地应力解除法地应力测量原理及技术之空心包体地应力测量原理

图1   一点的应力状态（六个应力分量） 

现场测量原始地应力，就是通过现场测试确定岩体的三维应力状态。岩体中一点的应力状态可由选定坐标系中的六个分量（s x ,s y ,s z ,t xy ,t yz ,t zx ) 来表示，一般情况下，地应力的六个应力分量是非零的，处于相对静止的平衡状态，无法直接得知。因此，任何一种实测方法都是通过扰动（通常的方法是打钻孔），打破原有状态，在从一种平衡状态到新的平衡状态的过程中，通过对应力效应的间接测量来实现。

力或应力物理效应是产生应变和位移。可以通过应变和位移传感器将岩体应变和位移的变化记录下来，取得测量数据。根据岩石的本构关系即应力-应变关系，建立相应的力学计算模型，由观测到的应变或位移，就能计算出地应力的六个分量或者三个主应力的大小和方向。

由此可见，现场地应力测量过程，本质上是应变或位移的测量过程。只要具备精巧、完备测量仪器和测试技术，就可保障应变和位移获得，而地应力结果的准确获得不仅要靠实测应变数据的可靠，还有赖于力学模型，以及由此推演的地应力分量的解算公式是否正确。因为地应力值要根据实测应变值，通过岩石的本构关系计算求得。

应力解除技术，是改变岩体应力状态，使岩体产生应变响应的简捷方法。所谓钻孔应力解除技术，就是将一段岩石通过取芯（套芯技术）从周围岩体施加给它的应力场内隔离开来的方法。

设地下某一点的应力为s x ,s y ,s z ,t xy ,t yz ,t zx ，主应力大小为s 1，s 2，s 3 ，与大地坐标系 XYZ 关系用 9 个方向余弦或 9 个夹角值可以*确定。但在实测中，钻孔与岩层、与大地坐标总会呈某一角度（仰角或俯角）。设 xyz 为钻孔坐标系，在该坐标系下的地应力是实测地应力。由此，只要有了两套坐标系的相对关系和实测地应力的的全部分量，通过坐标变换就可得到 XYZ 坐标下的应力分量，并由此求得主应力的大小和方向。由空心包体应变计所测量应力解除过程中应变数据计算地应力的公式为：

式中：ε θ ,ε z ,γ θz 分别是空心包体应变计所测周向应变、轴向应变和剪切应变值。

K 系数计算公式

式中： R1为空心包体内半径；

R2为安装小孔半径；

G1 ,G2 分别为空心包体材料环氧树脂和岩石的剪切模量；

ν 1，ν 2 分别为空心包体材料环氧树脂和岩石的泊松比；

ρ 为电阻应变片在空心包体中的径向距离