔地应力测量和地应力场分析及其应用[J]．长江科学院院报，1993，10(2)
[40] 刘允芳等．广州抽水蓄能电站地下厂房区地应力场[J]．长江科学院院报，1990，7(4)
[41] 刘允芳等．三峡水利枢纽船闸区地应力场初步分析[J]．长江科学院院报，1989，6(2)
[42] 刘允芳．三峡船闸区重点剖面和部位地应力场的概化[J]．长江科学院院报，1996，13(3)
[43] 龚壁新等．乌江构皮滩水利枢纽地下厂房区地应力场分析[R]．长江科学院，1991．5
[44] 中科院数学所．回归分析方法[M]．科学出版社，1974
[45] 试验研究的数理统计方法[M]．中国计量出版社，1987
[46] 王拉才等．地应力场的解析反演法[J]．地应力测试及其应用论文集，1991．12
[47] Duncan Fama, M.E.& Pender, M.J..Analysis of the Hollow Inclsion technique for measuring in situ rock stress[J].International Joumal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1980,17(3)
[48] Norotnick,G.& Walton,R.J..Triaxial 'Hollow Inclusion' gauges for the determination of rock stress in situ. Proc. ISRM Symp. on Investigation of stress in Rock and Advances in Shear Measurement[M],Sydney supplement,1976
[49] Brown, E.T.and Hoek, E..trends in relationships between measured in -situ stresses and depth,Intern.J.of Rock Mech[J].and Min. Sci, Vol. 15, No. 4, August, 1978
[50] Suckurai:A Design Aproach to Dimensioning Underground Openning.3-rd Int.Conf.Num. Method Geomechanics[M],1979.4
[51] Gioda,O.and Maier G:Direct search sotution of an Inverse Problem in Elastoplasticity:Identiffication of Gohesion,Friction Angle and In Situ Stress by pressure Tunnel Tests Int[J],J. Numerical Methods in Engineering,Vol. 15:1823-1848, 1980
[52] 刘元坤等．清江水布垭地下厂房区三维地应力测试研究[R]．长江科学院，2001．3
[53] 罗超文等．清江水布垭地下厂房区水压致裂法地应力测试研究[R]．长江科学院，1998．5
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